新型轻钢结构体系的设计研究

田镜楷

(太原理工大学)

1 新型轻型钢结构体系的主要特点

轻钢结构体系是一种新型的建筑结构形式，其采用薄壁冷弯C、Z型钢与H型钢等进行组合，形成建筑的骨架，然后利用彩色涂层压型钢板和夹芯板构建成为建筑的屋面和墙体.这种建筑的结构形式正逐步取代当前广泛使用的钢筋混凝土结构建筑.

轻钢结构体系建筑的基础可以分为钢筋混凝土独立基础和钢筋混凝土条形基础两种形式.其中，独立基础适合于在地质情况优良的场合使用，而条形基础则适合于地质情况较为恶劣的场地中使用.施工过程中，首先要预埋地脚螺栓，并在增加垫片之后与建筑的钢柱相连接.对于采用轻钢结构的建筑物，其采用预制构件的方式构建，在施工现场不进行焊接、钻孔等操作.建筑的主钢架(梁、柱)采用焊接型钢或者热轧型钢作为构件材料，这样可以充分发挥钢材的力学性能以及构件的力学强度.而结构体系中的次构件，诸如檩条，则是在经过防腐处理之后形成的冷弯薄壁Z、C型钢，其通过螺栓与主钢架连接起来.

由于轻钢结构建筑物的围护体系，包括屋顶、墙体等，是采用彩钢压型板、夹芯板构成的，而且是采用子宫螺栓将之与屋面、沿墙的檩条连接起来.围护体系的压型钢板是将镀锌钢板或者彩色涂层钢板作为基材，在经过辊压冷弯处理成型之后成为建筑的围护体系结构板材.另外，为了达到隔热保温的作用，其隔热层中加入了离心超细玻璃丝棉卷毡.彩钢压型板通过现场制作的方式，有效解决了大范围内面板搭接过程中出现的接缝不严实的问题，通过现场复合的方式让一个大面积的屋面成为了一个整体，使得屋面围护结构更加坚固、防漏、保温、易排水，同时增加了整个建筑外形的统一性、美观性与协调性.而建筑的夹芯板则是将彩色钢板的面板与底板将具有功能的芯材粘接起来，形成一种保温的复合围护板材.根据所夹保温芯材的不同，又可以将之分为硬质聚氨脂、聚苯乙烯以及岩棉三种夹芯板.其通常采用工厂预制的方式进行制作，利用搭接与咬合的方式连接起来.

2 轻钢结构体系的主要类型

针对低、高层钢结构建筑的需求，当前主要采用的几种典型轻钢结构体系类型包括以下几类.

2.1 冷弯薄壁型钢结构体系

这种结构体系的构件采用薄钢板冷弯成为C形、Z形、U形等结构件，能够的按度使用，同时也可以组合使用.由于各个杆件之间的连接采用自攻螺钉进行连接，因此这种钢结构体系节点的刚性难以得到保证，其抗侧能力较差，通常只适合于1～2层的低层建筑或者是别墅.

2.2 框架结构体系

当前，框架结构体系广泛的应用在多层钢结构住宅的建设当中.由于其纵向与横向都设置有钢制框架，且门窗的设置较为灵活，能够提供空间较大的开间，利于住户的二次设计，能够很好的满足多种生活需求.钢框架结构体系在设计的过程中充分考虑到了楼盖的组合作用，并将之应用到多层建筑当中，能够很好的满足建筑的抗侧需求.但是，由于当前框架柱主要以H型钢为主，其轴向的梁柱连接刚度不足，所以在设计施工过程中需要予以谨慎处理.

2.3 框架支撑结构体系

对于承受地震载荷以及风载较大的区域，框架支撑结构体系能够显著提高建筑的抗侧刚度，增强偏交支撑于轴交支撑效果.该种结构体系一般是多重抗侧体系，而且梁柱节点、柱脚节点能够采用半刚接、铰接等连接形式，具有施工构造较为简单，建筑结构基础能够承受较大轴向力、体形较小的有点，已经逐步成为了轻钢结构体系的一个重要结构形式.

2.4 框架剪力墙结构体系

在低层和高层建筑当中，能够应用传统的剪切墙体系，例如钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙结构等.当前，正在研究设计的空腔结构板就属于一种典型的抗侧结构.其中，空腔结构板是一种新型的轻质板材，利用黄纸制作成为用固有多种等边空腔结构的板状基本架构，在经过浸渍处理之后成为空腔结构.该种板材实现了与钢结构框架的可靠连接，形成了一种新形势的剪力墙.与此同时，美国和澳洲等还开发设计形成了新颖的交错桁架结构体系.

3 新型轻钢结构体系主要构件的设计

3.1 建筑楼面屋盖结构的设计

为了满足建筑队强度和结构可靠度的要求，建筑的屋盖和楼面首先要满足有足够的强度、刚度以及稳定性.同时，还应该通过适当减少楼板厚度，增加建筑室内净高的方式提高整个结构体系的可靠度.当前，广泛使用的压型钢板-混凝土组合楼盖具有施工周期短、楼盖平面刚度大以及房屋建筑楼层净高大等优点.在设计过程中，首先在建筑的钢梁上铺设一层压型钢板，然后再浇筑一层厚度为100～150 mm的混凝土.然后在钢梁上焊接合适的剪力连接件，确保整个钢梁结构能够与混凝土协同组合形成可靠度高的楼盖.但是，这种设计方式具有钢材消耗量大、需要进行防火处理的特点.因此，在实际设计过程中可以采用预应力钢筋混凝土薄板来替代压型钢板的方式对屋盖结构体系进行优化.另外，在屋盖体系设计过程中，预应力迭合板、圆孔板以及组合扁梁等也是典型的结构形式.

3.2 支撑及剪力墙结构形式的设计

对于高层框架式建筑结构体系，由于其框架结构的侧向刚度较弱，在楼层数不断增加的同时，为了增加建筑的抗震能力、减小楼层之间的错移，经常需要在建筑的墙体中设置垂直支撑体系.另外，为了便于建筑门窗的设置，所采用的支撑形式应该灵活多样，例如X型、K型、W型、V型以及人型等结构形式.一般多采用偏心支撑的方式，这样可以确保其在地震载荷的作用下具有良好的延展性及耗能性能.

设计过程中，根据剪力墙的材料与结构形式的不同，可以将之分为钢筋混凝土带缝剪力墙、普通钢筋混凝土剪力墙以及钢板剪力墙三种形式.其中，带缝钢筋混凝土剪力墙能够有效的避免普通钢筋混凝土剪力墙的刚度大，地震过程中易出现应力集中导致的对墙体破坏而产生裂缝的问题.而钢板剪力墙则是将钢板作为剪力墙结构，通过与钢框架的配合形成一个整体的刚性构件.

3.3 柱结构形式的设计

通常，钢结构住宅是大开间的形式，其在两个方向都要承受较大的弯矩，同时还要考虑强柱弱梁的要求.当前，广泛使用的结构形式主要包括焊接H型钢、I型热轧钢截面，其强弱轴惯性矩之比设置为3～10，必然会导致材料的浪费.所以，在设计过程中，对于双向轴压较大、弯矩接近、梁截面较高的框架柱，可以采用双轴等强钢管柱或者是钢管混凝土柱.其中，方钢管混凝土柱不但截面的受力合理，同时能显著提高框架的侧向刚度，具有良好的防火性能，能够抵抗结构破坏过程中柱体迅速弯曲造成的破坏.所以，虽然平面受力结构设计过程中选择H型钢和I型钢在受力方面相对合理，这使得箱形钢管柱以及方钢管混凝土柱得到了广泛的应用.

3.4 节点的设计

钢结构的连接节点设计属于轻钢结构的重要内容，在结构设计分析之前，应该对节点的基本形式进行充分确定.在设计过程中通常会遇到设计节点与结构分析模型中使用的节点形式不一致的现象，在设计过程中要予以避免.根据按传力特性的不同，轻钢体系的节点包括刚接，铰接以及半刚接三种形式.对于初设计者，可以选择前两种方式进行定量分析，并参考相应的节点设计方法与计算公式.由于连接形式的不同对结构的整体效果影响较大，例如部分刚节点虽然承受弯矩，但是其在受力过程中会出现较大的转动，不能满足节点的使用需求.

在具体的设计过程中，主要的设计内容包括如下几个方面:

(1)焊接，对焊接过程中的焊缝尺寸、形式等都有具体的规范要求.而且焊条的选择也应该与被焊接谨慎材质相适应.通常，E43可以用来焊接Q235，E50可以焊接Q345.而在将Q235与Q345焊接时，应该选择强度较低的E43.

另外，焊接设计过程中不能随意增加焊缝尺寸，且其重心应该尽量与被焊接的构件重心相连接.在具体的焊接过程中，可以参考相关的焊缝构造规范要求进行合理设计.

(2)栓接，铆接形式在轻钢体系结构设计过程中很少使用.其中，普通螺栓抗剪性能较差，一般可以用于次要结构的连接当中.而随着钢结构对整体强度要求的提高，高强螺栓得到了广泛应用.一般包括8.8s、10.9s两个基本等级.根据受力特点的不同，可以将之分为摩擦型与承压型两个基本类型.其中，超大规格的螺栓由于性能不够稳定，在设计使用过程中应当谨慎选择，可以根据表1、表2中的相关规定进行设计.

表1 高强度螺栓的预拉力 单位:KN

表2 开孔规定及相关要求 单位:mm

(3)节点设计应该考虑现场焊接、螺栓安装过程中的施工空间以及各种钢构件的吊装顺序等.设计过程中出现的构件运到现场之后不能合理安装时初设计者存在的主要问题.另外，在设计过程中还应该尽量保证安装现场能够方便的进行临时定位于固定.

(4)建筑结构节点的抗震设计.根据钢结构节点的设计类型不同，其主要包括梁-柱节点、梁-梁节点、柱-柱节点、柱脚节点、柱帽节点几种基本形式.设计过程中应该尽量通过简单、稳定的工艺保证节点的安全可靠，尽量减少现场进行焊缝连接.由建筑的结构布置分析，在充分考虑建筑的工厂实际情况的基础上，设计过程中对于高层钢结构柱，一般采用焊接工字形、箱形截面.因为焊接的工字形截面腹板相对较薄，所以在弱轴方向与粱相连接的过程中一般采用铰接的方式进行连接，而强轴方向的连接则采用刚接的形式.这主要是因为铰节点施工方便，解雇简单，但是其使得梁跨中弯矩增加，使得钢材消耗量增加，经济性较低;而刚性节点虽然构造较为复杂，但是其使得跨中弯矩降低，减少了钢材消耗量，具有较好的经济性;半刚设计由于受力特性较为复杂，需要通过具体的试验来获得相关设计数据，因此其应用较少.这些因素在结构节点的抗震设计过程中都应该予以考虑.

表3 某住宅小区不同结构方案经济性比较

表3为某住宅小区工程建设之前设计的两套不同的建设方案，后来在方案确定过程中通过对比分析，得到了两套方案的经济性对比，两者的综合造价比为1∶1.08最后拟定选择轻型钢结构体系进行设计.

4 结束语

在结构有限元分析设计技术的不断发展的背景下，充分利用商用有限元软件对钢结构体系进行合理分析设计是轻钢结构体系设计的一个趋势，尤其对于缺乏设计经验的初级设计人员而言，有限元设计方式是其克服经验不足的主要手段.

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