現代輕鋼結構建築及其在我國的應用
2017-03-13 13:55:45
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另外，輕鋼結構還可取代磚石或木結構，可回收，符合環保和可持續發展原則。但是作為一種科技含量高、技術新的應用，對設計和施工人員素質要求高，需要進行專門培訓。加工和制作需建立專業生産線，先期投人大，結構的防腐、防火問題也需要專門處理。
國内常用的輕鋼結構承重體系包括：焊接門式鋼架結構體系、冷彎薄壁型鋼結構體系、多層框架結構體系、薄壁折皺拱殼屋面體系。對于無吊車的工業和民用建築，輕型鋼結構的鋼材用量一般為20~50kg/m2，主要取決于結構形式、跨度、柱距和活荷載的大小。
預制裝配式輕鋼房屋建築體系誕生于本世紀初，主要用于車庫，采用鋼波紋闆屋面和牆面，20年代出現了定型化生産的廠房。二戰期間輕鋼房屋建築迅速發展，多用于快速建設戰地飛機庫，戰後重建對工業廠房的大量需求，進一步刺激了輕鋼房屋的發展。40年代出現門式剛架結構，60年代開始大量應用彩色壓型闆，Z型檩條、保溫牆闆和屋面闆。目前輕鋼結構已成為發達國家的主要建築結構型式，例如，英國新建的非居住類房屋建築中，90%的單層和60%的多層房屋都采用輕鋼結構。
美國低層非居住類房屋建築也以輕鋼房屋為主，1995年單體面積15000m2以下的單、雙層建築中金屬房屋占65%，新建總面積達3500萬m2，主要用于各類廠房、商業建築、公共建築、農業建築等。美國輕鋼結構體系的主要形式是門式剛架，在分析、設計理論和方法及制造工藝上已經非常完善，并開發了多種專利産品，其專用設計軟件可在短時間内完成設計、繪圖、工程量統計及工程報價，在制造上也實現了高度标準化、工廠化生産。
盡管歐州建築市場衰退，但鋼結構建築工程量卻呈現逐年增加的勢态，年工程量已超過700萬t.我國大面積應用輕型鋼結構從寶鋼工程開始，引進了采用壓型鋼闆圍護結構、以熱軋H型鋼作為主要承重結構的新型工業廠房，80年代冶金建築研究院等單位研究、開發了輕鋼建築成套技術，以及H型鋼、檩條、牆梁、壓型闆、夾芯闆、保溫闆等配套生産線。90年代國外的輕鋼生産廠家将整套的結構體系推向國内市場，國内的輕鋼生産廠家、設計單位也開始大面積推廣應用輕鋼結構。目前我國的鋼産量已達1億t，普通碳素鋼質量可靠，價格平穩，供應充足，鍍鋅及彩色鋼闆性能優良，在輕鋼結構的設計、制作和安裝方面已積累了成功的經驗，各類焊接、冷成型、壓型闆等輕鋼生産線上100條，已經制定了門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程（CECS102：98）和相應的設計手冊26，并開發了部分輕鋼結構設計專業軟件。國内應用最為廣泛的輕鋼結構是門式剛架體系建築和拱型波紋屋面，已建成的北京西郊機庫和大連儲備糧庫單層門式剛架跨度已達72m，蕪湖汽車零件公司的另一号廠房單體覆蓋面積超過7.5萬m2.此外輕鋼住宅已成為輕鋼應用的另一個熱點，國内外都在研究和開發輕鋼住宅體系的成套技術。
輕型鋼結構在國内的應用領域主要有：1、新技術開發區項目，特别是高新技術企業，為樹立企業形象，多采用輕鋼結構；2、倉儲（糧棉庫、車庫、儲備庫），配送轉運中心（工業、商業）；3、各類（小噸位吊車）輕型工業廠房；4、商場、展廳、體育館、候車室、飛機庫、攝影棚等大跨度公共建築；5、多層住宅，多層工業廠房；6、學校、醫院、辦公、娛樂等多層公共建築；7、超市、零售、百貨等商業建築；8、舊建築物改擴建、翻修、加層。
二、輕型鋼結構體系及特點門式鋼架輕型房屋鋼結構體系采用門式剛架為主承重結構，壓型鋼闆圍護結構，分析設計和制作安裝技術成熟，應用廣泛，已有多種定型成套體系。應用範圍包括各類輕型工業廠房，體育場館、娛樂場所、公共建築，倉庫及儲運設施，超市、零售和商業服務等，其合理跨度一般在18~36m之間。
門式剛架結構型式多樣，可以是單脊、多脊，單跨、多跨、高低跨，或單坡、雙坡、陡坡、緩坡、平坡、曲面屋面，跨内也可設單個或多個搖擺柱。構件多為工形截面，可采用等截面、變截面、加腋、實腹、空腹、格構梁柱構件。典型的結構體系主要由基礎、主剛架、牆梁、檩條、屋面闆、牆面闆、抗風柱、屋面支撐、柱間支撐等組成。
門式剛架結構設計的主要依據為鋼結構設計規範（GB17-88）、冷彎薄壁型鋼結構技術規範（GB17-87）和門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程（CECS102：98）。梁柱構件多采用焊接工形實腹截面，闆厚一般在16mm以下，腹闆高度較大，通過改變腹闆高度實現變截面，可利用腹闆的屈曲後強度，按有效截面特性計算構件的強度和穩定性。梁柱構件形狀簡單，便于采用工廠化加工技術。
門式剛架結構的梁柱節點和斜梁的現場拼接節點常采用篼強度螺栓端闆連接，可以是外伸式或平齊式，考慮到平齊式端闆連接剛度較小，鑒于半剛性連接在我國還沒有合适的計算方法，建議采用外伸式端闆連接，而且應有足夠的端闆厚度（20mm以上），以保證節點的剛度21，22門式剛架可以是剛接或鉸接柱腳，有吊車廠房宜采用剛接柱腳。
檩條或牆梁采用C或Z形冷彎薄壁型鋼鍍鋅檩條或黑檩條，檩（梁）距1.5~2.5m，多采用普通螺栓與主剛架連接，可采用簡支或連續體系，檩條（牆梁）端部可加隅撐，既可提高檩條（牆梁）的承載力，加大檩條（牆梁）的跨度，也可加強橫梁（立柱）的側向穩定性。對風荷載較大地區的開敞（半開敞）式建築，也可加強橫梁（立柱）的側向穩定性。對風荷載較大地區的開敞（半開敞）式建築，應考慮檩條及牆梁的負風壓（反彎曲）工況計算=支撐的布置原則與普鋼廠房（屋架）類似，屋面和柱間支撐常采用圓鋼拉杆，有吊車廠房的下柱支撐應按壓杆設計。牆闆、屋面闆可采用單層或雙層夾心闆，複合或單層闆加保溫層，采用自攻螺栓或扣件連接。
多層房屋鋼結構體系多層輕塑房屋鋼結構體系采用焊接或熱軋H型鋼為主要承重框架結構、壓型鋼闆組合樓蓋、輕質圍護結構和内隔斷，必要時應設置支撐提高側向穩定性。歐美日等國二至八層辦公、公共或居住建築的主要結構形式為輕鋼框架、壓型鋼闆組合樓蓋體系，用鋼量在40~50kg/m2左右，主要采用熱軋或焊接H型鋼梁柱或方、圓管構件M.輕鋼結構框架具有比鋼筋混凝土施工速度快的優越性，而且采用組合樓蓋可保證鋼梁的整體穩定性，提篼梁的剛度和承載力，但施工和安裝技術要求高，支撐可能會對使用有一定影響。
多層輕型房屋鋼結構主要應用于住宅，多層工業廠房，學校'、醫院、辦公、娛樂等公共建築，以及超市、零售、百貨等商業建築，舊建築加層、改擴建等。柱距在6~ 12m之間，典型的多層輕型房屋鋼結構體系由基礎、框架梁柱、牆梁、檩條、屋面闆、牆面闆、屋面支撐、柱間支撐、樓層次梁、壓型鋼闆樓蓋等組成。承重結構按平面框架或空間框架設計，必要時布置柱間支撐保證整體穩定性，減小側向位移，樓層采用主次梁體系，壓型鋼闆組合樓蓋或預制闆加現澆闆疊合樓蓋，不上人屋面可采用檩條和壓型鋼闆，内牆為輕質隔斷，外牆采用壓型鋼闆或其它輕質牆體結構。目前國内的一些多層廠房開始采用上述結構，而多層住宅體系的發展為多層輕型房屋鋼結構應用提供了巨大潛在市場。采用組合梁可實現提篼結構剛度，減小結構尺寸，增加建築使用空間。腹闆開洞梁可為設備管道提供通行空間，但在孔洞周圍要設加勁肋，提高抗剪能力。樓屋蓋次梁采用圓形或六邊形蜂窩梁，在不增加用鋼量的前提下可使梁高增加70%，組合桁架可使跨度進一步加大。
多層輕型房屋鋼結構設計的依據為鋼結構設計規範（GB17-88），中國工程建築标準化協會組織編制的輕型房屋鋼結構設計規程正在報批中，按空間剛架分析設計，無柱間支撐按有側移框架設計，柱截面采用H形或箱形，梁為工形實腹梁，主梁和柱間剛接或鉸接，主次梁間宜鉸接；組合樓蓋可采用壓型鋼闆或預制闆疊合樓蓋。樓層梁宜按組合梁設計，栓釘等抗剪件的數量和大小應按受力要求布置，如不考慮組合作用，可按構造要求由置栓釘等抗剪件。采用蜂窩梁既能提篼截面利用率，也為設備管道提供通過空間，關于蜂窩梁的設計和計算，國内尚無明确規定，但有國内外試驗研究資料可供設計。柱間支撐、牆面支撐和屋面支撐傳遞吊車縱向力及應按抗風、抗震和構造要求設計。新型壓型鋼闆肋組合樓蓋支承在梁的加寬下翼緣（Slimdek），梁肋之間可布置設備管道，梁闆總體結構高度僅300mm，也改善了梁的防火性能，但需要解決梁的抗扭設計問題。
冷彎薄壁型鋼過去多用做屋面、隔斷和圍護結構的單體構件，如檩條、牆梁、山牆架，鋼屋架、桁架等，隻有少量作為結構構件在中、小跨門式剛架（無吊車），單、多層住宅，别墅，貨架等建築中推廣應用。由于冷彎薄壁型鋼結構體系多采用組合樓蓋，輕質圍護和隔斷，現場施工幹作業、全螺栓拼裝，具有安裝簡便，搬運重量輕、僅需小型起重設備等優勢，在低層住宅方面具有很大的發展潛力。香港已建成多棟全部采用高強鍍鋅冷彎薄壁型鋼的四~六層住宅，自重極輕、安裝簡便⑵。英國生産的鍍鋅冷彎薄壁型鋼别墅，完全手工安裝，施工僅需一星期，并在牛津建成的三層住宅示範房中進行了保溫、隔聲、溫濕度、耗能等建築物理性能的長期觀測，以證明它的優越性。冷彎薄壁型鋼住宅建設研究已列入歐洲的重點研究項目，并陸續開發了各類樣品房，目前已進人批量化商業生産階段。
鋼闆或鍍鋅鋼闆經冷壓或冷彎而成，基本形狀為C形、Z形和方（矩）管型，并可形成各種折皺和卷邊、拼成I形或T形提高截面剛度和承載力。框（剛）架梁和柱可采用雙C或四C槽鋼組成I、T形截面。承重結構為平面框架，布置柱間支撐保證整體穩定性，樓層采用主次梁體系，組合樓蓋。不上人屋面采用檩條和壓型鋼闆，内牆為輕質隔斷，外牆采用輕質保溫闆。
冷彎薄壁型鋼結構的設計依據為冷彎薄壁型鋼結構技術規範（GB18-87），按平面或空間框架結構分析，門式剛架多采用鉸接柱腳，框架梁柱連接多為鉸接或半剛接，次梁多為C型或Z型鋼。
冷彎薄壁型鋼在輕鋼住宅建築中應用在國内外發展很快，主要采用鍍鋅C型鋼，并進行了各種荷載條件下的結構試驗，通過建造樣品房，對樓（屋）蓋和牆闆的振動與隔聲、保溫與結露等建築物理性能進行了綜合測試。
薄壁鋼闆拱殼屋面結構體系大跨度金屬折皺拱形屋面是90年代初從美國引進的一種新型建築結構形式，是一種采用彩色鋼闆現場滾壓成型的屋面結構體系，具有無梁、無柱、無鉚釘螺栓，施工速度快，用鋼量省，集承重與圍護結構于一體的優勢，廣泛用于廠房、倉儲、商業、農業和機庫建設，最大跨度可超過40m.在構造處理方面也還存在着彩色壓型鋼闆耐久性、鋼結構防火和節點連接方面的問題。國外在公共建築中大量采用鋼結構，應用外露弧形構件、蜂窩梁和鋼管結構來表現建築藝術，大面積采用保溫型玻璃圍護結構加強建築物的通透性和自然采光率，符合節能和環保原則。
輕型鋼結構由主、次結構，屋面、牆面維護結構等組合而，在建築構造處理、建築配件選用等方面目前大￥由各生産廠家自行處理，其工程質量往往難以保證。建築構造處理問題，不僅牽扯建築使用功能，而且如果處理不當，還會影響建築物的結構安全，曾經發生過柱間支撐設置不當，而導緻結構在台風中倒塌的事故，應盡快組織編制通用的輕型鋼結構标準圖集，以規範輕型鋼結構的構造處理。
在加工、制作和安裝方面，除個别新建生産線外，大多數生産線工藝落後、加工精度低，施工單位良莠不齊，半路出家，缺少必要專用設備和技術培訓，安裝工期和質量都難以保證，工程事故時有發生，也無fe體現輕鋼結構速度快的優勢。歐洲國家已起動鋼結構教育計劃，面向高等教育和職業教育，組織了20多個國家的400多位鋼結構專家進行編著，曆時六載，目前已有40多個國家引進了這套教學資料。
輕鋼結構的設計、制作和安裝是專業性很強的技術工作，對從業人員的教育程度、專業水平和操作技能要求相當高，并非普通工人經過簡單培訓就能勝任，需要經過多年的工程實踐和經驗積累才能勝任。我國的鋼結構施工與驗收規範不僅對制作和安裝工藝及質量控制做出了明确規定，而且嚴格規定了對焊接人員的考核和資格認證的要求。從事輕鋼結構設計、制作和安裝的人員和單位必須具備國家技術監督部門和資質認證機構頒發的資質證明，才能保證工程質量，避免工程事故。
減少輕鋼結構設計、制作和安裝的中間環節是提高工程質量，保證工期的重要措施，國外的輕鋼公司為客戶提供從工程可行性研究到項目後期維修的全方位服務。輕鋼結構工程涉及的部門很多，一個項目的管理效率直接影響着工程的質量和效益。
因此各部門間的信息交流、工藝配合和技術協調是保證項目質量的關鍵，應根據客戶的要求提供輕鋼結構的規劃、設計、制作、安裝和維修實行工程總承包一條龍服務，根據工程的實際情況合理配備人力和設備資源，合理調配資金投人和利益收人，實行項目統一管理，在保證質量和工期的前題下也可為公司帶來最佳的經濟效益。
四、國内輕型鋼結構的研究和發展趨勢我國曾在70年代提倡過門式剛架鋼結構，但受鋼材限制和傳統設計理論約束，并未得到推廣。改革開放以後，深圳上海等地率先引進國外設計和制造的門式剛架輕型鋼結構，發現其十分輕巧，比按我們傳統的做法用鋼量少得多，從而逐漸擯棄了鋼結構貴的觀念。
由于曆史的原因，我國鋼結構大多應用于重型冶金廠房、大跨度橋梁和大跨度公共建築，歸口管理部門也由原冶金工業部負責。随着鋼結構，特别是輕鋼結構在民用建築中的大量應用，作為主管的建設部也意識到必須規範建築鋼結構市場和發展民用建築鋼結構，1996年在中國建築金屬結構協會下設立了建築鋼結構委員會，鼓勵和推動鋼結構的應用，組織制定了輕鋼結構設計規程，2000年又成立了建設部與冶金局的鋼材應用協調組，以指導、協調工程中鋼結構及鋼材的應用。
我國鋼産量超過1億噸，建築鋼材供應充足。國家在政策方面鼓勵建築行業積極采用鋼結構。以促進建築市場的健康發展，緩解鋼材積壓，為冶金工業提供産品市場。在國外建築行業以成為鋼材的主要消耗市場（20%近年來我國糧食和棉花大豐收，急需儲藏空間，興建鋼結構倉庫是一個有效途徑。新建的高新技術生産企業，如現代化食品加工、輕紡、電子産品、制藥和高科技農業項目，對生産工作環境要求高，基本上都傾向于采用輕鋼結構。另外港口和海關倉庫，鐵路沿線的貨運倉庫，也逐步采用了輕型鋼結構。
現在鋼材供應充足，價格較低，輕鋼結構已不再是造價比混凝土貴的結構型式。其用鋼量一般在20~50kg/m2，綜合造價已和混凝土結構持平，且多數情況下還低于傳統的鋼筋混凝土結構，并且有施工快、建築美觀的競争優勢。越來越多的建設單位已開始認識到輕鋼結構的優越性，逐漸成為工業建築首選結構型式，在多層民用建築也已得到了認同。
輕鋼住宅包括承重結構體系、施工和安裝技術研究、新型圍護結構體系研究、承重結構和圍護結構的連接方法和相互作用研究。
輕鋼住宅體系研究的主要問題是合理樓蓋和牆闆體系研究應用。有效的連接方式應能體現于作業、施工速度快的優勢，還要考慮外牆和屋面保溫隔聲，内部裝修的方便與靈活等因素，需要開發新型牆體材料以及篼效、節能環保的新型裝配式樓蓋體系。多層輕型鋼結構住宅建築中，最常用的為混凝土預制闆與現澆樓蓋相結合的組合樓蓋結構體系，由于工業建築一般無需精裝修，外露壓型鋼闆不妨礙使用功能要求，公共建築可以通過吊頂和外包把壓型鋼闆隐藏在内部，但是壓型鋼闆作為住宅建築的牆闆和屋面闆就不是一種合适的選擇。在平面布置上要求提供大開間，便于住戶靈活分割，如何提高整體剛度，在不影響使用的前提下合理布置支撐體系也是需要解決的問題。
此外為推動我國輕鋼住宅體系的發展，發展形成專業化的輕型鋼結構工程大型企業，完善硬件與軟件，建立品牌輕鋼房屋體系，形成商品化和規模化，以占領市場。
輕鋼結構屋面和牆面圍護結構在風力作用下的整體穩定性，已成為人們日漸關注的技術難題。屋面闆和檩條、牆闆和牆梁相互作用分析，以及構件整體穩定性分析的實用設計方法、節點半剛性的理論與試驗研究，也是需要進一步關注的課題。
多層建築采用何種結構體系以保證結構整體剛度和抗震性能，如何考慮空間整體作用，也是尚未完全解決的難題。
随着輕鋼結構應用的日益廣泛，計算機輔助設計技術發揮了越來越重的作用，國内許多單位和設計部門都開發了專用和通用的鋼結構設計軟件。這些軟件具有三維建模、結構靜動力分析、非線性穩定分析、構件的優化設計、典型節點構造等功能，有些還可自動生成結構平立面圖和構件施工圖、零件大樣和材料表等。國外的軟件公司也看好中國工程設計的潛在市場，大舉推銷各種漢化版的分析和設計軟件，各種軟件都配有型鋼截面庫、節點構造庫，能與AutoCad自動連接對施工圖進行修改。
目前的發展趨勢是使軟件的适用性更強、應用範圍更廣，以便分析設計出更複雜的結構型式。焊接和熱軋鋼結構、冷彎薄壁鋼結構、組合結構的混合應用對設計軟件提出了更高的要求。現代化鋼結構制作加工廠開始采用計算機輔助集成制造技術，新的設計軟件應實現設計和制作一體化，軟件開發應從建築結構設計領域擴展到工程的制作安裝，開發人員不僅要熟悉鋼結構的設計方法，也要精通制作安裝的操作和運行，開發高效控制加工過程的軟件。
五、結束語輕型鋼結構在我國已進入了快速發展時期，已在工業建築中得到了廣泛的應用，輕鋼住宅已成為輕型鋼結構應用的新領域和增長點，但與國外的發展水平相比，無論是在建築、結構設計，還是在制作安裝技術方面，我們都有很大差距，需要對結構設計理論和設計方法進行深人研究，需要對從業人員進行技術培訓，需要開發新型圍護結構和承重結構體系，使輕型鋼結構真正成為綜合經濟效益高、具有競争優勢的結構體系。
（轉自：中國鋼結構網)
