分析工业建筑钢结构设计中轻钢和重钢的差异

谭高铭

（中冶南方工程技术有限公司 湖北省武汉市 430223）

0 引言

随着我国建筑事业不断发展，当今钢结构建筑在工业厂房中的应用愈加广泛。轻钢、重钢是钢结构的重要组成部分，但二者区分并非是字面意义，如轻钢并不是指质量较轻的钢材，因此不能以轻重作为划分。轻钢、重钢目前没有统一标准，而是通过施工单位重量、起吊重量区分轻钢和重钢。对于工业建筑设计来说，轻钢、重钢都是不可或缺的材料，科学的轻钢、重钢组合才能够确保工业建筑整体设计质量。

1 工业建筑设计中轻钢和重钢的差异

1.1 轻钢

按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定，轻钢是指：①承重结构为单跨、多跨实腹门式刚架；②轻型外墙或屋盖；③无桥式吊车、起重量不高于20t的A1-A5工业级桥式吊车、3T悬挂式起重机。这里所指的单梁吊车并无限制，这是由于单梁吊车起重额定最大值通常不会超过5t，但配合使用进口电动葫芦的吊车起吊额度可以达到10t（如LD型吊车），所以在单梁吊方面并没有明确限制。在工业建筑表现上，主要是轻型屋盖、轻型外墙等，如规定当中提出不同抗震区域不通外墙的单层实腹门式钢架结构都是轻型钢结构。所谓的轻型钢结构是一个钢结构单位的重量，通常采用轻型材料，构件截面厚度为6～12mm，多数是H形变截面结构。结合以上内容来看，轻钢主要是指满足规定标准的实腹门式钢架结构。除了上述门式刚架结构外，根据受力构建截面构成划分，以下结构也应该属于轻钢的范畴：①冷弯薄壁型钢结构；②方管、圆管等组成的结构；③以上各个构件组成的结构。

我们也可以根据一些参考数值判定是否为轻钢。如：①最大跨度不大于36m；②含钢量的限值为45～50kg/m2；③圆形、H型等构件截面形式；④钢板厚度不超过12mm；⑤结构形式为门式刚架或类似结构；⑥厂房檐高不超过12m；⑦结构开间不超过9m。这些数据也可以判定是否为轻钢（结构）[1]。

1.2 重钢

我国以往的技术文件、规范标准中并没有提出明确的“重钢”概念，主要是为了轻钢和轻钢结构而衍生出的重钢概念。重钢更多是应用在大型厂房中，如冶金厂房、发电厂房、大型加工厂房等。由此可见，重钢是轻钢结构概念提出之后所衍生的概念，所以叫“普钢”更为合适。普通钢结构涵盖范围非常广，多种钢结构、钢结构荷载，甚至是轻钢相关内容，都在钢结构规范领域中。相比轻钢，重钢（结构）的特点有：①厂房行车起吊重量不低于20t，且起吊数量不低于2台；②单位钢材用量为50kg/m2以上；③构件钢板厚度大于12mm，构件截面是型钢组合结构；④厂房檐高在12m以上；⑤结构开间在9m以上[2]。

1.3 其他

当然，钢结构体系中不仅只包含重钢和轻钢。如大跨度的展览中心、体育馆、高层钢结构，虽然这些建筑跨度大、含量量大，但是展览中心、体育馆主要是空间结构，高层建筑为框架剪力墙，与重钢结构、轻钢结构有明显区别，所以对于非工业类建筑最好是以钢结构类型区分为好。

2 轻钢和重钢在工业建筑结构设计中的应用

2.1 结构形式

钢结构工业厂房更多是采用轻型钢结构构件，如较为常用的高频焊接轻型H钢；维护结构多数是采用轻质压型钢板、夹芯板等。普通厂房涵盖范围更广，并且不仅仅采用轻钢，还包括多层高层钢框架、框支结构等。工业厂房常使用的型钢主要是热轧型钢，维护结构主要是砌体，和混凝土结构组合成钢混结构，如钢混楼面、混凝土包钢柱、底层混凝土结构上架立钢结构等等。屋架是钢结构厂房设计中需要重点考虑的问题，特别是单层钢结构厂房中，屋架设计十分复杂，而多层建筑屋架重要性则有所减少。具体依据可以在《钢结构设计手册》《钢结构设计规范》中了解。而对于工业厂房柱顶位移、柱高度取值要结合《门式刚架结构轻型房屋钢结构技术规程》确定。

2.2 设计分析

如某钢结构工业厂房宽度为30m、总面积为2000m2，设计全部采用钢板焊接成型，划分为四段施工，如果采用轻型H截面构件作为屋面梁，则要分为五个施工段，使用锚栓连接成一个整体。钢板焊接成型板材通常厚度为5cm，板材两侧是薄钢板、中间是泡沫板材，具有良好的隔热隔音特性，并且容易嵌套、运载轻便，在工业厂房中很常见，同时所设计的工业厂房不仅施工便捷，而且美观性好。如清洁车间设计可以选择这种板材。

此外，在该工程厂房设计中，使用了PKPM作为门式钢架厂房建模，采用等截面焊接H型钢作为柱、变截面焊接H型钢为梁。前期所设计的梁结构为两端截面小、中间截面大，所以通过设计软件得出设计参数之后，且没有达到超限标准下，必须要严格控制变截面梁两端面积，两端面积大、中间面积小，使用相同的变截面型钢制作成两端大、中间小型钢时，必须要保证柱结构的稳定性、整体强度。因此，还可以采用两端小、中间大的变截面计算，必要时要更换截面。本工业厂房柱规格为400×300×10×20mm焊接H型钢，梁为800×300×10×18mm焊接H型钢，设计风压为0.8MPa、跨度长为30cm、柱体高5.5m，采用5t轻型吊车、屋面坡度为1：10[3]。该设计方案可以有效提高钢框架设计的安全性、稳定性，也可以降低钢材使用量，降低施工成本。

此外，在设计当中需要先确定屋面梁高度，通常为跨度的10%～15%，大跨度梁由于需要承载较高的重量，所以必须要采用轻钢，降低屋面荷载，在连接处为了保持稳定性采用重钢，可以满足坡垂直荷载与风载要求，合理控制钢材用量，实现轻钢和重钢的灵活搭配。

2.3 节点设计

节点设计也有重钢、轻钢选择，节点主要是用作承载钢结构重量，而轻钢由于厚度较薄，其承载性较低，如果节点承载量过大，可能会造成节点部位变形。因此，对于高负荷的节点部位，建议选择重钢作为节点，起到支撑加固作用；低负荷节点部位可以选择轻钢，也可以选择重钢，以轻钢为主。这样节点设计更加灵活，该设计方案不仅节省钢材，还可以保证工业厂房钢结构稳定性[4]。节点设计当中，先焊接梁下翼，保持翼缘对称焊接。下翼缘焊接完毕后再焊接上翼缘，翼缘厚度超过30mm时，采用上下翼缘轮流焊接。柱耳板焊接时，要对称焊接到板厚1/3处切除耳板，每两层焊接要将接头错开（每层都要错开焊接），并检查层间温度，控制在120℃～150℃之间。

3 结束语

综上所述，重钢是轻钢概念提出之后所衍生的一种钢材种类，也是轻钢区别于“普钢”的一种方法，但二者之间并没有明显差异。如果考虑钢结构厂房稳定性、风载性，就必须要增加一定量的自重，增加钢材使用密度，此时结构用料就是重钢结构，但从整体设计上来看，绝大部分厂房只是局部用重钢结构，整体上依然是轻钢结构，所以说轻钢结构厂房中也会应用重钢，二者多数都是组合应用。