浅谈轻钢结构的特点及体系
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浅谈轻钢结构的特点及体系
〔摘要〕 轻钢结构以自重轻、用钢量少、抗震性能好、设计施工周期短、可拆迁、可回收等优点，在轻工、电子、机械加工、仓库、飞机库、大型超市等建筑中已开始大量应用。本文作者参加了多个轻钢结构的设计工作，参阅了大量的相关技术论文和文献，分析了轻钢结构的若干体系及使用范围，对门式刚架的节点及柱脚提出了自己的观点，可供轻钢结构设计者参考。
Light steel structure with light weight, less steel consumption, good anti-seismic
performance, design and construction cycle short, demolition, recyclable and other
advantages, in the light industry, electronic, mechanical processing, warehouse,
garage, large supermarkets and other building has begun a large number of. In this
paper the author participated in a plurality of light steel structure design, a large
number of technical papers and literature, analysis of the light steel structure system
of the number and scope of application, the portal frame node and foot raised its own
point of view, for the light steel structure designers reference.
〔关键词〕 轻钢结构门式刚架 体系 特点
1 概述
20世纪80年代以前，我国的轻型钢结构主要是指由圆钢、小角钢和冷弯薄壁型钢组成的结构。80年代以来，建筑钢结构在冶金工厂开始大量使用。随着我国改革开放政策的实施和产业结构的调整，自1997年以来，我国每年开的钢产量已连续超过1亿吨，由于国家产业政策扶持建筑用钢，因此，民用建筑钢结构得以发展，而轻钢结构作为一种新型结构被广泛使用，特别是以变截面门式刚架和彩色压型钢板为标志的新型钢结构体系的出现，轻钢结构的概念亦发生了根本性的改变。现代轻钢结构是指以冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高频焊接H型钢、轻型热轧H型钢、薄钢管、焊接薄钢板变截面梁、柱等构成的结构。
2 轻钢结构的特点
目前，轻钢结构在轻工、电子、机械加工、仓库、飞机库、大型超市等建筑中已大量应用，民用多层住宅及别墅已开始使用，前景诱人。由于轻钢结构用钢量低、设计与施工周期短、结构跨度大、建筑造型新颖、抗震性能优良、可工厂化生产、综合经济效益高，因而得到了用户的欢迎，市场需求量越来越大。
2.1 用钢量低、自重轻
自重轻是钢结构的一大优点，而轻钢结构由于大量采用轻型H型钢、冷弯
薄壁型钢、焊接楔形截面，截面形状更趋合理，在减轻结构自重的同时，最大限度地发挥了材料性能。据统计，轻钢结构厂房的用钢量，无吊车厂房（含3t以下悬挂吊车）约为20～40kg/m2，起重量不大于20t的轻、中级工作制桥式吊车厂房的用钢量约为40～65kg/m2。目前，国内承重结构使用的钢材主要是Q345，围护结构使用的钢材是Q235，均属于低强度钢材，而国外多采用高强度钢材，这是我们与国外轻钢结构之间在材料上的差距。随着我国高强钢材成品的不断发展，轻钢结构的用钢量将会进一步降低。
2.2 设计与施工周期短
由于轻钢结构体系简单，材料规格少，设计有程序可用，因而设计周期较短。而轻钢结构构件均可在工厂加工制作，施工现场仅进行构件安装，因此，施工周期短。随着轻钢结构的进一步发展，门式刚架、住宅结构等均可进行标准化定型设计，工厂制作，建设速度可明显加快。
2.3抗震性能好
钢结构自重轻，材料强度高，塑性和韧性好，因而能有效的降低地震力，有利于抗震，适合在地震区建筑。
2.4建筑布置灵活，可满足不同功能要求
轻钢结构适宜大跨度、大空间结构，柱距布置灵活，便于工艺布置，可满足不同的工艺要求。轻钢结构住宅柱距大，开间大，能满足不同住户对住宅的多功能要求，而且易于布置跃层和错层体系。房屋内墙为非承重墙，用户可根据需要随意分隔。
2.5 建筑可拆卸搬迁、废钢可回收利用
轻钢结构建筑，构件之间多采用螺栓连接，拆装容易，可根据用户要求搬迁。建筑使用寿命到期，拆除的废钢可以回收炼钢，减少垃圾，保护环境。
3 轻钢结构体系及适用范围
3.1 圆钢、小角钢体系
圆钢、小角钢（小于L45x4或L56x36x4）组成的轻型钢结构，适用于跨度不超过18m、起重量不大于5t的轻、中级工作制桥式吊车的房屋中，主要用于小型厂房、仓库的屋盖系统。主要构件为屋架、平面桁架式檩条、格构刚架。目前已很少采用。
3.2 门式刚架结构体系
门式刚架轻钢结构，是目前使用最广泛的结构形式之一，主要用于轻型围护
结构的无桥式吊车或仅有起重量不大于20t（刚架间距6m时不大于30t）的轻、中级工作制桥式吊车或3t悬挂式起重机的单跨或多跨单层房屋钢结构。
门式刚架属平面结构体系，结构受力明确，设计理论清楚，经济跨度一般为18～40m，柱距6～9m，檐口高度一般为4.5～9m，不超过18m。多跨门式刚架的中间柱一般采用铰接的摇摆柱。单跨跨度可达72m，从抗震和防火等综合因素考虑，门式刚架的跨度不宜大于50m。
门式刚架一般采用薄钢板焊接的变截面刚架，由于变截面构件有可能在几个截面同时或接近出现塑性铰，故不宜利用塑性铰出现后的应力重分布。同时，变截面门式刚架构件的腹板一般均较薄，截面发展塑性的潜力不大，因此，变截面门式刚架应采用弹性分析方法确定各种内力。跨度较小时，也可采用等截面刚架，等截面刚架允许采用塑性分析方法，按现行《钢结构设计规范》的规定进行计算。比较节省钢材的方法是采用高而薄的腹板，按有效截面概念设计，利用腹板屈曲后强度。
关于门式刚架柱与斜梁的连接节点，笔者根据实际工程经验，建议采用柱顶预留接头，现场焊接的连接方法。该节点传力可靠，刚架外形美观，通过多个工程使用实践，效果良好。
关于门式刚架的刚接柱脚，建议采用插入式柱脚。插入式柱脚构造简单，传力直接、安全可靠，经实际工程比较，插入式柱脚比带靴梁的刚接柱脚用钢量少。
屋面檩条和墙梁采用冷弯薄壁C型钢和Z型钢，檩距一般为1.0～2.5m，可采用简支和连续檩条，檩条设计时，需考虑风吸力作用下的稳定计算。
关于计算围护结构风荷载时的阵风系数，笔者认为，值得探讨。在《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）颁布之前，我公司设计了许多工程，其围护结构均未考虑阵风系数，最早的工程在80年之前，至今未发现问题。从国外的檩条选用表看，也未考虑阵风系数。考虑阵风系数的结果，不仅是钢材用量增加，对于跨度为9m的墙架檩条，现有轻钢檩条规格已很难满足要求。邵卓民、蔡益燕、王学东、胡天兵在《建筑钢结构进展》（2000 No.2）中发表的《门式刚架轻型房屋钢结构的风荷载分析》说明，“因《规程》给出的风荷载体形系数中已包含了阵风的影响，故不需要另考虑阵风系数”。因此，笔者认为，在计算围护结构风荷载时，可不考虑阵风系数。
