田鏡楷

(太原理工大學)

1 新型輕型鋼結構體系的主要特點

輕鋼結構體系是一種新型的建筑結構形式，其采用薄壁冷彎C、Z型鋼與H型鋼等進行組合，形成建筑的骨架，然后利用彩色涂層壓型鋼板和夾芯板構建成為建筑的屋面和墻體.這種建筑的結構形式正逐步取代當前廣泛使用的鋼筋混凝土結構建筑.

輕鋼結構體系建筑的基礎可以分為鋼筋混凝土獨立基礎和鋼筋混凝土條形基礎兩種形式.其中，獨立基礎適合于在地質(zhì)情況優(yōu)良的場合使用，而條形基礎則適合于地質(zhì)情況較為惡劣的場地中使用.施工過程中，首先要預埋地腳螺栓，并在增加墊片之后與建筑的鋼柱相連接.對于采用輕鋼結構的建筑物，其采用預制構件的方式構建，在施工現(xiàn)場不進行焊接、鉆孔等操作.建筑的主鋼架(梁、柱)采用焊接型鋼或者熱軋型鋼作為構件材料，這樣可以充分發(fā)揮鋼材的力學性能以及構件的力學強度.而結構體系中的次構件，諸如檁條，則是在經(jīng)過防腐處理之后形成的冷彎薄壁Z、C型鋼，其通過螺栓與主鋼架連接起來.

由于輕鋼結構建筑物的圍護體系，包括屋頂、墻體等，是采用彩鋼壓型板、夾芯板構成的，而且是采用子宮螺栓將之與屋面、沿墻的檁條連接起來.圍護體系的壓型鋼板是將鍍鋅鋼板或者彩色涂層鋼板作為基材，在經(jīng)過輥壓冷彎處理成型之后成為建筑的圍護體系結構板材.另外，為了達到隔熱保溫的作用，其隔熱層中加入了離心超細玻璃絲棉卷氈.彩鋼壓型板通過現(xiàn)場制作的方式，有效解決了大范圍內(nèi)面板搭接過程中出現(xiàn)的接縫不嚴實的問題，通過現(xiàn)場復合的方式讓一個大面積的屋面成為了一個整體，使得屋面圍護結構更加堅固、防漏、保溫、易排水，同時增加了整個建筑外形的統(tǒng)一性、美觀性與協(xié)調(diào)性.而建筑的夾芯板則是將彩色鋼板的面板與底板將具有功能的芯材粘接起來，形成一種保溫的復合圍護板材.根據(jù)所夾保溫芯材的不同，又可以將之分為硬質(zhì)聚氨脂、聚苯乙烯以及巖棉三種夾芯板.其通常采用工廠預制的方式進行制作，利用搭接與咬合的方式連接起來.

2 輕鋼結構體系的主要類型

針對低、高層鋼結構建筑的需求，當前主要采用的幾種典型輕鋼結構體系類型包括以下幾類.

2.1 冷彎薄壁型鋼結構體系

這種結構體系的構件采用薄鋼板冷彎成為C形、Z形、U形等結構件，能夠的按度使用，同時也可以組合使用.由于各個桿件之間的連接采用自攻螺釘進行連接，因此這種鋼結構體系節(jié)點的剛性難以得到保證，其抗側能力較差，通常只適合于1～2層的低層建筑或者是別墅.

2.2 框架結構體系

當前，框架結構體系廣泛的應用在多層鋼結構住宅的建設當中.由于其縱向與橫向都設置有鋼制框架，且門窗的設置較為靈活，能夠提供空間較大的開間，利于住戶的二次設計，能夠很好的滿足多種生活需求.鋼框架結構體系在設計的過程中充分考慮到了樓蓋的組合作用，并將之應用到多層建筑當中，能夠很好的滿足建筑的抗側需求.但是，由于當前框架柱主要以H型鋼為主，其軸向的梁柱連接剛度不足，所以在設計施工過程中需要予以謹慎處理.

2.3 框架支撐結構體系

對于承受地震載荷以及風載較大的區(qū)域，框架支撐結構體系能夠顯著提高建筑的抗側剛度，增強偏交支撐于軸交支撐效果.該種結構體系一般是多重抗側體系，而且梁柱節(jié)點、柱腳節(jié)點能夠采用半剛接、鉸接等連接形式，具有施工構造較為簡單，建筑結構基礎能夠承受較大軸向力、體形較小的有點，已經(jīng)逐步成為了輕鋼結構體系的一個重要結構形式.

2.4 框架剪力墻結構體系

在低層和高層建筑當中，能夠應用傳統(tǒng)的剪切墻體系，例如鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻結構等.當前，正在研究設計的空腔結構板就屬于一種典型的抗側結構.其中，空腔結構板是一種新型的輕質(zhì)板材，利用黃紙制作成為用固有多種等邊空腔結構的板狀基本架構，在經(jīng)過浸漬處理之后成為空腔結構.該種板材實現(xiàn)了與鋼結構框架的可靠連接，形成了一種新形勢的剪力墻.與此同時，美國和澳洲等還開發(fā)設計形成了新穎的交錯桁架結構體系.

3 新型輕鋼結構體系主要構件的設計

3.1 建筑樓面屋蓋結構的設計

為了滿足建筑隊強度和結構可靠度的要求，建筑的屋蓋和樓面首先要滿足有足夠的強度、剛度以及穩(wěn)定性.同時，還應該通過適當減少樓板厚度，增加建筑室內(nèi)凈高的方式提高整個結構體系的可靠度.當前，廣泛使用的壓型鋼板-混凝土組合樓蓋具有施工周期短、樓蓋平面剛度大以及房屋建筑樓層凈高大等優(yōu)點.在設計過程中，首先在建筑的鋼梁上鋪設一層壓型鋼板，然后再澆筑一層厚度為100～150 mm的混凝土.然后在鋼梁上焊接合適的剪力連接件，確保整個鋼梁結構能夠與混凝土協(xié)同組合形成可靠度高的樓蓋.但是，這種設計方式具有鋼材消耗量大、需要進行防火處理的特點.因此，在實際設計過程中可以采用預應力鋼筋混凝土薄板來替代壓型鋼板的方式對屋蓋結構體系進行優(yōu)化.另外，在屋蓋體系設計過程中，預應力迭合板、圓孔板以及組合扁梁等也是典型的結構形式.

3.2 支撐及剪力墻結構形式的設計

對于高層框架式建筑結構體系，由于其框架結構的側向剛度較弱，在樓層數(shù)不斷增加的同時，為了增加建筑的抗震能力、減小樓層之間的錯移，經(jīng)常需要在建筑的墻體中設置垂直支撐體系.另外，為了便于建筑門窗的設置，所采用的支撐形式應該靈活多樣，例如X型、K型、W型、V型以及人型等結構形式.一般多采用偏心支撐的方式，這樣可以確保其在地震載荷的作用下具有良好的延展性及耗能性能.

設計過程中，根據(jù)剪力墻的材料與結構形式的不同，可以將之分為鋼筋混凝土帶縫剪力墻、普通鋼筋混凝土剪力墻以及鋼板剪力墻三種形式.其中，帶縫鋼筋混凝土剪力墻能夠有效的避免普通鋼筋混凝土剪力墻的剛度大，地震過程中易出現(xiàn)應力集中導致的對墻體破壞而產(chǎn)生裂縫的問題.而鋼板剪力墻則是將鋼板作為剪力墻結構，通過與鋼框架的配合形成一個整體的剛性構件.

3.3 柱結構形式的設計

通常，鋼結構住宅是大開間的形式，其在兩個方向都要承受較大的彎矩，同時還要考慮強柱弱梁的要求.當前，廣泛使用的結構形式主要包括焊接H型鋼、I型熱軋鋼截面，其強弱軸慣性矩之比設置為3～10，必然會導致材料的浪費.所以，在設計過程中，對于雙向軸壓較大、彎矩接近、梁截面較高的框架柱，可以采用雙軸等強鋼管柱或者是鋼管混凝土柱.其中，方鋼管混凝土柱不但截面的受力合理，同時能顯著提高框架的側向剛度，具有良好的防火性能，能夠抵抗結構破壞過程中柱體迅速彎曲造成的破壞.所以，雖然平面受力結構設計過程中選擇H型鋼和I型鋼在受力方面相對合理，這使得箱形鋼管柱以及方鋼管混凝土柱得到了廣泛的應用.

3.4 節(jié)點的設計

鋼結構的連接節(jié)點設計屬于輕鋼結構的重要內(nèi)容，在結構設計分析之前，應該對節(jié)點的基本形式進行充分確定.在設計過程中通常會遇到設計節(jié)點與結構分析模型中使用的節(jié)點形式不一致的現(xiàn)象，在設計過程中要予以避免.根據(jù)按傳力特性的不同，輕鋼體系的節(jié)點包括剛接，鉸接以及半剛接三種形式.對于初設計者，可以選擇前兩種方式進行定量分析，并參考相應的節(jié)點設計方法與計算公式.由于連接形式的不同對結構的整體效果影響較大，例如部分剛節(jié)點雖然承受彎矩，但是其在受力過程中會出現(xiàn)較大的轉動，不能滿足節(jié)點的使用需求.

在具體的設計過程中，主要的設計內(nèi)容包括如下幾個方面:

(1)焊接，對焊接過程中的焊縫尺寸、形式等都有具體的規(guī)范要求.而且焊條的選擇也應該與被焊接謹慎材質(zhì)相適應.通常，E43可以用來焊接Q235，E50可以焊接Q345.而在將Q235與Q345焊接時，應該選擇強度較低的E43.

另外，焊接設計過程中不能隨意增加焊縫尺寸，且其重心應該盡量與被焊接的構件重心相連接.在具體的焊接過程中，可以參考相關的焊縫構造規(guī)范要求進行合理設計.

(2)栓接，鉚接形式在輕鋼體系結構設計過程中很少使用.其中，普通螺栓抗剪性能較差，一般可以用于次要結構的連接當中.而隨著鋼結構對整體強度要求的提高，高強螺栓得到了廣泛應用.一般包括8.8s、10.9s兩個基本等級.根據(jù)受力特點的不同，可以將之分為摩擦型與承壓型兩個基本類型.其中，超大規(guī)格的螺栓由于性能不夠穩(wěn)定，在設計使用過程中應當謹慎選擇，可以根據(jù)表1、表2中的相關規(guī)定進行設計.

表1 高強度螺栓的預拉力 單位:KN

表2 開孔規(guī)定及相關要求 單位:mm

(3)節(jié)點設計應該考慮現(xiàn)場焊接、螺栓安裝過程中的施工空間以及各種鋼構件的吊裝順序等.設計過程中出現(xiàn)的構件運到現(xiàn)場之后不能合理安裝時初設計者存在的主要問題.另外，在設計過程中還應該盡量保證安裝現(xiàn)場能夠方便的進行臨時定位于固定.

(4)建筑結構節(jié)點的抗震設計.根據(jù)鋼結構節(jié)點的設計類型不同，其主要包括梁-柱節(jié)點、梁-梁節(jié)點、柱-柱節(jié)點、柱腳節(jié)點、柱帽節(jié)點幾種基本形式.設計過程中應該盡量通過簡單、穩(wěn)定的工藝保證節(jié)點的安全可靠，盡量減少現(xiàn)場進行焊縫連接.由建筑的結構布置分析，在充分考慮建筑的工廠實際情況的基礎上，設計過程中對于高層鋼結構柱，一般采用焊接工字形、箱形截面.因為焊接的工字形截面腹板相對較薄，所以在弱軸方向與粱相連接的過程中一般采用鉸接的方式進行連接，而強軸方向的連接則采用剛接的形式.這主要是因為鉸節(jié)點施工方便，解雇簡單，但是其使得梁跨中彎矩增加，使得鋼材消耗量增加，經(jīng)濟性較低;而剛性節(jié)點雖然構造較為復雜，但是其使得跨中彎矩降低，減少了鋼材消耗量，具有較好的經(jīng)濟性;半剛設計由于受力特性較為復雜，需要通過具體的試驗來獲得相關設計數(shù)據(jù)，因此其應用較少.這些因素在結構節(jié)點的抗震設計過程中都應該予以考慮.

表3 某住宅小區(qū)不同結構方案經(jīng)濟性比較

表3為某住宅小區(qū)工程建設之前設計的兩套不同的建設方案，后來在方案確定過程中通過對比分析，得到了兩套方案的經(jīng)濟性對比，兩者的綜合造價比為1∶1.08最后擬定選擇輕型鋼結構體系進行設計.

4 結束語

在結構有限元分析設計技術的不斷發(fā)展的背景下，充分利用商用有限元軟件對鋼結構體系進行合理分析設計是輕鋼結構體系設計的一個趨勢，尤其對于缺乏設計經(jīng)驗的初級設計人員而言，有限元設計方式是其克服經(jīng)驗不足的主要手段.

［1］ 肖志剛，孫偉.對新型輕鋼結構體系的研究［J］.城市建設理論研究，2012(15):42-47.

［2］ 劉曉，王洪星.試論輕鋼結構的建筑體系［J］.黑龍江科技信息，2011(30):307.

［3］ 李必哲，王斌斌，吳杰.輕鋼住宅應用與發(fā)展［J］.鋼結構，2002(z1):303-309.

［4］ 張?zhí)旎?輕鋼結構建筑［J］.包鋼科技，2006(02):71-73.