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钢结构桥梁的设计优化与轻量化概述：钢结构桥梁是现代桥梁建设中常用的结构形式，具有刚性好、承载能力强、施工周期短、维护成本低等优点。
然而，随着社会经济的发展和人们对环境保护的要求不断提高，设计优化与轻量化成为了钢结构桥梁建设的主要目标。
本文将重点探讨钢结构桥梁的设计优化方法和轻量化技术，以提高其性能和可持续发展。
1. 材料选择与优化钢结构桥梁的设计优化与轻量化的首要任务是选择合适的材料，并对其进行优化。
在材料选择方面，一般使用高强度钢材作为主要材料，如Q345、Q420等。
同时，还可以采用复合材料，如玻璃纤维增强材料和碳纤维增强材料，以提高桥梁的轻量化程度。
在材料优化方面，可以通过优化材料的组合比例、热处理工艺等方法，提高材料的强度和耐久性，减少桥梁结构的重量。
2. 结构设计与减载技术在钢结构桥梁的设计优化与轻量化过程中，结构设计起着重要的作用。
通过合理设计桥梁的结构形式、减少桥墩的数量和跨度、采用自锚索系统等技术手段，可以降低桥梁的重量，提高桥梁的承载能力。
此外，还可以采用减载技术，如设置缆索、斜撑等来分担桥梁的荷载，降低桥梁自重，达到轻量化的效果。
3. 施工工艺与技术创新在钢结构桥梁的设计优化与轻量化过程中，施工工艺和技术创新也是不可忽视的因素。
采用先进的制造工艺和施工技术可以有效减少桥梁的重量，提高桥梁的施工效率。
比如，可以采用预制构件、装配式施工等先进工艺，减少现场焊接工作，降低桥梁的重量和施工周期。
4. 桥梁管理与维护技术设计优化与轻量化只是钢结构桥梁建设的第一步，桥梁的管理和维护同样重要。
合理的桥梁管理和维护技术可以延长桥梁的使用寿命，减少桥梁的维修成本。
采用无损检测技术和健康监测系统，可以及时发现桥梁的损伤和缺陷，采取相应的维修措施，保证桥梁的正常运行。
结论：钢结构桥梁的设计优化与轻量化是现代桥梁建设的重要任务。
通过材料的选择与优化、结构设计与减载技术、施工工艺与技术创新以及桥梁管理与维护技术的综合应用，可以有效地降低桥梁的重量，提高桥梁的承载能力和使用寿命，实现桥梁建设的可持续发展。
实现建筑结构轻量化的技术策略随着社会的进步和人们对环境保护要求的提高，建筑行业也面临着各种挑战和需求。
在建筑设计中，轻量化技术的应用变得越来越重要。
本文将介绍一些实现建筑结构轻量化的技术策略。
一、材料选择在建筑结构设计中，材料的选择是实现轻量化的关键。
传统的建筑材料如钢筋混凝土和砖石等重型材料，其重量较大，不利于建筑结构的轻量化。
因此，我们需要选择一些轻质、高强度和耐久性好的材料。
1.1 高性能混凝土高性能混凝土是指其强度、耐久性和施工性能等方面远远超过传统混凝土的材料。
采用高性能混凝土可以减少结构的自重，提高整体的抗震性能。
此外，高性能混凝土具有良好的施工性能，更易实现建筑构件的细化和精准设计。
1.2 高强度钢材钢材作为一种常用的建筑材料，具有轻质高强度的特点，非常适合用于建筑结构的轻量化设计。
选择高强度钢材可以减小结构自重，提高整体的稳定性和抗震能力。
同时，钢材还具有可塑性强、可回收再利用等优势，有利于环境保护和可持续发展。
二、结构形式优化除了材料选择外，结构形式的优化也是实现建筑结构轻量化的重要策略。
通过优化结构形式，可以在保证结构强度和稳定性的前提下，减少结构的自重，提高结构的使用效率。
2.1 空间结构空间结构是一种常见的轻量化建筑结构形式，它通过合理设计结构构件的几何形状和空间布置方式，最大程度地利用材料的强度，减少结构的自重。
例如，桁架结构和网壳结构等都属于空间结构的范畴，它们具有较高的抗震性能和承载能力，且重量较轻。
2.2 屋顶设计在建筑结构设计中，屋顶设计也是一个重要的轻量化策略。
传统的屋顶结构常采用砖石或混凝土等重型材料，造成了很大的自重。
而采用轻质材料如玻璃钢、聚碳酸酯板等，可以有效减小屋顶的自重，并提高整体的抗震性能。
三、先进成型技术随着科技的进步，建筑结构的轻量化设计也得到了更多的技术支持。
先进的成型技术可以实现结构构件的精准加工和定制化设计，减少材料的浪费，提高结构的使用效率。
轻钢结构工艺轻量化建筑的施工解决方案轻钢结构是一种新型的建筑工艺，以其轻量、高强和可循环利用的特点在近年来得到广泛应用。
作为一种能有效减少施工工期、提高施工质量以及节约能源的建筑方案，轻钢结构工艺在轻量化建筑中发挥着重要作用。
本文将介绍轻钢结构工艺轻量化建筑的施工解决方案，包括材料选用、施工流程和技术难点的攻克等。
一、材料选用轻钢结构的轻量化建筑所使用的主要材料是轻钢骨架和轻质保温材料，如EPS板、岩棉板等。
轻钢骨架具有重量轻、强度高、可靠性好等特点，可以满足建筑对强度和稳定性的要求。
轻质保温材料具有良好的保温性能和隔热性能，可以有效减少建筑物的能耗。
在材料的选用上，需根据具体的建筑设计要求、环境条件以及建筑用途等因素进行选择，确保整个建筑结构的安全和耐久性。
二、施工流程1. 施工前准备在进行轻钢结构轻量化建筑的施工前，需要进行详细的施工方案设计和工程准备工作。
包括确定施工队伍、调配必要的施工设备和运输工具、制定施工计划等。
2. 基础施工轻钢结构的施工需要先进行基础的施工工作。
基础的质量和稳定性直接影响到整个建筑的安全和可靠性。
在进行基础施工时，需要按照设计要求进行地基处理、基坑开挖、土方回填、浇筑混凝土等工作。
3. 骨架安装轻钢骨架的制作和安装是整个轻钢结构建筑的核心环节。
在进行骨架安装时，首先需要准确测量，确定骨架的几何参数和位置。
然后按照设计图纸进行拼装和安装，在安装过程中需注意保持各部件的垂直度和水平度，并进行适当的固定和连接，确保整个骨架的稳定性和强度。
4. 外墙施工外墙的施工需要先进行保温材料的安装。
在进行保温材料安装时，需注意保温层的厚度和尺寸的一致性，并进行紧密拼接，杜绝保温层的热桥。
随后进行外墙装饰层的施工，如幕墙、外墙面砖等，确保建筑的美观和外观的一致性。
5. 内装修施工轻钢结构的内装修工作相对较简单，常采用干挂装修方式。
在进行内装修时，需要注意隔音、防火等性能要求，选择符合设计要求的材料进行施工。
装配式建筑的钢结构设计——轻量化与强度优化装配式建筑的钢结构设计：轻量化与强度优化一、引言装配式建筑是一种通过预制和标准化部件在工厂内进行生产，然后在现场进行组装的建筑方式。
相比传统施工方法，装配式建筑具有时间短、质量高、环境友好等优势。
而在装配式建筑中，钢结构作为主要承载体，其设计过程中的轻量化与强度优化尤为关键。
二、轻量化设计1. 材料选择钢结构的轻量化设计首先需要选择适合的材料。
常见的轻质高强度材料包括高强度钢、铝合金以及复合材料等。
这些材料具有质量轻、强度高的特点，能够有效减少整体结构重量。
2. 结构形式优化在钢结构的设计过程中，采用合理的结构形式也是实现轻量化的关键。
例如，在悬挑结构的设计中使用薄壁型截面能够减小自重，并提高整体刚度，从而达到轻量化目标。
3. 减少连接件数量连接件在钢结构中扮演着重要角色，但同时也增加了整体结构的重量。
通过减少连接件的数量和尺寸，可以有效降低结构自重，并提高装配效率。
三、强度优化设计1. 结构受力分析在钢结构设计中，进行合理的受力分析是优化结构强度的基础。
通过对各个部件和节点的荷载计算和受力分析，可以确定结构在各种工况下所承受的最大力矩、剪力和轴向力等参数。
2. 材料强度利用钢材具有较高的抗拉强度，在设计过程中应充分利用这一特点来提高整体结构的抗压能力。
采用悬臂梁或飞拱等形式，有效减小了杆件长度和截面积，从而实现材料强度的最大利用。
3. 优化节点设计节点作为钢结构中各个部件相连接的地方，其设计需要考虑到连接牢固性和受力均匀性。
通过优化节点的形式和尺寸，可以使得节点在承载荷载时具有更好的抗震性能，并提高整体结构的安全性。
四、综合优化设计方法1. 综合考虑质量和刚度在装配式建筑的钢结构设计中，需要综合考虑结构质量和刚度两个因素。
这是一个具有挑战性的问题，既要确保结构轻量化，又要满足强度和稳定性要求。
因此，采用综合优化方法对结构进行多目标优化是必要的。
2. 仿生设计方法仿生设计方法借鉴了生物学中一些优秀的形态和功能，通过模拟自然界中的形态优化过程来达到结构轻量化与强度优化的目标。
门式钢框架轻型化的技术措施1.材料的选用：选择高强度、轻量化的钢材料，如高强度低合金钢，再经过热处理、表面处理等工艺，提高其材料的强度和耐候性。
此外，可以使用轻量化的材料替代传统的钢材料，如铝合金和碳纤维复合材料等。
2.钢结构的优化设计：通过有限元分析、拓扑优化等技术手段，对钢结构进行优化设计，减少重量。
可以采用最优化的钢柱和梁的跨度和截面尺寸，轻量化的设计可以提高杆件的截面形状，减少冗余材料。
3.采用空心结构：将钢结构中的柱、梁等杆件设计为空心结构，以减轻重量。
通过优化空心结构设计，可以在保持杆件强度的前提下减少材料的使用量。
4.使用薄壁结构：将钢结构中的柱、梁等杆件设计为薄壁结构，以减轻重量。
薄壁结构相比实心结构可以减少材料的使用量，同时保持足够的强度。
5.采用预制装配化技术：门式钢框架可以采用预制装配化技术，将构件预先加工制造，然后在现场进行组装。
这种方式可以减少工地施工时间，提高施工质量，同时减轻钢结构的自重。
6.采用高强度螺栓连接：钢结构中采用高强度螺栓连接，可以提高结构整体强度，减少连接节点的重量。
此外，还可以使用轻量化的连接件，如铝合金连接件，以减轻自重。
7.应用新型的连接技术：采用新型的连接技术，如激光焊接、高频感应焊接等，可以有效减少连接节点的自重，提高结构的强度和刚度。
8.空间桁架结构的应用：门式钢框架可以采用空间桁架结构，通过合理设计节点和带锁杆技术，实现轻型化。
空间桁架结构可以减少钢材的使用量，同时保证结构的强度和稳定性。
综上所述，门式钢框架轻型化的技术措施包括材料的选用、钢结构的优化设计、采用空心结构、使用薄壁结构、采用预制装配化技术、采用高强度螺栓连接、应用新型的连接技术以及应用空间桁架结构等。
通过这些技术措施的应用，可以减轻门式钢框架的重量，提高其自重比和强度/重量比，从而满足特定工程要求和提高整体性能。
钢铁行业如何实现产品的轻量化设计在当今竞争激烈的市场环境中，钢铁行业面临着诸多挑战，其中实现产品的轻量化设计是一个重要的发展方向。
轻量化设计不仅能够降低钢铁产品的重量，提高材料的利用率，还能在降低成本的同时提升产品的性能和市场竞争力。
那么，钢铁行业究竟该如何实现产品的轻量化设计呢？首先，材料的选择是实现轻量化设计的基础。
高强度钢、铝合金以及新型复合材料等具有轻质高强的特点，成为了钢铁行业实现轻量化的重要选择。
高强度钢在保持强度的同时，能够减少材料的使用量，从而降低产品的重量。
例如，汽车制造中使用高强度钢制造车架和车身结构，可以在保证安全性的前提下减轻整车重量，降低燃油消耗。
铝合金具有比强度高、耐腐蚀等优点，在一些对重量要求较高的领域，如航空航天、轨道交通等，得到了广泛应用。
通过将钢铁部件替换为铝合金部件，可以有效地实现轻量化。
然而，铝合金的成本相对较高，需要在性能和成本之间进行权衡。
新型复合材料如碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能和轻量化特点，但目前其成本较高，大规模应用受到一定限制。
不过，随着技术的不断进步和成本的降低，未来在钢铁行业的应用前景值得期待。
其次，优化产品结构设计是实现轻量化的关键。
通过采用先进的设计理念和方法，如拓扑优化、有限元分析等，可以在满足产品性能要求的前提下，对结构进行合理的优化，去除多余的材料，实现轻量化。
拓扑优化是一种根据给定的载荷、边界条件和性能要求，在设计空间内寻找最优材料分布的方法。
通过拓扑优化，可以得到创新的结构形式，最大限度地减少材料的使用。
例如，在机械零部件的设计中，通过拓扑优化可以使零件的形状更加合理，减少材料的浪费。
有限元分析则可以对产品在不同工况下的力学性能进行精确模拟，为结构优化提供依据。
通过对产品进行受力分析，找出应力分布较低的区域，对这些区域的结构进行简化或减薄，从而实现轻量化。
再者，制造工艺的改进也是实现轻量化的重要途径。
先进的制造工艺如激光切割、激光焊接、液压成型等能够提高材料的利用率，减少加工余量，从而降低产品的重量。
钢结构设计如何实现最优化设计钢结构设计是建筑工程中重要的一环，其优化设计能够提高结构的安全性、经济性和可靠性。
本文将讨论如何实现钢结构设计的最优化，并提出相应的方法和策略。
一、钢结构设计优化的背景和意义钢结构具有重量轻、强度高、抗震性能好等特点，广泛应用于建筑工程领域。
然而，对于大型复杂的钢结构，传统的设计方法难以满足要求，因此，优化设计成为改善钢结构性能和降低成本的关键。
二、钢结构设计优化的目标钢结构设计的优化目标主要包括以下几个方面：1. 结构强度和刚度的最优匹配：合理选择截面尺寸和材料，确保结构在正常工作状态下具有足够的强度和刚度。
2. 最小化结构重量：在满足强度和刚度要求的前提下，尽量减小结构的自重，实现轻量化设计，以降低建筑物整体的负荷。
3. 成本最小化：通过合理的结构布置和构造设计，降低材料使用量和施工成本，实现整体经济效益的提高。
三、钢结构设计优化的方法和策略1. 选取适当的优化算法：常用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。
根据具体问题及要求，选择相应的算法进行优化计算。
2. 多目标优化设计：钢结构设计往往涉及多个目标函数，例如结构重量、成本和刚度等。
通过多目标优化方法，将多个目标函数综合考虑，得到一组最优解，由设计人员进行最终选择。
3. 以性能为导向的设计：传统的设计方法往往以规范要求为基础，而性能导向的设计注重结构的整体性能。
通过预测和分析结构的性能指标，优化设计可以更好地满足具体的功能要求。
4. 结构参数的灵活调整：通过改变结构参数的取值范围和组合方式，进行灵活调整，找到最优设计方案。
这一策略可以利用计算机辅助设计软件实现。
5. 结构与施工的协同设计：在设计过程中，与施工方进行密切合作，共同解决设计和施工中的问题。
通过结构施工一体化的方式，实现结构设计的最优化。
四、钢结构设计优化的应用案例1. 高层建筑钢结构设计优化：通过结构参数的调整和最优化算法的应用，实现高层建筑的结构材料和重量的优化，提高抗震和抗风能力。
钢铁产品的轻量化设计有哪些技术突破在当今追求高效、节能和可持续发展的时代，钢铁产品的轻量化设计已成为制造业的一个重要发展方向。
轻量化不仅可以降低能源消耗、减少环境污染，还能提高产品的性能和竞争力。
那么，在钢铁产品的轻量化设计领域，究竟有哪些令人瞩目的技术突破呢？高强度钢的研发与应用是其中的关键之一。
传统的钢铁材料强度相对较低，为了保证结构的稳定性和安全性，往往需要增加材料的厚度和重量。
而高强度钢的出现改变了这一局面。
通过优化合金成分和改进生产工艺，高强度钢的屈服强度和抗拉强度得到了显著提高。
这意味着在相同的承载能力要求下，可以使用更薄的钢板，从而实现轻量化。
例如，汽车行业广泛使用高强度钢来制造车身结构件，如车架、车门等，既减轻了车身重量，又提高了碰撞安全性。
先进的成型技术也为钢铁产品的轻量化做出了重要贡献。
热冲压成型技术就是一个典型的例子。
该技术将加热后的钢板迅速冲压成型，并在模具内进行淬火处理，使钢板获得超高强度。
通过热冲压成型，可以制造出形状复杂、强度高且重量轻的零部件。
此外，液压成型技术也在钢铁产品轻量化中发挥了作用。
它利用液体压力使钢管或钢板按照模具形状成型，能够减少零部件的焊接点，提高结构的整体性和强度，降低重量。
激光拼焊技术的应用是钢铁产品轻量化的又一创新。
不同厚度、不同强度的钢板可以通过激光焊接的方式拼接在一起，形成一个整体的零部件。
这样可以根据零部件不同部位的受力情况，合理分配材料的厚度和强度，避免了材料的过度使用，达到轻量化的目的。
在汽车制造中，激光拼焊技术常用于车身的侧围、底板等部位，有效地减轻了车身重量。
在钢铁产品的轻量化设计中，结构优化设计也是不可或缺的一环。
借助计算机辅助设计（CAD）和有限元分析（FEA）等工具，工程师可以对产品的结构进行精确的模拟和分析，找出受力薄弱的区域，并对结构进行优化。
例如，通过去除不必要的材料、改变截面形状、增加加强筋等方式，在保证结构强度和刚度的前提下，最大限度地减轻重量。
实现建筑结构轻型化的技术策略建筑结构轻型化是现代建筑领域的一个重要发展方向。
轻型建筑结构具有重量轻、强度高、施工快、适应性好等优点，能够满足人们对于建筑功能、环境要求以及经济需求的同时，减少对环境资源的消耗。
本文将介绍一些实现建筑结构轻型化的技术策略。
一、材料选择与设计优化在实现建筑结构轻型化的过程中，材料的选择是至关重要的。
轻质、高强度的材料能够有效减轻建筑的自重，降低荷载对结构的影响。
例如，使用钢材代替传统的混凝土材料，可以大大减轻建筑的结构负荷。
此外，还可以运用新型材料，如碳纤维材料等，具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，适用于各种建筑结构。
除了材料选择外，设计优化也是实现轻型化的关键。
合理优化结构设计，减少构件的数量和截面积，提高结构的效率。
通过运用高强度钢材和合理的柱网布置方式，可以有效减少柱子的数量，提高空间利用率。
二、预制化与模块化施工预制化和模块化施工是实现建筑结构轻型化的另一重要技术策略。
预制化施工是指将建筑构件在工厂进行预制加工，然后再运输到现场进行组装。
这种施工方式能够提高施工效率，减少工地工期，降低人工成本。
模块化施工则是将建筑构件按照模块化原理设计，制造出各个独立的模块，再进行组装。
模块化施工不仅具有高度工业化程度，还能够实现快速、高质量的建造。
三、结构优化与分析采用现代高科技手段对建筑结构进行分析和优化设计，是实现轻型化的重要技术策略。
利用计算机辅助设计与仿真软件，可以对建筑结构进行全面的计算和分析，找出结构的薄弱环节，进行优化设计，提高结构的抗震性和安全性。
四、控制荷载与动力设备合理控制建筑结构的荷载是实现轻型化的关键。
根据建筑的实际用途和功能需求，精确计算各种荷载，合理设计结构承载能力。
此外，采用先进的动力设备，如风电设备、太阳能设备等，可以减少对建筑结构的依赖，实现结构轻型化。
五、环保节能与智能化建筑实现建筑结构轻型化的技术策略还包括环保节能和智能化建筑理念。
通过采用节能材料、节能技术和智能控制系统，能够减少建筑能耗，提高能源利用效率，并且为建筑提供舒适的室内环境。
钢结构设计中的刚度优化与结构轻量化随着现代建筑技术的不断发展，钢结构作为一种重要的建筑结构材料，其在各类建筑物中的应用越来越广泛。
然而，在钢结构设计中，如何优化结构的刚度，实现结构的轻量化，一直是设计师们所面临的挑战。
首先，为了实现钢结构的轻量化，设计师需要在结构刚度的优化上下功夫。
刚度是指结构在受到外力作用时的抵抗变形的能力。
在钢结构设计中，优化结构刚度意味着减小结构的变形，提高其受力性能。
为了达到这一目标，设计师可以采用以下几种方法。
首先，合理选择构件的尺寸和形状。
通过充分利用钢材的优势，设计师可以在保证结构安全的前提下，尽量减小构件的截面尺寸，从而减小结构的重量。
此外，合理设计构件的形状，如采用箱形梁代替普通梁，可以大幅度提高结构的刚度。
其次，通过增加连接节点的刚度，可以有效提高整个结构的刚度。
节点作为结构的关键部分，其刚度的优化对整个结构的刚度起着至关重要的作用。
设计师可以通过采用剪力墙、刚性框架等方式，增加节点的刚度，从而提高整个结构的刚度和抗震性能。
此外，采用抗侧位移体系也是实现钢结构轻量化的一种有效方法。
抗侧位移体系是指通过控制结构变形，在地震或风荷载作用下保证结构的稳定性和安全性。
设计师可以通过采用双斜撑、剪力墙、框架剪力墙等抗侧位移体系，提高结构的刚度和稳定性。
这种方法不仅可以减小结构的重量，还可以提高结构的抗震能力。
除了刚度的优化外，钢结构设计中还需要考虑结构的轻量化。
轻量化是指在保证结构强度和刚度的前提下，尽量减小结构的自重。
轻量化不仅可以降低建筑物的使用成本，还可以减少对地基的荷载，节约建造时间。
为了实现结构的轻量化，设计师可以采用以下几种方法。
首先，合理利用材料。
钢材具有强度高、重量轻的特点，设计师可以通过使用高强度钢材，减小结构材料的使用量，从而降低结构的自重。
此外，还可以采用轻质材料作为补充，如使用铝合金、玻璃纤维等材料来减小结构的重量。
其次，优化结构的形状。
在钢结构设计中，设计师可以通过调整结构的形状，使其更加轻盈。
作者:韩方俊 男 1951年10月出生 高级工程师收稿日期:19990426轻型钢结构设计轻量化的主要途径韩方俊(上海电子工程设计研究院 上海 200135) 摘 要:通过对已颁布的二本轻钢规程的学习,并结合工程实践,试论述轻钢结构,主要是门式刚架设计轻量化的若干主要途径,包括塑性设计,工形截面腹板屈曲后强度利用,楔形构件和变截面构件的应用,把中柱设计成摇摆柱,考虑结构系统相互约束作用和蒙皮效应等。
关键词:轻钢结构 塑性设计 屈曲后强度 楔形构件 摇摆柱 蒙皮效应MAIN METH ODS FOR L IGHTENING OF L IGHT 2WEIGHT STEE L STRUCTURE DESIGNSHan Fangjun(Shanghai Electronics Engineering Design &Research Institute Shanghai 200135)Abstract :With the study of the two Regulations for Light 2weight Steel already published and combined withthe engineering practices ,this article has been written in an attempt to tackle the main methods leading to lightening of the light 2weight steel structures ,mainly the portal frames ,including the plastic designs ,the utilization of post 2buckling strength of I 2shaped cross 2section webs ,the application of tapered members and the variable cross 2section members ,the employment of rocking columns in multiple span frames and also considering the mutual restricted effect of the structural systems and the skin effect ,etc.K eyw ords :light 2weight steel structure plastic design post 2buckling strength tapered member rockingcolumn skin effect 20世纪80年代末以来,国外的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,单跨多跨可不同组合。
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。
但是,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。
国内自行设计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把握程度不一,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》(DBJ 08-85 Industrial Construction 2000,Vol 130,No 12工业建筑 2000年第30卷第2期68-97)。
正在报批的有中国工程建筑标准化协会的《轻型房屋钢结构设计规程》。
1 轻型钢结构设计轻量化的若干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20～40kg/m2不等,比普通钢结构的用钢量大为减少。
111 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011kN/m2);新型轻质保温材料———超细玻璃纤维棉毡(每m2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,最重要的是使重力荷载大为减轻。
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。
112 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亦越大。
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。
113 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715～813m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415～715m 时,其经济用钢量的中柱间距为24～30m。
114 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。
我们知道,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[1]。
115 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[1]。
在传统的钢结构设计中,构件腹板的局部稳定以高厚比(h0/ t w)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250235/f y,梁为300235/f y。
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95轻型钢结构设计轻量化的主要途径———韩方俊降低。
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。
116 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。
图1 单跨门式刚架(a )-竖向荷载下的弯矩;(b )-刚架的立面但应注意,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。
117 多跨框架的中柱设计成摇摆柱[2]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。
由于摇摆柱不承担水平荷载,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。
118 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。
119 板材的蒙皮效应6工业建筑 2000年第30卷第2期在生活实践中,我们有这样的经验: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,我们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系构件上时,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。
