轻型钢结构设计轻量化的主要途径.doc

轻型钢结构设计轻量化的主要途径20世纪80年代末以来，国外轻钢结构建筑逐步进入国内建筑市场。由于适应面广，用钢量小，构件工厂化生产，工地拼装简便迅速，施工周期短，因而在国内建筑市场中的应用越来越广泛。特别是门式刚架，造型简洁美观，在各类民用与工业建筑中适应性较强，跨度可小可大，单跨多跨可自由组合。多跨者可覆盖大面积的厂房、仓库和各类公共建筑，故其应用更为广泛。目前绝大多数轻钢结构建筑均为国外钢结构厂商设计并制造，国内因无专门的轻型钢结构设计规范，而使设计难以进行。这不但将广阔的市场拱手让给国外厂商，而且由于国外厂商对我国国情的了解程度不一，工程中也存在不少问题。基于这种状况，目前我国正在着手制定有关轻型钢结构设计规范。刚颁布的有：北京的门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：98），上海的轻型钢结构设计规程（DBJ086897）。正在报批的还有中国工程建筑标准化协会的轻型房屋钢结构设计规程。轻型钢结构设计轻量化的主要途径轻型钢结构最突出的优点之一是用钢量小。统计各类结构形式及跨度，其用钢量一般在2040kgm2不等，比普通钢结构的用钢量大为减少。1减轻荷载和使用高强钢材轻型钢结构建筑特别是门式刚架，大都采用防水、围护、装饰一体化的轻质多功能新型屋面、墙体材料彩涂压型钢板（平均重量约01kNm2）；新型轻质保温材料超细玻璃纤维棉毡（每平方米重量几可忽略）；轻巧的通风屋脊、排气扇、采光板等。所有这些材料、装置均形成一整套的系列化、标准化配套产品，使用方便灵活，最重要的是重力荷载大为减轻。另外，承重构件普遍采用高强钢材，以减小构件截面、减轻结构自重。目前国内大都采用低合金高强度结构钢，如Q345钢。国外厂商也有采用抗拉强度标准值为365MPa的结构钢。2选择合理的截面形式和连续支承构件由材料力学可知，截面材料越是远离截面形心，其截面惯性矩越大，因而构件的抗弯刚度和结构的抗侧刚度也越大。轻型钢结构建筑由于重力荷载较小，故强度不是主要矛盾，关键在于提高构件的整体稳定性及结构的刚度。因而承重构件大都采用薄壁宽肢的C形、Z形和工形截面。板材则均压成各种波形。当荷载一定时，连续支承构件较简支构件的截面要小，故在轻型门式刚架中，非框架构件的檩条和墙梁等均采用连续支承方式。3合理的柱网布置在门式刚架中，主刚架和檩条的用钢量占了很大的比重。在相同荷载条件下，柱网布置不同，对主刚架的檩条的用钢量影响很大。主刚架的用钢量随檩条跨度的增大而减小，而檩条的用钢量则随檩条跨度的增大而增大。因而檩条有一个经济用钢量跨度，根据荷载不同，其范围在7583m之间。此时檩条一般可采用冷弯薄壁C形或Z形构件。另外，主刚架的用钢量还随檐口高度和中柱间距而变化。当檐口高度在4575m时，其经济用钢量的中柱间距为2430m。4塑性设计弹性设计时，在强度计算方面，是控制最大内力截面上的最大应力值不超过材料的设计强度值。截面的塑性抵抗矩大于弹性抵抗矩，而钢材恰恰是塑性性能较好的材料。轻型钢结构建筑大都采用框架结构，这是超静定结构，因而可以充分利用钢材的塑性性能，使结构出现若干个塑性铰直至形成机构，作为承载能力的极限状态，从而可以充分挖掘材料潜力，比弹性设计减小截面尺寸。但是，要注意塑性设计不适用于直接承受动力荷载的结构。另外，在塑性充分发展前，板件不能发生局部失稳，构件不能发生整体失稳。因而板件的宽厚比限值与构件的长细比限值比弹性设计时要严。5工形截面腹板屈曲后强度利用轻型钢结构的梁柱截面一般均为工形截面，从强度方面考虑，腹板宜高而薄一些，这样抗弯刚度较大。但如把腹板不适当地加高减薄，则在压应力和剪应力作用下，腹板有可能偏离其正常位置而在侧向形成波形屈曲，这就是腹板的局部失稳。在传统的钢结构设计中，构件腹板的局部稳定以高厚比（h0tw）限值来保证，其值由腹板的屈曲应力等于其临界应力得到，也即不允许腹板失稳。但腹板局部失稳后，并不意味着丧失承载力，它还具有相当可观的屈曲后强度，构件仍可承担更大的荷载。轻钢设计规程允许考虑腹板的屈曲后强度，大大提高了腹板的高厚比限值。其值柱为250235fy，梁为300235fy。这就保证了薄壁宽肢工形构件的采用，在截面面积减小的条件下，使截面的抗弯刚度不致降低。考虑构件腹板屈曲后强度时，应验算腹板局部屈曲后构件的承载力。对于受弯构件和压弯构件，验算时应按腹板的有效宽度计算截面特性。但是，按塑性设计时，不得利用屈曲后强度。6采用楔形构件和变截面构件框架梁的内力以弯矩为主，柱虽是压弯构件，也是弯矩的效应大于压力。假如变化构件截面使之适应弯矩图形，即构件按接近满应力设计截面，显然可以大大节省钢材。轻型钢结构房屋特别是门式刚架在设计中正是按这一方法，采用楔形构件和变截面构件，包括变翼缘宽度、厚度，变腹板厚度。图1a是一种常用的单跨门式刚架在竖向荷载下的弯矩图，图1b是该刚架的立面图。刚架柱为单楔形构件，刚架梁为对称双楔形构件。设计时，在给定荷载下使梁柱截面和屋脊截面同时达到承载极限。为了更好地符合弯矩图形，在采用楔形构件同时，还可以变化翼缘厚度和腹板厚度，则省钢效果更为明显。但应注意，塑性设计和满应力法设计两种手段不能同时并用。这是因为满应力法设计时，框架有几个截面同时或接近同时出现屈服并达到承载极限，不存在第一个塑性铰出现后的应力重分布阶段。7多跨框架的中柱设计成摇摆柱按常规设计，单层多跨框架结构中每根柱子都和横梁刚接，所有柱子都参与抵抗水平力，都是压弯构件，计算长度系数按有侧移框架柱确定，常在2与3之间。在轻型门式刚架的设计中，常把中间柱设计为上下节点均为铰接的形式，称为摇摆柱。此时中柱只对横梁起中间支座作用，不承担弯矩，为轴心受压柱，计算长度系数可减为1，因而截面减小较多。同时，柱和横梁的连接构造由于铰接而较刚接大为简化，也节省不少钢材。由于摇摆柱不承载水平荷载，不参与抵抗侧移，故这一任务完全由边柱承担，这样边柱的截面势必有所增加。但在檐口高度不很大的情况下，边柱的长细比不会很大，截面的增大也就不会太多，框架总的用钢量仍会有所下降。8结构系统的相互约束作用按传统的结构设计构想，屋面板或墙板将荷载传递给檩条或墙梁；檩条或墙梁将荷载传递给框架构件。这里檩条或墙梁只是屋面板或墙板的支点；框架构件只是檩条或墙梁的支点。但是，在轻型门式刚架的设计构想中，除了考虑从板到框架的重力荷载传递作用外，还考虑了屋面板或墙板作为檩条或墙梁的平面外支撑；而檩条和墙梁则通过自身和隅撑成为框架梁柱两个翼缘的平面外支撑。前已述及，轻型钢结构大都采用薄壁宽肢构件，这类构件的平面外稳定性及扭转刚度均较差。为保证构件的平面外稳定及不致扭转失稳，构件的平面外支撑不容忽视。而在轻型门式刚架的设计构想中，这种承重构件间的双向约束作用，使得结构构件间既相互关联，又相互支持，一个构件发挥多种用途，省却了构件不少平面外支撑构件，因而节省不少钢材。结构系统的相互约束作用就是轻型门式刚架的结构整体性构想。9板材的蒙皮效应在生活实践中，有这样的经验：用四根木条钉成一个矩形框架，在其一组对角上施加一对方向相反的力，可以观测到框架在其平面内的明显变形。但是在框架上钉上一块夹板之类的薄板后，我们发现框架在其平面内形成一片刚度很大的盘体，在上述力的作用下，其变形微乎其微。这就是蒙皮效应。在轻型钢结构单层房屋中，屋面和墙面采用压型钢板，并通过可靠的连接件固定在结构的横向框架和纵向联接构件上时，可以将其作为应力蒙皮对待，并按有关规定，在结构分析中考虑其平面内的强度和刚度。考虑应力蒙皮作用时，中间框架的柱顶水平荷载可通过蒙皮传至山墙构架。后者常做成带支撑构架，并由于墙面蒙皮效应而具有强劲的刚度。中间框架只承担很小一部分水平荷载，其引起的弯矩也就很小，且稳定性能接近于无侧移框架，因此可省不少钢材。影响蒙皮效应的因素很多。主要有结构布置、剖面形式、板材类型、板材开孔率、纵向联系构件（檩条和墙梁）类型、连接材料和构造、边缘纵向构件（檐口檩条）的刚度等。其中最主要的是板和板接缝处的连接，板和檩条、墙梁的连接。由于具体工程情况各异，因而要定量地计算出蒙皮的强度和刚度比较困难。因此，规程规定，对任意一种实际应用的蒙皮形式，或无法经过大量试验证明为确实可靠的数值计算方法时，必须通过试验方法确定该形式应力蒙皮的强度和刚度。规程（DBJ086897）附录D还规定了应力蒙皮强度和刚度的整体试验方法。鉴于试验费时费工，目前国内设计尚未普遍采用蒙皮效应的设计方法。结语除了上述轻钢结构设计轻量化的几个主要途径外，还有其他一些措施。如无吊车房屋支撑系统采用张紧的圆钢；梁