钢结构制造与安装（第2版）-8

第一节轻型钢结构简介一、轻型钢结构的特点目前，我国轻型钢结构发展迅速，与传统的钢筋混凝土结构、普通钢结构相比，轻型钢结构建筑具有如下特点。（１）自重轻。自重轻是轻型钢结构的显著特点。轻型钢建筑主体结构的含钢量通常为２５～８０ｋｇ，彩色压型钢板的重量一般低于１０ｋｇ，轻型钢房屋自重仅为混凝土结构的１／８～１／３，可大大降低基础的造价。（２）工业化程度高。冷弯型钢、压型钢板、连接件的构配件均为自动化、连续化、高精度生产，生产效率高，产品质量好，产品规格系列化、定型化、配套化，便于商品化。（３）现场施工速度快、工期短。构件标准化与装配化程度高，所以现场安装简单快速，一般厂房、仓库签订合同后２～３个月就可以交付使用，因为没有湿作业现场，所以完全不受气候影响。下一页返回第一节轻型钢结构简介（４）综合经济效益优良。轻型钢屋盖结构的用钢量接近在相同条件下钢筋混凝土结构中的钢筋用量，且能节约大量木材、水泥及其他建筑材料，降低总造价。（５）结构抗震性能好，变形能力强。由于主要承重构件为钢结构，其韧性和弹性较大，檩条的抗剪和抗扭作用以及杆、梁间的支撑，大大加强了整体结构的稳定性。（６）有利于环保。轻型钢结构建筑属于环保节能型材料，厂房可以搬迁，材料可以回收。（７）外形美观、现代感强烈。外形设计和色彩选择自由度大，尤其是墙面彩钢板，具有轻质高效、色彩艳丽、造型美观的特点，不但可做墙体，还能起到装饰墙面的作用。（８）有利于住宅建筑材料的改革和换代。与耗材多、不利于节能和环保的砖混凝土结构相比，轻型钢结构具有安全可靠、美观适用、节能环保等优点，有利于发展经济建设，满足市场需求。上一页下一页返回第一节轻型钢结构简介二、轻型钢结构的发展与应用（一）轻型钢结构的发展１．低层轻型钢建筑方面低层轻型钢建筑，指两层以下（含两层）的轻型钢房屋建筑，主要采用实腹式或格构式门式平面刚架结构体系。目前，国内轻型钢结构低层建筑主要有工业厂房、机库、候车室、码头建筑、超市、农贸市场、饮食娱乐用房、体育设施以及各种临时性建筑。近年来随着压型钢板、冷弯薄壁型钢、Ｈ型钢的大批量生产，轻型门式刚架体系得到了较为广泛的推广。轻型钢结构应用的发展推动了该种体系在我国的设计、成形一体化进程。上一页下一页返回第一节轻型钢结构简介为了适应轻型门式刚架结构体系迅速兴起的市场需求，我国工程建设标准化协会发布了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（ＣＥＣＳ１０２—２００２）及其２０１２年版，该规程为我国轻型门式刚架结构体系的设计、生产、施工提供了依据。目前，低层轻型钢建筑仍存在一些问题有待进一步解决：没有实现真正意义上的一体化流程，施工工期与国外相比仍显得较长；许多施工过程中的工艺方法有待进一步研究，现场拼接的优越性没有充分发挥；采用平面分析方法进行设计，较少考虑整体结构的空间作用；结构设计偏于保守，没有充分发挥材料的承载能力，所涉及结构的整体用钢量偏高。上一页下一页返回第一节轻型钢结构简介２．多层轻钢建筑方面多层轻钢建筑是另一种很有发展前途的建筑形式，一般可定义为：１０层以下的住宅；总高度小于２４ｍ的公共建筑；２０ｍ以下、楼面荷载小于８ｋＮ／ｍ２的工业厂房。这类建筑多采用三维框架结构体系，亦可采用平面刚架结构体系。国内多层轻钢建筑主要有住宅、多层工业厂房、学校、医院、办公、娱乐等公共建筑，超市、零售、百货等商业建筑，旧建筑加层、改扩建等。从国际、国内发展来看，新颖的轻型钢住宅、公寓建筑成为一种商品的趋势日益突现出来。随着中国加入ＷＴＯ组织，技术全球化、顾客全球化是大势所趋，目前各种先进的钢结构体系已打入我国建筑市场，开发轻型钢结构体系住宅、公寓有助于拓展国际、国内建筑市场。轻型钢结构体系住宅由于自身的优势，必将有良好的发展前景。上一页下一页返回第一节轻型钢结构简介（二）轻型钢结构的应用轻型钢结构的应用范围不仅局限于小跨度的房屋，而是逐渐扩展，已经可以取代部分普通钢结构。轻型屋面的应用和屋面荷载的大幅度降低，使钢屋盖结构的截面尺寸和重量比按传统混凝土重屋面设计的屋盖大幅度降低，不仅可以节约钢材用量，加快建设速度，同时还具有较强的抗震能力，能提高整个房屋的综合抗震性能。轻型钢结构通常采用的形式及应用范围见表８-１。上一页返回第二节轻型钢结构设计一、轻型钢结构的设计原则（一）轻型钢结构设计目标轻型钢结构设计的目的是要使设计的结构能够满足各种预定功能要求１．安全性安全性是指结构应能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载及引起结构外加变形或约束变形的其他作用（如支座沉陷、温度变化），在偶然事件（如地震）发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定，不致倒塌。２．适用性适用性是指结构在正常使用荷载作用下应具有良好的工作性能，满足预定的使用要求，如不产生影响正常使用的过大变形等。下一页返回第二节轻型钢结构设计３．耐久性耐久性是指结构在正常维护下，应随时间的变化仍能满足预定功能要求，如不发生严重锈蚀而影响结构的使用寿命等。（二）轻型钢结构设计方法根据现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（ＧＢ５００１８—２００２），轻型钢结构采用以概率论为基础的一次二阶矩极限状态设计法。该方法用分项系数的表达式进行计算。结构可靠度用可靠指标进行度量，结构可靠指标在分项系数中考虑，并不在计算式中出现。上一页下一页返回第二节轻型钢结构设计（三）极限状态轻型钢结构的承重结构按照承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。１．承载能力极限状态（１）整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡。（２）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏，或因过度的塑性变形而不适于继续承载。（３）结构转变为机动体系。（４）结构或构件丧失稳定性，如压杆屈曲等。上一页下一页返回第二节轻型钢结构设计２．正常使用极限状态（１）影响正常使用或外观的变形。（２）影响正常使用的振动。（３）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括裂缝）。（４）影响正常使用的其他特定状态。二、轻型钢结构的设计要求（一）对屋面荷载的要求１．结构上的荷载（１）永久荷载，包括屋面、屋架和天窗架等结构重量，以及作用于屋架节点上的设备、管道自重等。（２）可变荷载，包括屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载、起重机荷载等。上一页下一页返回第二节轻型钢结构设计（３）偶然荷载，指地震作用和其他意外事故产生的荷载。２．屋面均布活荷载（１）不上人屋面。当采用压型钢板等轻型屋面时，中国工程建设标准化协会标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（ＣＥＣＳ１０２—２００２）（２０１２年版）中取屋面均布活荷载标准值为０．３ｋＮ／ｍ２。（２）上人屋面。按使用要求确定，但不得小于１．５ｋＮ／ｍ２。３．施工或检修荷载设计屋面板和檩条时应考虑施工或检修集中荷载，其标准值按中国工程建设标准化协会标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（ＣＥＣＳ１０２—２００２）（２０１２年版）取１．０ｋＮ。当施工荷载有可能超过上述荷载时，应按实际情况取用。上一页下一页返回第二节轻型钢结构设计４．雪荷载、积灰荷载、风荷载按现行国家规范《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００９—２０１２）的规定采用。设计屋面板和檩条时，应考虑在屋面天沟、阴角、天窗挡风板内以及高低跨相接处的荷载增大系数。５．起重机荷载按《建筑结构荷载规范》（ＧＢ５０００９—２０１２）的规定计算，作用于屋架的悬挂起重机（包括电动葫芦）的竖向荷载应乘以动力系数１．１，其水平荷载由相应的支撑系统承受，屋架计算时不予考虑。（二）对钢材性能的要求轻型钢结构选用钢材有一定的限制，对钢材性能的要求见表８-２。上一页下一页返回第二节轻型钢结构设计三、轻型钢结构的变形和构造要求１．轻型钢结构的变形要求为了不影响结构或构件的观感和正常使用，设计时应对结构或构件的变形（挠度或侧移）规定相应的限值。当有实践经验或有特殊要求时，可在不影响观感和正常使用的条件下对表８-３和表８-４进行适当的调整。为改善外观和使用条件，可根据实际需要将横向构件预先起拱，规范规定一般取恒荷载标准值加１／２活荷载标准值所产生的挠度值。当仅为改善外观条件时，构件挠度取为在恒荷载和活荷载标准值作用下的挠度计算值减去起拱度，一般可取犾／５００。２．轻型钢结构的构造要求轻型钢结构的构造要求详见表８-５。上一页返回第三节轻型钢结构的制作、安装及防护一、轻型钢结构的制作（一）轻型钢结构制作特点轻型钢结构制作的特点是条件优、标准严、精度好、效率高。轻钢结构一般在工厂制作。因为工厂具有较为恒定的工作环境，有刚度大、平整度高的钢平台，精度较高的工装夹具及高效能的设备，施工条件比现场优越，易于保证质量，提高效率。轻型钢结构加工可实现机械化、自动化，因而劳动生产率大大提高。因为钢结构在工厂加工基本不占施工现场的时间和空间，所以采用钢结构可大大缩短工期，提高施工效率。（二）轻型钢结构制作流程轻型钢结构制作流程如图８-１所示。下一页返回第三节轻型钢结构的制作、安装及防护（三）钢材的备料、矫正和放样１．备料当备料规格不能完全满足轻型钢设计要求时，可选用代用钢材，选用代用钢材应符合下列要求。（１）代用钢材的化学成分和机械性能应与原设计的一致。（２）采用代用钢材时，应详细复核构件的强度、稳定性和刚度，注意因材料代用可能产生的偏心影响；同时，还应在可能范围内做到经济合理。（３）对于因钢材代用而引起构件间连接尺寸和施工图等的变动，均应予以修改。上一页下一页返回第三节轻型钢结构的制作、安装及防护２．矫正钢材从轧钢厂运到金属结构制造厂的过程中，常因长途运输、装卸等而产生较大的变形，给加工造成困难，影响制造的精度，因此加工前必须进行矫正，使之平直。（１）使用钢板矫正辊床，如图８-２所示。（２）使用水平直弯机，如图８-３所示。３．放样构件的放样工作是按施工图上的图形和尺寸绘出１∶１的大样，并制作样板和样杆，以作为下料、弯制、刨铣和制孔等加工的依据。（四）构件制作构件的制作主要包括切割、制孔和连接三种方法，见表８-６。上一页下一页返回第三节轻型钢结构的制作、安装及防护二、轻型钢结构的安装轻型钢结构由于构件轻，安装十分方便，安装速度比其他结构快得多，且只要求有简易的起重设备。轻型钢结构安装前，应对构件的制作质量进行检查，构件的变形和缺陷超出容许偏差时，应进行矫正、修理。构件的安装应符合下列要求（１）宜采取综合安装方法，对容易变形的构件应作强度和稳定性计算，必要时应采取加固措施，以确保施工时结构的安全。（２）刚架安装宜先立柱，然后将在地面组装好的斜梁吊起就位，并与柱连接。（３）结构吊装时，应采取适当措施，防止产生过大的弯扭变形，同时应将绳扣与构件的接触部位加垫块垫好，以防损伤构件。（４）构件悬吊应选择好吊点。构件的捆绑和悬吊部位，应采取防止构件局部变形和损坏的措施。上一页下一页返回第三节轻型钢结构的制作、安装及防护（５）当山墙墙架宽度较小时，可先在地面装好，再进行整体起吊安装。（６）结构吊装就位后，应及时系牢支撑及其他连系构件，以保证结构的稳定性，且各种支撑的拧紧程度以不将构件拉弯为原则。（７）所有上部结构的吊装，必须在下部结构就位、校正并系牢支撑构件以后再进行。（８）不得利用已安装就位的构件起吊其他重物；不得在主要受力部位焊接其他物件。（９）刚架在施工中以及人员离开现场的夜间，均应采用支撑和缆绳充分固定。（１０）根据工地安装机械的起重能力，在地面上组装成较大的安装单元，以减少高空作业的工作量。上一页下一页返回第三节轻型钢结构的制作、安装及防护三、轻型钢结构的防护轻型钢结构的防护包括防腐蚀和防火。轻型钢结构的钢材自重小、强度高，但因为壁薄杆细，发生火灾时很容易使钢结构失去承载能力；另外，锈蚀也会大大降低钢结构的承载能力，缩短使用年限。（一）轻型钢结构的防腐蚀轻型钢结构构件的腐蚀主要是由于钢材表面未加保护或保护不当，而受周围环境中氧、氯和硫化物等侵蚀作用所引起的。１．长效防腐蚀方法（１）热浸锌。热浸锌是将除锈后的钢构件浸入６００℃高温熔化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，锌层厚度对５ｍｍ以下薄板不得小于６５μｍ，对厚板不得小于８６μｍ，才能达到防腐蚀的目的。这种方法的优点是耐久性强，生产工业化程度高，质量稳定，因而被大量用于受大气腐蚀较严重且不易维修的室外钢结构中。上一页下一页返回第三节轻型钢结构的制作、安装及防护（２）热喷铝（锌）复合涂层。它是一种与热浸锌防腐蚀效果相当的长效防腐蚀方法。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强且不会产生热变形。与热浸锌相比，这种方法的工业化程度较低，喷砂喷铝（锌）的劳动强度大，质量的优劣受操作者影响很大。２．涂层法（１）适用范围。１）涂层法的防腐蚀性一般不如长效防腐蚀方法，所以用于室内钢结构或相对易于维护的室外钢结构较多。２）涂层的选择要考虑周围的环境。不同的涂层对不同的腐蚀条件有不同的耐受性。涂层一般有底漆（层）和面漆（层）之分。底漆含粉料多，基料少，成膜粗糙，与钢材的黏附力强，与面漆结合性好。面漆则基料多，成膜有光泽，能保护底漆不受大气腐蚀，并能抗风化。上一页下一页返回第三节轻型钢结构的制作、安装及防护（２）工艺要求。１）涂层法施工的第一步是除锈，一般多用喷砂喷丸除锈，露出金属的光泽，除去所有的锈迹和油污。现场施工的涂层可用手工除锈。２）涂层一般做４或５遍。干漆膜总厚度：室外工程为１５０μｍ，室内工程为１２５μｍ，允许偏差为２５μｍ。在海边或海上，或是在有强烈腐蚀性的大气中，干漆膜总厚度可加厚为２００～２２０μｍ。３）涂层的施工要有适当的温度（５℃～３８℃之间）和湿度（相对湿度不大于８５％）。涂层的施工环境粉尘要少，构件表面不能有结露，涂装后４ｈ之内不得淋雨。上一页下一页返回第三节轻型钢结构的制作、安装及防护（二）轻型钢结构的防火钢材是一种不会燃烧的建筑材料，但是它的力学性能会受到温度影响而发生变化。钢结构通常在４５０℃～６５０℃时失去承载能力，产生很大的变形，导致钢柱、钢梁弯曲，不能继续使用。受高温作用的钢结构，应根据不同情况采取防护措施。（１）当受到炽热熔化金属作用时，应采用耐火砖或其他耐火材料做成隔热层加以保护。（２）当长期受辐射热达１５０℃以上或在短时期内可能受到火焰作用时，应采取如下防火措施。１）采用外包层防火。①可以在钢结构上现浇成形，也可采用喷涂法（喷射工艺）。上一页下一页返回第三节轻型钢结构的制作、安装及防护②现浇的实体混凝土外包层通常可用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝并保证外壳的强度，也可以在施工现场将钢结构表面涂抹砂浆以形