輕鋼結(jié)構(gòu)特點以及發(fā)展趨勢

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一、 引言 
    自進入20世紀90年代以來，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展十分迅速，特別是一些代表城市標志性高層建筑的建成，為鋼結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展揭開了新的一頁。如世界第三高的上海88層、高420m的金茂大廈業(yè)已竣工，現(xiàn)已投入運營。據(jù)稱世界第一高度的上海浦東環(huán)球金融中心，95層高460m，建筑面積為31萬m2，現(xiàn)正在加緊建設(shè)中。由外商投資的大連總統(tǒng)大廈，正在加緊籌建之中，共95層，據(jù)稱建成后其高度將名列世界前茅。 
    輕鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展則更是如火如荼，特別在工業(yè)廠房的建設(shè)中則更為迅猛。從鋼結(jié)構(gòu)制造加施工企業(yè)數(shù)量的大幅增長就可窺見一斑，如上海市的鋼結(jié)構(gòu)制造和施工單位已由原來的幾十家一下子發(fā)展到現(xiàn)在的400多家，單上海的寶鋼地區(qū)就有近百家的鋼結(jié)構(gòu)制造廠。大好形勢下，如何因勢利導，抓好設(shè)計和施工質(zhì)量，這是當前一個十分迫切的問題。本文擬就輕鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點、材料選擇和設(shè)計中的注意點、塑性設(shè)計及腹板屈曲后強度的利用和蒙皮效應(yīng)等作一概略介紹，利于讀者對輕鋼結(jié)構(gòu)有一個比較全面的了解。  
    二、 輕鋼結(jié)問及其適用范圍 
    所謂輕鋼結(jié)構(gòu)通常是指由下列鋼材所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)：①冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)；②熱軋輕型鋼結(jié)構(gòu)；③焊接或高頻焊接輕型鋼結(jié)構(gòu)；④輕型鋼管結(jié)構(gòu)；⑤板壁較薄的焊接組合梁及焊接組合柱而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。 
    1、適用范圍 
    根據(jù)我國目前情況來看，這種結(jié)構(gòu)由于其用度廣、優(yōu)勢明顯，已大量應(yīng)用于單層工業(yè)廠房、多層工業(yè)廠房、辦公樓以及高層建筑中的非承重構(gòu)件等。對單層工業(yè)廠房而言，通常以H型鋼，采用焊接連接作為梁柱，以C形或Z形輕鋼板作檁條，屋蓋系統(tǒng)或樓面系統(tǒng)用壓型彩色鋼板作面層，上面可澆混凝土，壓型鋼板既可作為鋼筋，必要時也可以再配鋼筋。墻面圍護也可采用單層或夾層壓型鋼板，夾層板內(nèi)部可充填各種保溫層。 
    2、主要優(yōu)點 
    ⑴施工周期短：輕鋼結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是所有構(gòu)件均可以由工廠制作現(xiàn)場拼接安裝，對一般規(guī)模較小的工業(yè)廠房僅需45d至2個月，而若采用鋼筋混凝土建筑則要8～12個月左右。
    ⑵綜合經(jīng)濟效益好：由于施工周期短，可以提前投入使用，提前獲取投資效益；更由于采用色彩鮮艷的彩色壓型鋼板，美觀華麗，改善了周邊環(huán)境的動態(tài)感；因為建筑物本身的自重輕，一般情況下不需要做樁基，可以節(jié)省投資；由于采用了聚苯已烯泡沫夾心板或單板加保溫棉等措施后，使保溫、隔熱和隔章等效果良好。彩色鋼板是以鍍鋅為基板又用硅酮作為表面，經(jīng)兩除兩烘加工而成，耐久性也較好，根據(jù)目前我國的市場價格，輕鋼結(jié)構(gòu)的造價已經(jīng)低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，當廠房的跨度越大時，其優(yōu)勢更為明顯，這也是它賴以競爭的一大優(yōu)勢。 
    ⑶抗震性能好：由于鋼結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)、自重輕，因而能有效地降低地震響應(yīng)及災(zāi)害影響程度，極有利于抗震。我國是一個多地震區(qū)國家，在地震區(qū)建筑中應(yīng)多多推廣應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，必可大大減少地震災(zāi)害和人員傷亡。唐山地震的慘痛教訓應(yīng)予記起。目前，天津市已正式啟動輕鋼結(jié)構(gòu)住宅。 
    ⑷宜于拆卸搬遷：一旦業(yè)主對所造廠址不滿意或外界環(huán)境發(fā)生意想不到的變化，則整個建筑可在很短時間內(nèi)拆遷，損失極小，而所有這些是鋼筋混凝土建筑所無法具備的。 
    正是由于輕鋼結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點，而且隨著近年來防火、防腐新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，已較好地解決了輕鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕性差的缺點，使得它在工業(yè)廠房以及民用設(shè)施中獲得了廣泛的應(yīng)用。 
    三、 材料選擇和設(shè)計中的注意事項 
    輕鋼結(jié)構(gòu)作為普通鋼結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu)，其基本計算理論和后者基本相同。詳細情況可參見上海市標準DBJ08-68-97《輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》和中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準CECS102：98《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，這里僅著重強調(diào)幾點： 
    ⑴在用材上應(yīng)優(yōu)先采用“H”形鋼，它受力合理，拼接方便，加工容易。對于承重結(jié)構(gòu)宜用Q235鋼和低合金鋼中的16Mn、15MnV或15MnV鋼，但需注意Q235-A鋼的含碳量不作為交貨條件，可焊性無保證，故不宜采用作焊接結(jié)構(gòu)。對于板厚大于25mm的梁翼緣與柱，現(xiàn)場焊接的梁柱節(jié)點不宜用Q235-B.F，應(yīng)盡量選用Q235-B或Q235-B.b，對于特別重要結(jié)構(gòu)宜選用Q235-C或Q235-D。 
    ⑵對厚度為17～40mm的Q235鋼的設(shè)計指標比現(xiàn)行GBJ17-88《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定值提高5Mpa（上海標準），焊縫強度也作了相應(yīng)調(diào)整。 
    ⑶考慮了技術(shù)進步因素，將主要受力構(gòu)件的壁厚調(diào)小了，即在現(xiàn)行GBJ18-97《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中的主要受力構(gòu)件的壁厚不小于2mm調(diào)整為不小1.5mm，框架梁柱構(gòu)件不小于3mm。 
    ⑷在風荷載作用下，門式剛架的側(cè)移按GBJ18-87《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定為柱頂高度的1/150。但在這2個規(guī)程中均作了細化規(guī)定并作相應(yīng)調(diào)整，但具體數(shù)值不盡相同。設(shè)計者在使用時宜予以注意。 
    ⑸在設(shè)計剛架、屋架和檁條等時，應(yīng)考慮由風吸力作用所引起構(gòu)件內(nèi)力變化的不利影響。此時永久荷載分項系數(shù)取為1.0。這一規(guī)定主要是考慮到當設(shè)計的剛架、屋架、檁條在屋面材料較輕的情況下；若受風吸力作用，構(gòu)件內(nèi)力將會變號，會出現(xiàn)拉桿變?yōu)閴簵U的情況。在內(nèi)力變號時永久荷載起減載作用，叵合肥市將永久荷載分項系數(shù)取為1.2，則會造成結(jié)構(gòu)可靠度的降低，導致不安全因素。 
    四、 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑性設(shè)計及腹板屈曲后強度 
    輕鋼結(jié)構(gòu)允許采用塑性設(shè)計，但僅適用于不直接承受動力荷載的固端梁、連續(xù)梁以及由實腹構(gòu)件組成的單層和2層框架結(jié)構(gòu)。采用塑性設(shè)計的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，應(yīng)采用荷載的設(shè)計值，考慮構(gòu)件截面內(nèi)塑性的發(fā)展及由此引起的內(nèi)力重分布，用考慮P-△效應(yīng)的塑性鉸理論或簡單的塑性鉸理論進行內(nèi)力分析。按塑性設(shè)計時，鋼材和連接的強度設(shè)計值應(yīng)按規(guī)程的有關(guān)條款規(guī)定的數(shù)值乘以折減系數(shù)0.9。塑性設(shè)計截面板件的寬厚比也應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。 
    門式框架上“工”字形截面構(gòu)件的腹板允許考慮屈曲后程度，下面我們試通過單向受壓四邊簡支扳回曲后的中面應(yīng)力分布情況來說明為什么板屈曲后仍能繼續(xù)承載，且承載力還能顯著提高。板屈曲后只要板的四邊保持直線，則載荷邊的壓應(yīng)力分布為非無均勻分布，兩邊應(yīng)力較高，中間應(yīng)力較低；非載荷邊產(chǎn)生垂直于邊線的應(yīng)力，其中部為拉應(yīng)力。由于拉應(yīng)力的作用限制了板屈曲變形的發(fā)展，提高了板的剛度，因而板屈曲后仍能繼續(xù)承載。卡門最先提出了有效寬度的概念，即將板件受壓邊馬鞍形應(yīng)力分布圖用二塊等效的應(yīng)力圖形代替L等效應(yīng)力圖形的應(yīng)力水平為fyc于是有 
    Pu=fybet 
 　Pu=∫σ(x) dx 
    式中：Pu為板的極限承載力；fy為鋼材的屈服強度；be為有效截面寬度；t為板件的厚度。 
    當Pu通過理論分析和實驗確定后，就可用有效寬度來表達受壓板件屈曲后極限強度，并進而采用有效截面來考慮板件局部屈曲的影響。利用板面屈曲后的強度進行結(jié)構(gòu)設(shè)計最早見于飛機結(jié)構(gòu)中，因為飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計是在保證一定可靠度的前提下以減輕結(jié)構(gòu)重量為目標。在普通房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般不允許板件產(chǎn)生局部失穩(wěn)。而冷彎薄壁型鋼，其特點之一就是壁薄，壁厚不大于6mm，以極少的材料加工成為寬展的截面，以提高構(gòu)件的截面剛度和整體穩(wěn)定承載力，為此，不得不突破鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GBJ17-88）中對板件寬厚比限值的規(guī)定，允許板件產(chǎn)生局部失穩(wěn)，進而利用屈曲后強度的提高。 
    輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架是主要的承重結(jié)構(gòu)，一般是采用實腹型 變截面的柱和梁組成。門式剛架的形成可以單坡、雙坡和多坡，多跨建筑的中間柱多采用較接的搖擺柱。門式剛架工字截面鋼構(gòu)件中腹板以受剪為主，抗彎作用不如翼緣有效，增大腹板的高度，可使翼緣抗彎能力發(fā)揮得更為充分。但是，在增大腹板高度的同時，如果厚度增之過大，則腹板耗鋼量太多，也是不經(jīng)濟的。因此，先進的設(shè)計方法是采用高而薄的腹板，而是還有相當可觀的屈曲后強度可以利用。在主要為均布荷載起控制作用的結(jié)構(gòu)中，在允沖擊、疲勞、振動等荷載的條件下，可充分利用結(jié)構(gòu)受力板件的屈曲有效截面來分析壓彎桿件腹板的穩(wěn)定性，從而使其腹極高厚比限值可以大幅度提高。根據(jù)天津大學所作的試驗證明，當荷載超過理論計算的屈曲臨界載限多時腹板才呈現(xiàn)凸曲變形，且凸曲變形都不大，故適當利用屈曲后強度是可行的。
    五、 蒙皮效應(yīng) 
    壓型鋼板因其重量輕、強度高、外形美觀、安裝便捷等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用，國外不僅用手工業(yè)廠房，且很多民用建筑也用它做屋面板和墻板等圍護結(jié)構(gòu)。 
    所謂蒙皮效應(yīng)是指壓型鋼板在其平面內(nèi)的抗剪能力，可稱為受力蒙皮作用。如將壓型鋼板與構(gòu)件進行可靠連接，則此蒙皮效應(yīng)可使圍護結(jié)構(gòu)同時成為結(jié)構(gòu)的重要組成部分，參與整個結(jié)構(gòu)體系工作，為與之相連的受壓、受彎壓構(gòu)件提供連續(xù)側(cè)向支撐，從而提高這種構(gòu)件的剛度及穩(wěn)定承載力。 
    美國的設(shè)計規(guī)范引進了蒙住支撐的設(shè)計方法。我國《冷彎型鋼受力蒙皮結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》尚在編制中。 
    1、蒙皮支撐的軸心受壓構(gòu)件 
    假設(shè)在蒙皮的支撐作用下，構(gòu)件在荷載作用下沒有彎曲變形、沒有截面的扭轉(zhuǎn)而僅有軸向壓縮變形，則我們稱蒙皮可為構(gòu)件提供完全支撐，此情況下的屈服壓力記作Py，則為考察各種因素對蒙皮支撐構(gòu)件性能的影響，對該非線性問題用有限元法，取如下構(gòu)件作分析對象，構(gòu)件外形尺寸為160mm×50mm×20mm×2.75mm的冷彎薄壁卷邊C形槽鋼，材料屈服強度為Py=270Mpa，假定荷載的初始偏心為構(gòu)件幾何長度的1/1000，構(gòu)件長度為3.60m，兩端鉸接。壓型鋼板與構(gòu)件用自攻螺釘相連。當壓型鋼板之間無連接件時蒙皮抗剪剛度為QL，當荷載偏心距ey=L/1000，ez=L/1000時，對應(yīng)于不同的蒙皮抗剪剛度值Q，計算了構(gòu)件跨度中截面轉(zhuǎn)角及剪心的位移，從圖中可以看出蒙皮抗剪剛度的變化，并未使構(gòu)件跨中截面的轉(zhuǎn)角有太大的差別。這說明蒙皮抗剪剛度的增大，并不能增大對構(gòu)件扭轉(zhuǎn)的約束作用。但是蒙皮抗剪剛度的增大，即能有效地減小構(gòu)件的側(cè)向變形。必須指出：以上的結(jié)果是在不考慮蒙皮對構(gòu)件提供的扭轉(zhuǎn)約束，即令扭轉(zhuǎn)約束值F=0時所得出的結(jié)果。F值因次為N·mm/（mm·rad）。但實際結(jié)構(gòu)中蒙皮總是可以為構(gòu)件提供不同程度的扭轉(zhuǎn)約束作用，如不考慮這一有利因素，勢必會使計算結(jié)果過分保守，試驗和計算結(jié)果都表明，蒙皮為構(gòu)件提供的扭轉(zhuǎn)約束作用可有效地減小構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)變形，顯著提高軸壓構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。通過理論計算所得出 （ey=L/1000，ez= -L/1000） （ey=L/1000，ez=-L/1000） 
側(cè)向變形υ（cm）曲線的蒙皮對構(gòu)件影響。其FL=1437.2N·mm/（mm·rad）是由試驗確定。
    六、 結(jié)語 
    當前，我國鋼結(jié)構(gòu)（含輕鋼結(jié)構(gòu)）發(fā)展的形勢很好，我國鋼結(jié)構(gòu)年產(chǎn)已超過1億t，可以預(yù)言，21世紀將是鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展時期，長期以來，由混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的格局將被打破，從事鋼結(jié)構(gòu)制造、施工企業(yè)前景寬闊，各建筑設(shè)計院也面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。但是，以下幾點仍需各方加以重視。 
    1、應(yīng)加大推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑的宣傳力度 
    目前，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的競爭非常激烈。這種競爭，不僅來自于各行業(yè)，、各企業(yè)之間，更重要的還來自于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)這兩種建筑之間的競爭。日本等發(fā)達國家，鋼結(jié)構(gòu)建筑要占整個建筑的50%以上，而我國只占5%還不到。差距甚遠。 
    對于鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的造價問題，應(yīng)有一個全面、綜合的認識，不能籠統(tǒng)地認為鋼結(jié)構(gòu)造價比混凝土貴，從而排斥于比較方案之外，這一點對廣大設(shè)計人員尤為重要。事實上一個高層建筑的工程總投資、包括工程造價、動遷費、征地費等方面，工程造價只占工程總投資的50%。而工程造價又包括結(jié)構(gòu)造價、裝飾費、設(shè)備費等，結(jié)構(gòu)造價只占工程造價的30%左右。而結(jié)構(gòu)造價又分上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價，上部結(jié)構(gòu)造價僅占基礎(chǔ)造價的50%～70%。而鋼結(jié)構(gòu)只是指工程的上部結(jié)構(gòu)，在工程總投資中僅占10%還不到。因此，高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)與采用混凝土結(jié)構(gòu)間的差價所占工程總投資的比例將更小，一般不到工程總投資的4%。如果再考慮到采用鋼結(jié)構(gòu)因其自重輕、基礎(chǔ)造價低；因其強度高、可嗇建筑有效使用面積；施工速度快及抗震性能好等諸多優(yōu)點，那么鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是不言而喻的。 
    2、推廣應(yīng)用住宅鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)提到重要位置 
    建筑鋼結(jié)構(gòu)雖然發(fā)展很快，但在住宅領(lǐng)域還是空白。全國每年要建數(shù)千萬平方米的住宅建筑，但采用鋼結(jié)構(gòu)的幾乎沒有。當然這和我國傳統(tǒng)思想、觀念以及對鋼結(jié)構(gòu)的認識偏差有關(guān)。可喜的是，天津市政府已率先垂范，決定于今年啟動輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑，將建設(shè)10萬m2的輕鋼住宅，其示范效應(yīng)將不可低估，希望各地有關(guān)職能部門及廣大設(shè)計人員應(yīng)有超前意識，作出響應(yīng)，對輕鋼住宅建筑的發(fā)展作出應(yīng)有貢獻。 
    3、應(yīng)積極提高各鋼結(jié)構(gòu)制造、施工企業(yè)、設(shè)計院所等技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平 
    我國在較長的一段時間內(nèi)，由于鋼結(jié)構(gòu)使用很少，各設(shè)計院所、建筑企業(yè)大多從事單一的混凝土結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計和施工。目前應(yīng)大力加強和提高各級技術(shù)人員的鋼結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)水平。應(yīng)充分發(fā)揮各高等院校、學術(shù)團體等舉辦鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)講座、規(guī)范培訓班等。 
    4、發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)要在政策上給予支持和傾斜 
    這種政策性的扶植應(yīng)包括：在鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展上應(yīng)將其納入國家建筑技術(shù)發(fā)展規(guī)劃并在科研項目、經(jīng)費等方面予以重點支持；對于鋼結(jié)構(gòu)的住宅建筑，在土地征用、稅收等方面予以優(yōu)惠，以降低建設(shè)成本，使其更具市場競爭力；大力推廣使用國產(chǎn)鋼材以此和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)形成良性循環(huán)。