輕鋼結構特點以及發(fā)展趨勢

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一、 引言 
    自進入20世紀90年代以來，我國鋼結構建筑的發(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，為鋼結構在我國的發(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，現已投入運營。據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，現正在加緊建設中。由外商投資的大連總統(tǒng)大廈，正在加緊籌建之中，共95層，據稱建成后其高度將名列世界前茅。 
    輕鋼結構的發(fā)展則更是如火如荼，特別在工業(yè)廠房的建設中則更為迅猛。從鋼結構制造加施工企業(yè)數量的大幅增長就可窺見一斑，如上海市的鋼結構制造和施工單位已由原來的幾十家一下子發(fā)展到現在的400多家，單上海的寶鋼地區(qū)就有近百家的鋼結構制造廠。大好形勢下，如何因勢利導，抓好設計和施工質量，這是當前一個十分迫切的問題。本文擬就輕鋼結構的優(yōu)點、材料選擇和設計中的注意點、塑性設計及腹板屈曲后強度的利用和蒙皮效應等作一概略介紹，利于讀者對輕鋼結構有一個比較全面的了解。  
    二、 輕鋼結問及其適用范圍 
    所謂輕鋼結構通常是指由下列鋼材所構成的結構：①冷彎薄壁型鋼結構；②熱軋輕型鋼結構；③焊接或高頻焊接輕型鋼結構；④輕型鋼管結構；⑤板壁較薄的焊接組合梁及焊接組合柱而構成的結構。 
    1、適用范圍 
    根據我國目前情況來看，這種結構由于其用度廣、優(yōu)勢明顯，已大量應用于單層工業(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，夾層板內部可充填各種保溫層。 
    2、主要優(yōu)點 
    ⑴施工周期短：輕鋼結構的最大優(yōu)點是所有構件均可以由工廠制作現場拼接安裝，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，經兩除兩烘加工而成，耐久性也較好，根據目前我國的市場價格，輕鋼結構的造價已經低于鋼筋混凝土結構，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：由于鋼結構屬于柔性結構、自重輕，因而能有效地降低地震響應及災害影響程度，極有利于抗震。我國是一個多地震區(qū)國家，在地震區(qū)建筑中應多多推廣應用鋼結構，必可大大減少地震災害和人員傷亡。唐山地震的慘痛教訓應予記起。目前，天津市已正式啟動輕鋼結構住宅。 
    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。 
    正是由于輕鋼結構的諸多優(yōu)點，而且隨著近年來防火、防腐新產品的不斷出現，已較好地解決了輕鋼結構抗腐蝕性差的缺點，使得它在工業(yè)廠房以及民用設施中獲得了廣泛的應用。 
    三、 材料選擇和設計中的注意事項 
    輕鋼結構作為普通鋼結構的衍生結構，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《輕鋼結構設計規(guī)程》和中國工程建設標準化協(xié)會標準CECS102：98《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》，這里僅著重強調幾點： 
    ⑴在用材上應優(yōu)先采用“H”形鋼，它受力合理，拼接方便，加工容易。對于承重結構宜用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構。對于板厚大于25mm的梁翼緣與柱，現場焊接的梁柱節(jié)點不宜用Q235-B.F，應盡量選用Q235-B或Q235-B.b，對于特別重要結構宜選用Q235-C或Q235-D。 
    ⑵對厚度為17～40mm的Q235鋼的設計指標比現行GBJ17-88《鋼結構設計規(guī)范》中的規(guī)定值提高5Mpa（上海標準），焊縫強度也作了相應調整。 
    ⑶考慮了技術進步因素，將主要受力構件的壁厚調小了，即在現行GBJ18-97《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》中的主要受力構件的壁厚不小于2mm調整為不小1.5mm，框架梁柱構件不小于3mm。 
    ⑷在風荷載作用下，門式剛架的側移按GBJ18-87《冷彎薄壁型鋼結構技術規(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)定并作相應調整，但具體數值不盡相同。設計者在使用時宜予以注意。 
    ⑸在設計剛架、屋架和檁條等時，應考慮由風吸力作用所引起構件內力變化的不利影響。此時永久荷載分項系數取為1.0。這一規(guī)定主要是考慮到當設計的剛架、屋架、檁條在屋面材料較輕的情況下；若受風吸力作用，構件內力將會變號，會出現拉桿變?yōu)閴簵U的情況。在內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取為1.2，則會造成結構可靠度的降低，導致不安全因素。 
    四、 結構或構件的塑性設計及腹板屈曲后強度 
    輕鋼結構允許采用塑性設計，但僅適用于不直接承受動力荷載的固端梁、連續(xù)梁以及由實腹構件組成的單層和2層框架結構。采用塑性設計的結構或構件，按承載能力極限狀態(tài)設計時，應采用荷載的設計值，考慮構件截面內塑性的發(fā)展及由此引起的內力重分布，用考慮P-△效應的塑性鉸理論或簡單的塑性鉸理論進行內力分析。按塑性設計時，鋼材和連接的強度設計值應按規(guī)程的有關條款規(guī)定的數值乘以折減系數0.9。塑性設計截面板件的寬厚比也應符合有關規(guī)定。 
    門式框架上“工”字形截面構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，則載荷邊的壓應力分布為非無均勻分布，兩邊應力較高，中間應力較低；非載荷邊產生垂直于邊線的應力，其中部為拉應力。由于拉應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?？ㄩT最先提出了有效寬度的概念，即將板件受壓邊馬鞍形應力分布圖用二塊等效的應力圖形代替L等效應力圖形的應力水平為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構設計最早見于飛機結構中，因為飛機結構設計是在保證一定可靠度的前提下以減輕結構重量為目標。在普通房屋建筑鋼結構設計中一般不允許板件產生局部失穩(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，以提高構件的截面剛度和整體穩(wěn)定承載力，為此，不得不突破鋼結構設計規(guī)范（GBJ17-88）中對板件寬厚比限值的規(guī)定，允許板件產生局部失穩(wěn)，進而利用屈曲后強度的提高。 
    輕鋼結構門式剛架是主要的承重結構，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，也是不經濟的。因此，先進的設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構中，在允沖擊、疲勞、振動等荷載的條件下，可充分利用結構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 
    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構。 
    所謂蒙皮效應是指壓型鋼板在其平面內的抗剪能力，可稱為受力蒙皮作用。如將壓型鋼板與構件進行可靠連接，則此蒙皮效應可使圍護結構同時成為結構的重要組成部分，參與整個結構體系工作，為與之相連的受壓、受彎壓構件提供連續(xù)側向支撐，從而提高這種構件的剛度及穩(wěn)定承載力。 
    美國的設計規(guī)范引進了蒙住支撐的設計方法。我國《冷彎型鋼受力蒙皮結構設計規(guī)范》尚在編制中。 
    1、蒙皮支撐的軸心受壓構件 
    假設在蒙皮的支撐作用下，構件在荷載作用下沒有彎曲變形、沒有截面的扭轉而僅有軸向壓縮變形，則我們稱蒙皮可為構件提供完全支撐，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件性能的影響，對該非線性問題用有限元法，取如下構件作分析對象，構件外形尺寸為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件幾何長度的1/1000，構件長度為3.60m，兩端鉸接。壓型鋼板與構件用自攻螺釘相連。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，對應于不同的蒙皮抗剪剛度值Q，計算了構件跨度中截面轉角及剪心的位移，從圖中可以看出蒙皮抗剪剛度的變化，并未使構件跨中截面的轉角有太大的差別。這說明蒙皮抗剪剛度的增大，并不能增大對構件扭轉的約束作用。但是蒙皮抗剪剛度的增大，即能有效地減小構件的側向變形。必須指出：以上的結果是在不考慮蒙皮對構件提供的扭轉約束，即令扭轉約束值F=0時所得出的結果。F值因次為N·mm/（mm·rad）。但實際結構中蒙皮總是可以為構件提供不同程度的扭轉約束作用，如不考慮這一有利因素，勢必會使計算結果過分保守，試驗和計算結果都表明，蒙皮為構件提供的扭轉約束作用可有效地減小構件的扭轉變形，顯著提高軸壓構件的穩(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） 
側向變形υ（cm）曲線的蒙皮對構件影響。其FL=1437.2N·mm/（mm·rad）是由試驗確定。
    六、 結語 
    當前，我國鋼結構（含輕鋼結構）發(fā)展的形勢很好，我國鋼結構年產已超過1億t，可以預言，21世紀將是鋼結構快速發(fā)展時期，長期以來，由混凝土結構、砌體結構一統(tǒng)天下的格局將被打破，從事鋼結構制造、施工企業(yè)前景寬闊，各建筑設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、應加大推廣鋼結構建筑的宣傳力度 
    目前，鋼結構行業(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構和鋼筋混凝土結構這兩種建筑之間的競爭。日本等發(fā)達國家，鋼結構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。 
    對于鋼結構與混凝土結構的造價問題，應有一個全面、綜合的認識，不能籠統(tǒng)地認為鋼結構造價比混凝土貴，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構造價、裝飾費、設備費等，結構造價只占工程造價的30%左右。而結構造價又分上部結構和基礎造價，上部結構造價僅占基礎造價的50%～70%。而鋼結構只是指工程的上部結構，在工程總投資中僅占10%還不到。因此，高層建筑采用鋼結構與采用混凝土結構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構因其自重輕、基礎造價低；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，那么鋼結構的優(yōu)勢是不言而喻的。 
    2、推廣應用住宅鋼結構應提到重要位置 
    建筑鋼結構雖然發(fā)展很快，但在住宅領域還是空白。全國每年要建數千萬平方米的住宅建筑，但采用鋼結構的幾乎沒有。當然這和我國傳統(tǒng)思想、觀念以及對鋼結構的認識偏差有關?？上驳氖牵旖蚴姓崖氏却狗?，決定于今年啟動輕型鋼結構建筑，將建設10萬m2的輕鋼住宅，其示范效應將不可低估，希望各地有關職能部門及廣大設計人員應有超前意識，作出響應，對輕鋼住宅建筑的發(fā)展作出應有貢獻。 
    3、應積極提高各鋼結構制造、施工企業(yè)、設計院所等技術人員的業(yè)務水平 
    我國在較長的一段時間內，由于鋼結構使用很少，各設計院所、建筑企業(yè)大多從事單一的混凝土結構工程的設計和施工。目前應大力加強和提高各級技術人員的鋼結構業(yè)務水平。應充分發(fā)揮各高等院校、學術團體等舉辦鋼結構技術講座、規(guī)范培訓班等。 
    4、發(fā)展鋼結構要在政策上給予支持和傾斜 
    這種政策性的扶植應包括：在鋼結構技術的發(fā)展上應將其納入國家建筑技術發(fā)展規(guī)劃并在科研項目、經費等方面予以重點支持；對于鋼結構的住宅建筑，在土地征用、稅收等方面予以優(yōu)惠，以降低建設成本，使其更具市場競爭力；大力推廣使用國產鋼材以此和鋼鐵生產企業(yè)形成良性循環(huán)。