轻钢结构技术（共10篇）
轻钢结构技术 篇1
钢结构住宅以其强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、工厂化程度高、绿色环保等一系列优点,受到越来越多的关注。尤其是近年来相关领域研究的深入开展,各类钢结构住宅在我国的应用取得了很大进展,但距离住宅的商品化、产业化要求还有差距。而欧美等国钢结构住宅的科研和工程应用起步较早,工业化水平已很高,如芬兰传统的别墅住宅近年来多采用轻钢龙骨框架结构体系,并已达到很高的工业化程度[1]。近年来,“无比”轻钢龙骨体系(WEB Light-Gauge Steel Joist Structure)[2]已引进中国,在青岛、安徽等地成功用于低层住宅和办公楼,但这种结构在多层住宅中如何施工进而实现产业化和工厂化还无相应规范,本文拟以某多层住宅楼施工工艺为例,为“无比”轻钢龙骨结构体系多层住宅的规范化施工提供示范作用。
1 材料及技术准备
制造新型轻钢龙骨构件的钢材材质:用于该建筑承重结构的冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢和钢板,采用GB/T 1700—1988《碳素结构钢》规定的Q235和GB/T 1591—1994《低合金高强度结构钢》规定的Q345钢材,承重结构的冷弯薄壁型钢的钢带或钢板的镀锌标准符合GB/T 2518—2004《连续热镀锌薄钢板和钢带》的规定;新型轻钢龙骨建筑所使用的连接件包括自攻螺钉、射钉、抽芯铆钉、普通螺栓和地脚螺栓等。在开始钢框架组装前,准备好切割与开孔机具、弯曲工具及紧固工具等合适的机具。
工艺按GB 50205—2001《钢结构工程施工及验收规范》、JGJ 81—2002《建筑钢结构焊接规程》及施工图编制,控制钢结构工程施工、制作工艺方法、加工安装设备和工艺装备,对构造复杂、要求精度高的结构进行必要的工艺试验。
2 住宅体系的制作安装
2.1 轻钢结构的现场制作
轻钢龙骨结构体系中所用的龙骨由镀锌冷弯高频焊接的轻型薄壁中空方管(矩型管)和三角形专用连接件构成,连接件沿钢管长度方向每隔一段距离连续布置。
梁(桁架梁)与单片钢桁架的结构相似,由2根中空矩形钢管与连续的专用连接件构成,即连接件沿钢管长度方向每隔一段距离连续布置(见图1)。桁架梁钢管的截面尺寸有40 mm×40 mm、40 mm×60 mm、40 mm×80 mm 3种,梁高为240～360 mm。
墙体由小型桥架(钢桁架)用自攻螺钉与导轨连接,钢桁架沿导轨长度方向每隔一段距离连续布置。该结构建筑墙体根据其位置可分外墙、内墙2大类;根据其是否承受外载,又可分承重墙和非承重墙2类。该结构建筑外墙做法为墙骨架加结构板材,填充隔热材料,内墙为墙骨架加石膏板或硅胶板;承重墙的外侧覆有结构板材和支撑,非承重墙外侧一般不需设置支撑。
楼板形式采用压型钢板———现浇钢筋混凝土组合楼板。通过栓钉将压型钢板固定在钢梁上,作为永久性模板,同时考虑压型钢板参与部分楼板受力。现浇混凝土层采用轻骨料混凝土,厚度为50～80 mm。
2.2 轻钢住宅现场安装
轻钢结构住宅安装方式有2种,一种是完全现场安装;另一种是部分工厂组装及部分现场安装。
(1)基础施工。对于多层住宅而言,基础形式一般为钢筋混凝土条形基础,采用地脚螺栓与轻钢骨架连接,地脚螺栓的直径不宜小于12 mm,螺杆下部带弯钩,螺杆在混凝土基础中埋置深度不得小于38 mm,在基础中平直部分的长度不得小于20mm。基础工程完成以后,在基础和钢结构的沿地龙骨之间先做好隔潮垫层,即先用2 mm的珍珠棉,然后铺设18 mm厚的OSB板或其它木质衬垫,以缓冲钢构件与混凝土的硬接触[3]。
(2)轻钢框架的安装。墙体骨架内的所有承重立柱,包括主要立柱和支撑立柱都应安装在龙骨体系内,立柱顶端与沿天、沿地龙骨腹板之间的最大间隙不能超过0.3 mm,立柱间距一般以400 mm为宜,立柱和轨骨之间用不短于14 mm的自攻螺丝连接。墙体转角处及门侧边一般需用龙骨做1个与墙体等宽的暗柱,墙体在直线长度大于20 m时,每10 m用100 mm宽、厚度不小于0.9 mm镀锌铁皮加大剪刀撑,剪刀撑处要设加劲地脚螺栓。龙骨骨架拼装可以在平面安装好后再安装就位,也可以直接立体拼装。墙体完成后的垂直度允许偏差3 mm,平整度允许偏差3 mm,轴线位移小于2 mm。连梁一般以6～8 m的固定长度运至现场,并在现场根据需要截断。这种体系对每幢住宅都需要详尽的设计,以便龙骨按正确的尺寸下料并就位。框架拼装好后,安装防风板、隔热层、隔潮层以及内层墙板。
在低层新型轻钢龙骨结构建筑中,在洞口处过梁的两端各设1片柱就能使方柱满足承载力的要求。通过计算发现,在多层建筑中,上述的做法若不能满足要求,可采取以下方法(见图2、图3)提高过梁处片柱的承载力。
(3)楼板和屋盖的安装。楼板安装方式为:楼面梁垂直搁置在下面的柱上,最大偏差不超过20 mm。在水平向龙骨全部铺设完毕后,开始在龙骨上铺设压型钢板,其铺设方向为垂直于楼面龙骨或次梁,短向相互间采用搭接,长向保证接头位置在梁或墙上。钢板铺设完毕后,用自攻螺丝与龙骨或梁固定,螺丝间距不大于600 mm,栓钉应与墙或梁结合牢固。在压型钢板上现浇轻质混凝土,浇注厚度一般为从最凹处起50～80mm。在楼面混凝土施工时,应同时预埋下层墙体所需的预埋螺栓和加劲螺栓。
在新型轻钢龙骨结构体系中,屋盖系统由屋架、结构面板、防水层、轻型屋面瓦(金属瓦或沥青瓦)组成[4]。屋面施工仍采用轻钢龙骨做屋架,屋架形式与木结构屋架的形式基本相同,由于其结构较轻,龙骨之间的连接较简单,操作更加方便,可按设计要求做成各种形式。屋面坡度一般采用1∶3或1∶4,屋架的间距以40 mm为宜。屋架上每隔60 mm横铺1条檩条,然后铺设屋面板。屋面板铺设之前,最好先铺设1层成品铝箔纸,用于阻挡紫外线并起到隔热作用,铝箔纸相互之间用铝箔胶带纸粘贴。檩条与屋架之间直接用螺丝固定,屋面板和檩条间通过压固件用螺丝固定,屋面板间相互叠压,屋脊和分水脊处用“人”形脊瓦。屋架或屋面梁应垂直支撑在下面的柱上,最小搁置长度为40 mm,屋架构件与柱形心的偏差小于20 mm。
3 结语
轻钢结构商品住宅在我国还处在发展阶段,设计和施工中还有许多问题需要进一步研究和完善。而新型轻钢龙骨结构建筑比一般的钢结构建筑在施工方面又具有特殊的优势:(1)新型轻钢龙骨建筑很高的强度与质量性能比,基础处理形式简单;(2)新型轻钢龙骨结构建筑的构件全部工厂预制,提高了施工速度,相比传统建筑,建房时间可缩短3/4。
住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路,与国外先进水平相比,我国轻钢结构在设计、施工技术上还存在着相当大的差距。随着对轻钢结构研究的深入和经验的积累,轻钢结构住宅在我国必将具有更为广阔的发展和应用前景。
摘要：多层轻钢结构住宅是一种全新的住宅结构形式,目前国内还没有成熟的相关技术资料。针对“无比”钢结构的这种特殊性,从材料及技术准备、住宅体系的制作安装等方面介绍了该种结构多层住宅的施工技术,为类似工程的研究提供参考。
关键词：轻钢结构,多层住宅,施工
参考文献
[1]赵欣.芬兰和英国的产业化钢结构住宅[J].建筑钢结构进展,2003,5(4):29-36.
[2]李登满.冷弯薄壁型无比钢建筑体系[J].建设科技,2005(18):46-47.
[3]陆国威,陈坚.新型轻钢龙骨结构多层住宅的施工技术研究[J].国外建材科技,2005,26(6):47-49.
[4]丁成章.低层轻钢骨架住宅设计(工程计算)[M].北京:机械工业出版社,2003.
浅议轻钢结构在建筑中的应用技术 篇2
【关键词】轻钢结构；建筑；加固
轻钢结构具有强度高、自重轻、施工快、周期短等优点，多用于厂房、仓库。它与传统的砖石结构、砖木结构相比，更具灵活性。轻钢结构建筑的主要材料是钢结构框架辅以彩色金属压型钢板，其以简捷明快的特点得到社会各界认可。随着高效建筑钢材的开发和建筑技术的进步，轻钢结构建筑继大跨度钢结构建筑和高层钢结构建筑之后，已成为在我国发展最迅速的新型钢结构建筑体系。
1.钢结构的特点及应用现状
1.1轻钢结构的特点
1.1.1节能环保
轻钢结构的住宅彻底抛弃了传统的“秦砖汉瓦”，而且墙体所采用的材料均可回收再利用，另外因其粉尘污染少、施工取土量少、废钢的回收价值高、拆除结构产生的固体垃圾较少，有着极高的环保意义。
1.1.2节约钢材
由于大量采用薄壁构建，能够有效的节约钢材，自重小。通常，在外荷载、跨度相同的情况下，轻钢结构采用了“弹塑性理论，充分发挥了钢材潜能，较传统钢结构节省钢材15%～30%。
1.1.3综合经济效益好
由于轻钢结构的施工周期短，因而可以提前投入使用，提前获取投资效益。若采用彩色压型钢板，还可改善周边环境的动态感；建筑物本身的自重轻，可以节省投资，耐久性也较好。根据我国目前的市场价格，轻钢结构的造价已低于钢筋混凝土结构，厂房的跨度越大，则其优势更为明显。
1.1.4节约工期
轻钢结构建筑的构建通常由工厂制造、工地拼装，运输、安装方便，施工周期短。制造工业化、构件加工精度高，结构自重轻，安装不需大型安装机械，施工周期短，加速了资金周转，综合经济效益好。
1.1.5工业化生产，安装更方便
构件标准定型，全部在专门的工厂里加工制作，质量容易保证，成本和材料消耗也可以降低。由于结构均在工厂利用机械加工制作，全部构件运到现场后，采用螺栓、自攻螺丝等连接，现场焊接工作量少，无湿作业，不需支模，需要养护期，冬季讯息工期不受影响。
1.1.6自身重量轻，韧性较好，利于抗震
比普通的工字钢、槽钢、角钢截面受力合理，截面利用系数高，单位重量轻，可节省钢材20%～50%。另外钢结构具有塑性韧性好、变形能力强、抗震性能优越的特点。作为面向新世纪的建筑减灾技术，在轻钢结构住宅建筑体系中，应充分采用[1]。
1.1.7布局灵活，净使用面积大
轻钢结构住宅柱距、开间大，所有墙体均为非承重墙，可根据用户要求随意分隔和布置，保温、隔热性能也好；在垂直方向可方便地布置跃层和错层体系，建筑造型可丰富多彩，也可简洁明快，深受住户欢迎。
1.2钢结构的应用现状
20世纪80年代引进的新型轻钢结构建筑包括世界上很多著名厂家的各种工、农业、商业和民用建筑。这些引进的轻钢建筑都能迅速投入使用，与采用传统的砌体—混凝土结构建筑相比，使用效果好，综合技术经济效益高，深受用户的欢迎，发挥了样板建筑的作用，为我国轻钢结构建筑的发展提供了丰富的经验和技术，推动了我国轻钢建筑材料和零配件的生产以及轻钢建筑设计和施工技术的发展。
国内主体结构的钢材仍以Q235和Q345等低强度钢为主，大截面的冷弯型钢市场供货较少，而国外主体结构的钢材多采用高强度钢，冷轧彩板、镀锌或镀铝锌钢板也采用高强钢材；钢结构的防腐目前国内通行做法是采用防锈漆，而且使用一定时期后要重新刷漆，结构围护工作量相当大 轻钢结构的防火处理一般都是在板件表面喷刷防火涂料或防火漆，这无疑会增加建设成本。在建筑构造处理、建筑配件选用等方面，目前国内多由各生产厂家自行处理，这使得工程质量往往难以保证[2]。
2.对轻钢结构应用于建筑中的几点建议
2.1轻钢结构的防腐
钢结构耐锈蚀性较差，钢结构产生锈蚀后，会使构件截面减小，降低承载能力，影响结构的使用寿命，特别是对轻型钢结构影响更大。为此，需采取措施防止钢结构腐蚀。非金属涂层保护是钢结构防腐最常用的一种方法。目前，我国涂料品种多、价格便宜、施工方便。钢结构除必须采取防锈措施外，尚应在构造上尽量避免出现难于检查、清刷和油漆之处，以及能积留湿气和大量灰尘的死角或凹槽。这些构造措施虽没有直接防锈的作用，但它给钢结构造成了一个良好的环境，可减缓钢结构的锈蚀速度，对钢结构的防锈也起到了积极的作用。在从事钢结构的设计时，不容忽视。
2.2轻钢结构的防火
火场温度高于550℃，钢梁、钢柱会长时间处于高温火灾环境中，失去承载力，结构极易倒塌。另外，外墙、屋面采用可燃、易燃材料，极易引起火灾。因此，必须对轻钢结构建筑进行防火处理。首先，增设自动喷淋灭火系统，喷淋系统的设置和安装符合国内规范要求。其次，对钢梁、钢柱进行有效防火保护，可在轻钢结构建筑的主要承重构件上喷涂厚型防火涂料或用防火板材包裹。第三，提高外墙、屋面材料的耐火极限，采用新型的防火材料作外墙、分隔墙、屋面板等。最后，进行可持续的消防安全管理，加强对安全出口和疏散通道的管理，确保其畅通；经常组织灭火演练[3]。
3.对轻钢结构的应用展望
走标准化与产业化道路。我国的轻钢结构进展比较缓慢，轻钢结构在住宅建筑上应用基本上还是空白。它在住宅建筑推广应用难的关键问题在于标准化和产业化上。目前我国在轻钢结构住宅建筑上还没有一套规范化的标准，各个钢结构制造企业都各自按照自己的单一标准，因而形不成产业化，成为阻碍轻钢结构在住宅建筑中推廣应用的一个最大障碍。在国外，轻钢结构的低层别墅已成为一种定制的产品，实现了工厂化大生产，形成一种建筑体系。所以，真正实现了住宅建筑的技术集约化、产业化。我国也应当借鉴国外的先进方法，走出一条适合我国国情的钢结构住宅发展的道路，尽快出台钢结构住宅的产业化导则[4]。
在建筑钢结构产业2010年发展规划中也指出“研究钢结构在各类建筑中应用的新体系，扩大应用范围，多层钢结构建筑有大发展”。随着钢结构在住宅产业中的应用和推广，轻钢结构多层住宅这种新的建筑型式最终会以其综合效益和优良的性能赢得人们的欢迎。
总之，轻钢结构自重轻、抗震性能好、施工工期短、施工占地少等特点得到了社会越来越多的关注。虽然国内的轻钢结构的发展仍存在一定的不足，但相信随着轻钢结构建筑的不断发展，必将有更大、更广阔的应用前景。因此应以战略的眼光、时代的紧迫感和历史责任感努力促进轻钢结构的发展，造福于社会，造福于人民。■
【参考文献】
［１］王元清,石永久,陈宏,张勇,李少甫.现代轻钢结构建筑及其在我国的应用[J].建筑结构学报,2002,(01).
［２］杨志勇,郑冰心,范么清.我国轻钢结构的发展现状[J].国外建材科技,2006,(03).
［３］张晓晨.轻钢结构在住宅建筑中的应用及发展[J].四川建筑,2007,(03).
轻钢结构技术 篇3
截至今日, 针对各种建筑类型, 北新集成房屋已拥有了自主知识产权和核心专长, 房屋全部实现工业化生产, 并配以完善的供应链管理系统及专业的物流、安装服务体系, 为客户提供全方位的房屋解决方案。
值得一提的是, 北新集成房屋已研发出的三类建筑体系是一个开放体系, 它不仅自成体系, 而且与传统的砖混结构、钢筋混凝土结构以及木结构体系能够很好的融合应用, 以满足各类市场及客户的需求。
社会住宅和别墅
该类型的房屋是由轻钢密肋柱及复合围护构成, 各项建筑物理性能卓越, 是高效节能型绿色建筑体系, 采用发达国家普遍应用的建筑技术, 处于国际先进水平。它能满足单体5000平方米以下的房屋建设。
体系特点:
生态环保:该体系符合可持续发展理念的生态化建筑体系, 其中使用的所有建筑材料均通过ISO14001环境管理体系认证, 确保对人体无害, 对环境无污染。所有构件采用工厂制作, 现场拼装, 实现了构件工厂与现场装配产业化施工。施工现场为无湿作业, 噪声、粉尘与垃圾少, 工程施工受气候影响小;在施工过程中不使用粘土砖, 房屋结构可拆卸和回收, 符合国家土地资源、环保政策和可持续发展的战略, 同时符合新型工业化方针政策, 为节能省地型建筑。
抗风抗震:结构自重轻, 可大幅减少工程的基础造价, 尤其适用于地质条件差的地区;该种结构的地震反应小, 用于结构抗震措施的费用少, 适用于地震多发地区;房屋建设所用的型材制作、运输、安装和维护方便, 从而降低了人工和机械费用。工程施工时, 结构构件全部以螺栓连接, 极大的提高了房屋的抗震性能, 能够满足各种抗震设防需求。
经久耐用:结构件均经过特殊防腐处理, 采用新型轻质维护材料, 如热镀锌, 不燃, 不霉变, 不虫蛀, 因此可以保护钢材防止锈蚀, 延长钢材的使用寿命。
灵活适用:该体系房屋可建在不同气候与地区, 适用于 (寒带——热带) 各类气候带。
不同地理条件:该结构体系适用于平地、坡地及各种地质土壤条件, 如沙土、软土、岩石等, 可大幅减少基础造价。
建筑形态丰富:该结构体系能满足形式多样的建筑空间要求, 如大开间、挑空、退层、错层、下沉、屋顶坡高等要求, 套内使用面积高出砖砌体系约1 1%。
保温隔热:房屋先进的围护保温方式, 满足我国最新建筑的节能标准, 杜绝了冷热桥现象, 使建筑远离潮湿变形, 霉变, 锈蚀等伤害。在房屋设计时结合了具体户型进行建筑耗热量的计算, 保证建筑耗热量符合节能要求。
透气防潮:复合围护构造内专设单向透气层, 使墙体及屋面具有了“呼吸”功能。
隔声减震:采用完善的隔声、减震技术, 满足了国家建筑隔声标准, 特别是在人耳最敏感的250-1000Hz的音频内;采用特殊材料对墙面着重进行专业性的加强处理, 缔造安静舒适的生活环境。
公共建筑——医院、学校、办公楼等
该体系在独立基础上采用轻钢框架与填充轻钢剪力墙结合, 建筑抵抗地震横波破坏性能得到了极大提高, 适用于六层以下的公共设施建设。
体系特点:具有优良的建筑性能, 拥有以下突出的优势。
大跨度空间:可运用于大跨度空间结构房屋, 从而灵活地满足了客户在结构上不同的房屋结构需求。
提升抗剪切力:轻钢填充墙架及内外壁、屋盖由六层构造构成, 在满足了多项建筑物理性能的同时, 抗剪切力得到大大提高。
加工密度高:所有构件及部品、材料均为工厂定尺生产, 加工密度高, 密实性好, 节省材料。
建造速度快:运用轻钢框剪体系, 建设上万平米的公共建筑, 工期仅三个月, 比传统建设工期节约二分之三。
装修装饰特点
北新集成房屋都能为客户提供专业的不同档次风格类型的内装修服务。公司对装修材料的选择标准尤为严格, 由供应链小组专门负责为客户对材料采购和运输成本进行把关。在进行房屋内装环节时, 公司可为客户高效率和高素质的装饰施工团队, 保证装修的质量。
“会呼吸”的墙体
体系特点示意图
北新集成房屋的隔热保温原理
轻钢住宅结构体系的动力特性研究 篇4
关键词：轻钢住宅；框架结构；框架-支撑结构；框架-核心筒结构；动力特性
中图分类号：TU392.5文献标识码：A文章编号：1672-1098(2012)01-0029-06
收稿日期：2011-11-26
作者简介：刘菁华(1987-)，女，江苏南通人，在读硕士，研究方向：轻钢结构抗震性能研究。
轻钢结构一般指承受相对较小的外加荷载，采用较小的构件截面尺寸，结构自重较轻的钢结构。它是以经济型材构件，包括冷弯薄壁型钢、热轧或焊接H型钢、T型钢、焊接或无缝钢管及其组合构件作为结构的承重骨架，以压型钢板及其组合板材、PC板、ALC板及稻草板等质量轻、保温防火隔热性能好、防水效果佳的轻质材料作为围护结构的一种新型建筑结构体系［1］。
相对于传统建筑，轻钢结构具有安全可靠、节能环保、建筑表现力强、经济适用等优势，有广阔的市场前景。轻钢住宅的结构体系主要有：纯钢框架体系，钢框架-支撑体系，钢框架-剪力墙体系，交错桁架体系，钢框架-核心筒体系等［2］。目前，轻钢框架结构多用于低层，对它在静力荷载下的受力和变形性能以及抗震性能已有了一定的研究［3-6］。据统计，多层住宅占城镇住宅总数的80％，随着城市用地的紧张，小高层住宅在市场中占的比重也越来越大，所以对多层和小高层轻钢住宅动力特性的研究具有重要的理论和现实意义。本文运用有限元软件ANSYS分别对多层(6层)和小高层(10层)的纯框架结构、框架-支撑结构和框架-核心筒结构的动力性能进行比较分析，为今后轻钢住宅的结构设计提供了参考。
1 计算模型
根据文献［7］的评定方法，在AAA级住宅套型(三室两厅两卫)的基础上稍作修改，使模型更规则，更利于梁柱的布置(见图1)。轴线长23m，宽10.2m，结构层高2.8m，楼面恒载取3.5kN/m2，楼面活载取2.0kN/m2，屋面恒、活载取0.5kN/m2，现浇钢筋混凝土楼板，墙体为ALC板。基本风压取0.45kN/m2，地面粗糙程度为B类，8度近震，Ⅲ类场地，设计地震分组为第一组，结构在多遇地震下的阻尼比取3.5%，罕遇地震下的阻尼比取5%。梁柱刚接，框架柱和基础刚接。框架柱采用方钢管，钢梁采用热轧H型钢。
图1 住宅结构平面图6层结构模型的梁、柱钢材型号为Q235，随着楼层的增加，竖向荷载增大，梁、柱构件的截面和强度都需加大，所以10层结构模型的梁、柱构件需使用Q345号钢材。6层和10层纯框架体系、框架-支撑体系、框架-混凝土筒体体系。
3 计算方法和计算结果比较
在建模过程中，模型的梁、柱采用Beam188单元，楼板采用Shell63单元，支撑采用Link10单元，框架-支撑结构分别在山墙、分户墙和楼梯间处布置交叉支撑，6层框架-核心筒结构的筒体布置在楼梯间处。小高层住宅需要增设电梯，所以10层框架-核心筒结构的筒体布置在楼梯间和电梯井处。建模完成后，运用ANSYS有限元软件对结构分别进行模态分析、反应谱分析和时程分析。
3.1 模态分析
模态分析用来确定结构的固有频率和振型，本文所用的模态方法为子空间迭代法，即假设结构一定数目的特征向量N，通过迭代修正求出结构的近似前N阶向量，这个N维空间就是结构真实空间的子空间。将ANSYS模态分析算得的三种结构的自振频率换算成自振周期。
10层轻钢结构的自振周期明显大于6层轻钢结构，纯框架结构的整体刚度小，自振周期偏长， 框架-核心筒结构的整体刚度最大，自振周期最短，而框架-支撑结构的自振周期位于两者之间。 由于纯框架结构的横向刚度较低，整个结构没有形成较好的抗扭能力， 所以扭转出现在第二振型。 框架-支撑结构在横向布置的支撑较多，结构的横向刚度和抗扭刚度较框架结构都有了提高， 所以扭转退到了第三振型。 10层框架-核心筒结构的扭转出现在第二振型， 这与筒体布置的位置有关， 因此在设计上还需改进。 总的来说，模态分析可以初步判断模型建立的准确性和有效性，也可以清楚地观察出三种结构的基本振型状况。
3.2 反应谱分析
在模态分析的基础上接着进行谱分析， 它是一种将模态分析结果与一个已知的谱联系起来，然后计算模型的位移和应力的分析方法［8］。本文采用SPRS法进行谱分析，即对基底各节点分别沿X、Y、Z方向输入地震加速度反应谱曲线来计算结构的地震响应。
将模态分析得到的结构自振周期T带入式（1）计算地震响应系数值，并得到地震加速度反应谱曲线（见图2），在结构的X、Y向输入地震加速度反应谱曲线，然后进行求解。通过谱分析得到结构沿X、Y向的最大层位移和层间位移角。
对6层结构进行反应谱分析得到，纯框架结构在地震作用下Y向的最大层间位移角为1/333，小于文献［9］规定的1/300，但富余不大；框架-支撑X向最大层间位移角1/521远远小于文献［9］规定的1/300；框架-核心筒结构是一种混合结构体系，它介于混凝土框架-核心筒结构和钢结构之间，所以它的层间侧移角限值不能简单地照搬有关规范对混凝土结构或者钢结构的规定，以剪力墙开裂为判别条件，混合结构在地震荷载下层间侧移角限值可以取1/500［10］，由表3看出，框筒结构的层间位移角远大于限值。对10层结构进行反应谱分析可知，纯框架结构在水平地震作用下Y向的最大层间位移角1/289大于文献［9］规定的1/300，说明纯框架结构不适用于小高层轻钢住宅，框架-支撑结构和框架-核心筒结构的层间位移角均满足文献［9］的要求。
根据反应谱分析得出的结构层间位移角值，绘出6层和10层计算模型X、Y向层间位移角随高度变化的曲线。
1. 纯框架结构；2. 框架-支撑结构； 3. 框架-核心筒结构
6层和10层轻钢结构在8度多遇地震下层间位移角随楼层的变化趋势基本相同。轻钢纯框架结构在X、Y向的最大层间位移角均发生在结构的底部，符合框架结构剪切型变形模式的情况，由于支撑的加入，框架-支撑结构的层间侧移角明显减小，且Y向的侧移角减少得更为厉害，所以对于Y向榀数较少的轻钢住宅，仅依靠钢框架来抵抗Y方向的侧移，效果不佳，为了满足设计的要求，可增设支撑、剪力墙等抗侧力的结构形式。框架-核心筒结构的层间侧移角最小，X向的最大层间侧移角只有框架结构的20％，Y向只有框架结构的7％，说明筒体大大提高了结构的抗侧刚度。
3.3 时程分析
时程分析法又称为直接动力法，该法是根据选定的结构恢复力特性曲线和地震波，输入结构体系的振动方程，用逐步积分的方法对振动方程直接积分，得出结构在地震过程中每一瞬间的位移、速度和加速度反应。它与反应谱法不同的是，反应谱法基于弹性假设，只能分析最大地震反应，而时程分析法综合考虑了地震动强度、谱特性和持时三个要素，并且它考虑结构的弹塑性特性，所以时程分析法又分为弹性和弹塑性时程分析。由于时间和篇幅的限值，只对结构X向进行8度罕遇地震下的弹塑性时程分析。地震波的选取是进行时程分析的关键，因为选取适合所建工程场地的抗震设防烈度的地震波可以使时程分析具有较强的针对性。所以这里选取具有代表性的El-Centro波，该波的时间间隔为0.01s，场地为Ⅲ类，特征周期为0.45s，加速度峰值为341.7Gal。选好地震波后，需要根据文献［9］的规定，对它的地震加速度持续时间和加速度幅值进行调整，其中持续时间的输入一般不小于结构基本周期的5~10倍，这里取El-Centro波的前10s，将原始的加速度幅值按式(2)进行调整，然后在计算中输入。
轻钢结构技术 篇5
关键词：轻钢结构,楼面,模盒,无支撑免拆模
0 引言
随着轻钢结构建筑越来越多的得到使用, 其施工速度快、节能环保等优势逐渐被人们认可, 国家建筑业“十二五”规划明确提出将加大钢结构在新建建筑中的比例。目前常见的钢结构楼板做法主要是钢制楼承板加钢筋砼, 固定楼承板麻烦, 还要绑扎钢筋、浇筑砼, 由于楼板自重大, 容易出现板中下挠等质量通病。我公司通过工程实践, 将一种模盒与轻型钢结构结合起来, 用于轻钢结构无梁楼面施工中, 通过现场应用与改进, 形成了一套成熟、高效的施工技术。
1 技术特点及适用范围
该技术综合应用了模盒与轻钢技术, 轻钢楼面梁全部做成暗梁, 施工完后看到的是一个无梁楼面, 隔墙不受结构限制, 建筑布局灵活。
施工用的主要材料轻钢主次梁、模盒均为工厂制作, 能做到标准化, 避免了常规轻钢楼承板楼面现场加工导致的钢构变形等质量通病的出现。
模盒采用工业废料与玻璃纤维加强预制而成, 用材符合国家循环经济及可持续发展的战略要求, 同时也解决了工业废料的污染问题, 产生了较大的社会效益。
用模盒做底模, 上覆5cm厚砼, 组成高性能复合楼板, 比常规轻钢楼面节省钢筋、砼和人工, 降低造价。应用本工法的楼面完工后, 天棚形状规则, 可直接进行装饰, 天棚无需再吊顶, 经济效益显著。
本技术主要适用于轻钢房屋楼面施工, 特别是大开间楼面, 砖混现浇结构也可参考使用。
2 工艺原理
根据楼面梁板设计承载力, 按力学性能等效代换, 将原设计轻钢主次梁高度及截面做出调整, 通过增加附在轻钢主次梁上的角钢桁架梁和模盒, 作为楼板的一部分来代替模板或钢楼承板, 再浇筑砼, 做到无支撑免拆模。
3 施工工艺流程及操作要点
3.1 施工工艺流程
方案优化设计→做排版图→施工准备→构件厂内制作→测量放定位线→安装桁架次梁→模盒安装、检查→水电预埋→砼浇筑→楼面及天棚装饰装修。
3.2 主要操作要点
3.2.1 方案优化设计
根据设计承载力等参数做替代方案。
第一步:在保证承载力等力学性能的前提下, 通过增加腹板、翼缘钢板厚度及减少腹板高度将轻钢主次梁高度调整到150mm, 若跨度较大且跨中无轻钢次梁, 则在跨中增加轻钢次梁一道, 保证短跨主次梁间距不大于5m。
第二步:沿长跨方向布置角钢桁架梁, 从主梁翼缘边开始, 每60cm一道, 角钢规格根据设计承载力计算, 角钢桁架梁下弦为2根角钢背对背, 梁高控制在200mm以内, 桁架梁上弦下表面到下弦下表面距离为150mm。角钢桁架梁上弦固定在主梁上侧翼缘板上, 下弦下表面与主梁下侧翼缘板下表面平齐。 (角钢桁架梁形状见图1)
第三步:将模盒安装在角钢桁架梁的下弦角钢上, 用来代替模板或钢楼承板, 做到无支撑, 模盒作为楼板的一部分, 不拆除, 达到无支撑免拆模的目的, 然后再浇筑5cm厚泵送砼或细石砼。 (板断面示意图见图2)
3.2.2 做排版图
从轻钢主梁翼缘边开始, 按60cm一档的模数做排版图, 理论计算出各角钢桁架梁定位尺寸角钢桁架梁数量为n+1个;在垂直角钢桁架梁方向按58cm一档模数计算好模盒定位尺寸。纵横两向若模数不是正好, 则计算好多余部分, 可直接用平板封堵, 也可对分到两侧轻钢主梁边, 再用平板封堵, (平板用模盒同样材料预制, 根据排版尺寸切割) 。
3.2.3 测量放线
1) 对已安装好的轻钢结构尺寸进行复核, 确定实际尺寸与排版图的误差是否在允许范围内;
2) 若误差在允许范围内, 则按排版图放桁架梁和模盒的定位线;
3) 若误差超出允许范围内, 则应对轻钢结构进行校正后, 再放桁架梁和模盒的定位线。
3.2.4 安装桁架梁
按照排版图安装桁架梁, 控制重点项有三项:
1) 桁架梁上弦与轻钢梁的固定, 防止桁架梁发生横向位移与倾斜扭曲;
2) 桁架梁下弦间距离, 防止下弦间距离不符合模盒尺寸;
3) 桁架梁下弦角钢下表面与天棚大面的偏差。
3.2.5 安装模盒
按照排版图安装模盒, 控制重点为:
1) 桁架梁下弦角钢平面与模盒边框是否完全结合, 防止出现结合不完全, 模盒受力不均, 出现模盒损坏现象;
2) 模盒安装完成后, 重点检查模盒是否有损坏现象, 防止出现因模盒损坏而发生质量问题。
3) 不合模数的多余部分用平板封堵后, 重点检查封堵是否严密。
3.2.6 水电预埋管线
按施工图施工, 预埋管线沿模盒上表面凹槽处布置, 重点控制开槽、开洞, 防止因此破坏模盒。可在接线盒处作记号, 等砼强度到后再从下方清理。
3.2.7 砼浇筑
砼采用泵送砼或细石砼, 浇筑按常规程序即可。重点控制项为:
1) 砼一定要浇筑密实, 原因是桁架梁与模盒结合部位砼厚度可达20cm, 且很窄 (见图2板断面示意图所示) , 砼不易浇到位, 浇筑时此部位要重点关注。
2) 桁架梁下表面在浇筑砼前要用胶带封严, 防止漏浆。
3) 砼养护要严格按标准养护程序做, 要严防出现开裂现象, 特别是模盒上方砼厚度较薄部位。
3.2.8 楼面及天棚装饰
装饰工程按图施工即可, 过程中重点控制项有两个:
1) 严禁在楼面开槽破坏楼面结构。
2) 增加自重较大的隔墙或在天棚增加较重的灯具等时, 尽量选取轻钢梁或桁架梁等下方有强力构件的地方, 防止破坏结构。
4 材料与设备
4.1 材料
替代方案增加的材料名称、规格及参考用量, 按100m2建筑面积的用量为:不等边角钢680m, Φ10~Φ16圆钢246m, 模盒84.5m2, 封堵平板4.7m2。
模盒是采用工业废料磷石膏及玻璃纤维增强后预制而成, 技术指标除了要符合尺寸标准外, 还必须满足设计承载力要求, 必要时可做承载力试验。其他材料如钢板、电焊条、水电材料及砼等材料按常规控制。
4.2 设备、工器具
主要设备为电焊机、经纬仪、水准仪、8T吊车、砼振捣器具等, 其他工器具如扳手、铁锤、木抹子、白线等辅材, 不再一一列举。
5 质量控制
5.1 材料进场验收
施工现场的主要材料、配件、辅助材料、工厂化构件等进场后要严格按规定验收及试验。特别是替代方案增加的钢材主要是角钢和圆钢, 要按规定进行试验。成品桁架梁尺寸形状符合设计要求。
5.2 桁架梁制作、安装
重点控制焊缝和桁架梁的校正, 焊缝要符合焊接规范要求, 桁架尺寸符合设计要求;桁架梁安装主要控制梁间距离 (控制在±5mm以内) 和梁下弦杆平整度, 防止出现模盒无法安装及安装后不稳定现象。
5.3 模盒安装
重点控制模盒与角钢衔接, 模盒要与角钢充分衔接, 防止结合不到位导致模盒受力不均损坏。
6 安全、环保措施
施工前严格按程序编制施工用电、钢构吊装等专项施工方案, 明确各步骤的安全保护措施, 并交底到位。
进入施工现场必须正确佩戴安全帽;高处作业必须系好安全带;搬运及吊装必须注意安全, 防止高处坠落。轻钢柱梁安装好后, 在安装桁架梁前一定要在下方挂安全网。
需要进行焊接作业时, 严格按规定注意防火、防触电。
严格按文明施工要求做到“工完、料尽、场地清”, 特别是施工带来的废料等, 如焊渣要按规定清理、回收。
在材料运输、堆放以及施工过程中应注意避免扬尘、遗撒、沾带等现象, 应采取遮盖、封闭、洒水、冲洗等必要措施。运输、施工所用车辆、机械的废气、噪声等应符合要求。
7 结语
无支撑免拆模体系与常规的钢构楼面相比, 既不使用模板, 也不用楼承板, 减少了钢筋和砼的用量, 模盒使用材料均为废旧物二次加工利用, 节能环保效益明显。有效地解决了钢结构的钢筋砼楼面使用模板工期长的问题, 以及钢筋砼楼承板楼面资源及能耗较高的问题, 具有明显的社会效益, 有效地降低了项目的成本, 在我公司施工的工程中, 我们进行了统计测算, 降低了成本约80元/m2。
参考文献
[1]中国工程建设标准化协会标准.CECS102:2002.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].北京:中国计划出版社.2002.
[2]中华人民共和国国家标准.GB50205-2001.钢结构工程施工质量及验收规范[S].北京:中国计划出版社.2002.
[3]中华人民共和国国家标准.GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社.2012.
北新轻钢结构房屋 篇6
北新房屋有限公司成立于2002年12月, 总投资4亿元人民币, 是中央企业中国建材集团 (世界500强第365位) 所属北新建材 (000786.SZ) 旗下轻钢结构房屋事业平台, 是中国最大的轻钢结构新型房屋公司, 拥有全球最先进的轻钢结构房屋技术, 是中国唯一拥有大规模建设能力和经验的新型房屋公司, 可在一年时间同时建设60万m2新型房屋。北新房屋致力于为城市别墅、旅游度假、学校医院、海外房屋、新农村建设、房屋改造等提供抗震减灾、节能环保的全套解决方案, 产品和服务已遍布全球多个国家和地区。
轻钢结构房屋体系代表了当今世界先进住宅房屋的主流趋势, 是对我国传统建筑方式的革命性突破, 与国家“四节一环保”的住宅产业政策相一致。公司于2002年底, 被建设部 (现住房和城乡建设部) 确定为中国住宅产业化基地。在建设部和各地主管部门的支持下, 北新房屋《薄板钢骨建筑体系技术规程》QBH-1-2003成功通过国家建设部审核, 也是中国迄今为止在薄板钢骨技术方面唯一获得国家建设部专家组认证的综合技术规程。同时, 北新房屋也是《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》JGJ 227-2011 (行业标准) 的主要参编单位, 各项技术指标远远超过行业标准。
二、产品体系介绍
北新房屋引进国际一流的产品设备系统, 结合中国国情开发适用性技术体系和房屋户型, 主要包括新型薄壁轻钢建筑体系、新型混合钢结构体系与新型钢结构体系三大技术体系, 依托中国建材自身新型节能环保建材产业优势, 在全国多个省市建造新型房屋样板基地, 全部实现工厂化生产的新型节能环保房屋。
1. 新型薄壁轻钢建筑体系
新型薄壁轻钢建筑体系是一个以结构技术为主, 兼顾建筑、内外装饰、保温隔音、水暖电气和建筑设备配套及生态学等方面的完整高效节能型绿色建筑体系, 体系采用0.8至3.3mm厚的镀锌钢板, 混轧成截面为C型和U型薄壁钢骨, 通过“工厂化”规模生产, 组合成墙板、楼板、屋架等构件, 在现场进行快速组装, 其生产和建造技术突破了我国传统建筑方式, 节能、环保、省地、结实耐用, 保温隔热、通风防潮、隔声减震、防火性能等级都优于传统砖混房屋, 能保证城乡居民房屋的舒适性和安全性。 (见图1)
新型薄壁轻钢建筑体系房屋不仅用钢量少, 兼具节地、节能、节水、节材、环保、防风、防震、防虫、防潮、防火、防腐、气候等多种优势, 使用寿命长达95年。
新型薄壁轻钢体系以轻钢结构为主体, 自重轻 (约为传统砖混结构的30%) , 可大幅减少基础造价, 各主要连接部分分别采用预埋不同的抗震连接件直接与地基紧密相连, 尤其适用于地质条件较差的地区, 地震反应小, 满足9度地震烈度设防要求 (约7～8级地震震级) , 可抵御12级台风, 屋面承雪量可达1000mm, 具有良好的抗震防风性能。
新型薄板轻钢新型房屋采用的结构钢龙骨为双面热镀锌钢带冷弯轧制而成, 镀锌量一般为180g/m2以上, 采用热镀锌螺栓, 镀锌层极大的自我修复功能可以保护钢材防止锈蚀, 同时围护材料不燃、不霉变、不虫蚀, 使用寿命可达70年以上。
新型薄壁轻钢房屋采用新型轻质维护材料, 设置通风间层, 形成会呼吸的墙体, 高品质材料的选择提高了房屋对水气、潮气的抵抗力, “呼吸性”材料保证了潮气一旦进入材料, 可以随着空气的流通而被带出。全球领先的“双保温”+“双隔层”墙体结构保温节能技术有效避免“冬天结露”、“夏天返潮”, 对流式外腔体隔层还能起到外墙防潮和室外隔热的作用;此外, 隔声减震效果达到5星级酒店标准, 可充分保证房屋的舒适性和安全性。
新型薄壁轻钢建筑体系的所有构件采用工厂预制的方式, 墙体、屋架在工厂内生产后移至现场吊装、拼接。一栋200m2的独立住宅, 5～7天即可完成主体结构的安装, 1个半月可完成整体粗装修, 极大缩短施工周期。
2. 新型混合钢结构体系
作为北新房屋特有产品, 其主体结构为钢框架, 采用薄壁轻钢作为其维护结构。该体系融合了各自的优势, 钢框架结构可以提供更大的使用空间, 增强了空间布置的灵活性。薄壁轻钢外维护体系, 则实现了干作业, 快速安装, 以及优越的保温隔热、防潮性能。同时, 两种结构的组合进一步提高了钢框架本身的抗震、防风性能。该产品多用于6层及6层以下民用建筑, 如公寓、酒店会所、办公室用楼、小城镇建设等。
3. 新型钢结构体系
新型钢结构体系是以钢结构为主体结构, 以金邦板为外饰面的复合保温墙体作为外围护体系。其整体刚性好、强度高、自重轻、变形能力强, 保温、隔热性能优越, 可抵抗12级台风;采用金邦板为外饰面, 色彩丰富, 款式多样, 现代时尚, 经久耐用。该体系适用于建造大跨度的库房及工业厂房等。面积约40000m2的密云厂房项目就是采用的新型钢结构体系。
三、住宅产业化实施情况
北新房屋在北京市密云县经济开发区占地300亩的北新国家住宅产业化基地建设了世界一流的轻钢房屋生产工厂, 依托北新建材覆盖全国内地和沿海地区的50多个产业基地, 拥有为全国及海外客户提供本地化生产、本地化服务、全球化物流供应的能力。公司拥有数套国际先进机器设备, 配合优化软件, 实现生产过程智能操作, “工厂化”规模生产, 产品质量稳定可靠, 精度高, 年产房屋约60万平方米。可提前在工厂完成墙板、楼板、屋架等构件的组装工作, 在施工现场进行快速吊装, 极大节省施工周期, 达到房屋质量可控、成本可控、工期可控与操作可控, 实现住宅产业化制造。
北新房屋以母公司北新建材拥有的墙体及吊顶系统、住宅部品及建筑节能系统和建筑外维护系统三大业务体系为强有力依托, 核心部品均为北新建材自行生产的龙牌系列产品, 此外, 完整的物流配套体系与专业的物流工作团队保证了北新房屋为社会提供高质量与高品质的新型房屋。公司以现代房屋制造业的标准化、精细化和定制化实现轻钢结构房屋规划、设计、制造、安装、售后服务于一体, 为客户提供房屋整体解决方案, 真正做到“像制造汽车一样制造房屋”。
北新房屋以发展“低碳、节能、环保”的绿色建筑为使命, 积极引领中国新型房屋的未来。一直以来, 公司立足于新型建筑材料、新型房屋结构的应用普及, 充分利用自身及北新建材的部品集成优势;结合快速安装、地理条件适应性强、综合成本较低等优点, 致力于向全球推广轻钢结构建筑, 在新农村建设、住宅别墅、酒店会所和海外住宅项目等领域都取得了一系列的骄人业绩。
1. 新农村建设
近几年来, 北新房屋紧跟国家政策, 积极运用绿色环保建筑体系与材料, 先后在北京门头沟、平谷、密云等地承建新农村住宅建设的项目, 充分让老百姓感受到新材料、新工艺、新技术带来的生活品质。
北新房屋有限公司与北京市密云县石城镇人民政府合作签订的石城镇石塘路整村改造项目在建中, 项目总建筑面积约8700m2, 拟建44栋双层房屋。该项目位于北京市密云县石城镇人民政府以北约300m, 密关路东侧, 采用北新房屋密云3#样板间双层单家独院式户型, 单栋建筑面积约为197平方米。户型平面布置紧凑, 采光通透, 布置合理, 为适应当地百姓生活习惯, 局部设计进行了调整, 在一层卧室设置节能环保的吊炕, 使百姓深刻体验与传统生活元素完美融合后的新型住宅带来的新生活。全新特色的节能房屋设计改建, 力求打造密云县石城镇石塘路新型民俗村。
该项目是北新房屋与石城镇政府立足于改善农民群众的居住环境响应了国家关于社会主义新农村建设号召的积极结果, 开拓了政企合作的新局面。作为国内首例大型新农村整村改造项目, 石城镇石塘路项目将成为今后城市新农村改造的标杆, 将为提高农村群众生活水平、加快农村建设步伐做出突出贡献, 有助于北京城镇经济实力的增强, 同时也标志着新型薄壁轻钢房屋全面走入“寻常百姓家”。
2. 高档住宅别墅
北新房屋具有国内一流、丰富的工业化房屋产品开发设计能力和经验, 能为客户提供优秀的选择方案, 高档住宅别墅设计风格别样丰富:厚重感十足、具有创意性的美式风格, 淡雅简约、追求以人为本的日式风格, 华贵大气、富有浪漫主义色彩的欧式风格, 庄重与优雅并重、古朴与现代糅合的中式风格, 可为住户营造不同的居住意境情怀, 确保产品的市场适应性和性价比优势, 同时具有经济型、标准型、豪华型的多种配置, 独栋、联排、双拼等各种建筑类型。例如北新房屋承建了美式风格的天津松江别墅项目, 建筑面积约6000m2, 日式风格面积达5000m2的大连樱花别墅项目, 约5000m2中式风格的武汉宝安山水龙城住宅项目等。
3. 低碳酒店会所
北新房屋具有多年的酒店会所承建经验, 累计建筑面积将近8万平方米, 新型建筑酒店会所在北京、河南、内蒙古等地处处开花。如今, 入住低碳环保酒店正在成为新的环保风尚, 2012年, 由北新房屋有限公司承建的内蒙古响沙湾莲花酒店正在引领低碳旅游时尚潮流, 成为低碳概念酒店的先驱实践者!
内蒙古响沙湾莲花酒店项目是北新房屋成立以来国内采用节能低碳技术建设单体规模最大的项目, 其总建筑面积约15900m2, 建筑造型前卫, 整体为一个莲花形状。该项目是国内唯一在沙漠中建造的四星级酒店, 其中部分设施遵循五星级酒店标准建设。
值得强调的是, 新型薄壁轻钢建筑体系的灵活适用的优势更是在沙漠项目中获得了充分的体现和肯定。该体系建筑对于施工条件、环境的要求较低, 广泛适用于平地、山地、坡地、海岛等复杂地势及多种地质土壤条件, 如沙土、软土、岩石等, 可大幅减少基础造价。
响沙湾沙漠莲花酒店是“中国首家低碳度假酒店”, 被人们称为“会呼吸的房子”, 这是人与自然达到高度和谐的绿色建筑, 不仅适合响沙湾发展的实际而且顺应了沙漠的建设特点, 同时也是北新房屋一次全新的跨越。
4. 海外项目
北新房屋充分利用自身及北新建材的部品集成优势, 结合快速简单安装、地理条件适应性强、综合成本较低等优点, 致力于向全球市场推广轻钢结构建筑。目前, 北新房屋经济型住宅已成功打入赞比亚、坦桑尼亚、尼日利亚等非洲、中东与亚太地区;同时, 轻钢结构别墅也稳定推向美国、俄罗斯、新西兰等欧美发达地区, 北新房屋产品和服务已遍布全球。
例如, 2011年北新房屋承建了赞比亚政府公共住宅项目, 当地政府计划在6个地块共计建设4527套住宅用于改善当地民居条件, 项目总建筑面积603962.57平方米, 分别分布在赞比亚首都卢萨卡的L85、Makeni、Opsd、Twinpalm地块、卡布维城镇的Chindwin地块和穆富利拉城镇的Tungap地块。经过近一年的谨慎细致的前期考察和多次商务洽谈, 北新房屋的新型薄壁轻钢建筑体系住宅以其工厂化生产制造的快捷特点、房屋优质特性以及公司强大的项目运行实力赢得了承建方及赞比亚政府的信赖, 合同金额达6.6亿元人民币。该项目是迄今为止北新房屋签约金额最大的项目, 在承办大型海外项目上具有里程碑意义, 成功地实现了北新房屋海外市场从孕育期走向成长期的跨越。
轻钢结构工业建筑设计 篇7
轻钢结构工业建筑是根据设备的要求与生产工艺选择经济、适用的跨度和柱距。在满足设备安装和生产工艺要求的前提下, 结合建筑造型的设计, 那些特定要求的工业建筑 (吊车吨位相同、跨度相同、所处环境相同及使用荷载相同、高度同等) 的总用钢量会随着柱距的增大而减少, 当达到一定程度后再增加。这说明, 该结构中存在一个最优柱距。其中, 主要原因是刚架的用钢量会随着柱距的增大而逐渐下降, 并随着柱距的增大降幅变得更加平缓, 次结构用钢比率却会随柱距的增大而上升。当柱距比较大时, 其用钢量就占了主要地位。结合近几年的经验, 一般来说, 经济柱距无吊车时为8~9 m, 有吊车时为6~8 m。当然, 最优柱距会受跨度、吊车、层高、使用荷载、所处环境不同以及蒙皮效应、空间协同作用等的影响而有所不同。
二、选择合适的建筑材料和设计好节点的构造
轻钢结构工业建筑的适用性、安全性、美观性、经济性受建筑材料的选择和节点构造的设计影响。
1. 适用
轻钢结构工业建筑的适用性是指在室内物理环境上满足职业卫生和生产人员的劳动安全的要求, 在空间上要满足生产工艺的需求。而在实际的工程中, 室内物理环境的质量常常有许多地方没有达到人们的基本要求, 人们在设计中往往比较重视空间设计。空间设计一般体现在声环境、热环境、光环境几个方面。
(1) 声环境
轻钢结构工业建筑室内噪声的来源可以分为三类:振动噪声、雨水撞击声及空气噪声。根据其噪音的来源不同, 采取的阻断方式也就不同。对于振动噪声, 一般采取的办法是采取阻断振源。除了在主体钢结构与振源间设隔振沟之外, 还对设备自身采取一定的减振措施, 使其提高隔断效果。雨水撞击声的阻断方式, 则是采用一定具有隔断声音措施的材料来达到降低噪音的目的。为了减少空气带来的噪声, 对轻钢结构建筑一般采用的是50厚的岩棉夹芯板。这种岩棉夹芯板可隔声降噪大约达到29 dB (A) 。
(2) 热环境
是指由太阳辐射、气温、周围物体表面温度、相对湿度与气流速度等物理因素组成的作用于人、影响人的冷热感和健康的环境。轻钢结构工业建筑主要是通过通风和保温隔热来控制室内热环境的。通风可以在靠屋脊的位置安装通风器, 保温隔热主要是通过采用特殊的隔热材料来满足要求的。
(3) 光环境
轻钢结构工业建筑对于室内的采光要求很高, 一方面可以节约室内照明, 一方面可以保证生产的安全。采光材料的选择应与采光要求和其他围护构件的耐久年限相适应, 采光材料一般为玻璃纤维聚酯 (FRP) 采光板和聚碳酸酯 (PC) 采光板。
2. 安全
轻钢结构工业建筑安全一般指的是防腐、防火、抗风、抗震、防爆及防雷等, 本文主要结合笔者自身的结构专业经验, 对轻钢结构工业建筑防火设计进行了简要的分析。
安全设计是轻钢结构工业建筑设计中一个比较重要的设计步骤, 工业建筑的火灾危险性是根据产品的性质特点、原料在整体中所占面积比例和生产工艺及其原料来确定的。此外, 建筑耐火等级的确定还需要结合工程规模来确定。在设计中为了节约工程造价, 其戊类厂 (库) 、多 (单) 层丁房采用轻钢结构时一般是可以不做防火保护的。对于那些需要做防火处理的钢构件, 则在建筑中一般采用的措施是刷薄涂型防火涂料。另外, 在建筑中所采用的防火涂料的各项性能指标都需要满足《钢结构防火涂料应用技术规范CECS24:90》中的要求。其施工技术也需要严格按照规范实施, 所有钢构构件的耐火极限都需要满足《建筑设计防火规范GBJ16-87》的要求。轻钢结构工业建筑 (除甲、乙类外) 一般规模都较大, 往往在厂房中附设仓库和办公用房, 并设有夹层。大多数为综合性厂房, 需分成多个防火分区。在设计和施工中, 钢结构构件的防火问题一般会得到重视。而建筑物中, 水平和垂直方向防火分隔构件的完整性往往会被忽视。
如工业建筑中常见的防火隔墙, 笔者在校对施工图纸和验收工程中看到过许多外墙屋盖与内隔墙间的空缝并没有采取有效的封堵措施的情况。封堵材料可采用钢板刷防火涂料或防火板, 耐火极限应根据该防火隔墙上的防火门窗的要求来确定, 构件间的缝隙应满嵌防火密封胶。
3. 经济
优化建筑方案的设计是控制轻钢结构工业建筑经济的最佳手段。其优化设计一般需要根据生产的特点和企业的要求实施, 这其中就包括项目的选址、规划总图位置、划分防火分区、选择建筑材料、确定建筑耐火等级和耐久年限、控制单体规模和设计建筑造型等方面。除了需要满足结构上多方案的比较、得出最优的柱距和断面之外, 还需要结合建筑美观、保温隔热等要求选择强度高的夹心板, 适当减少用钢量, 增大檩距。为了降低用钢量, 还需要配合建筑、电、水、工艺、暖通等专业的要求适当增加吊挂荷载 (尽可能均布) 。尽量采用定型的产品, 减少异型构件带来的造价增加。尽量考虑压型钢板等构件的模数尺寸, 减少材料损耗。对装饰性等方面要求低的建筑, 墙面板选用低波压型彩钢板, 屋面板选用低波压型镀锌板, 保温隔热材料可选用低容重的岩棉或玻璃棉, 底 (内) 衬材料可选用加筋铝箔。总之, 要根据业主和建筑功能要求, 在满足规范要求的前提下, 尽可能用经济、可靠的方案来构造材料。
4. 美观
轻钢结构工业建筑的特点是形体简洁、规格统一、体量较大、构建的类型较少, 因此轻钢结构应该根据其自身的特点, 尽可能的采用较少的构架。它对避雷针、点支玻璃雨棚、企业名称等可起到画龙点睛的作用;对外墙板, 如弧形彩钢板、大型氟碳涂层水平安装夹芯平板、高 (低) 波压型彩钢板、小型彩钢竖直安装平板等材质的变化、光影效果和线条对比也会形成韵律感。
三、结语
在轻钢结构工业建筑设计的过程中, 我们应严格按照和采用相关的设计标准。同时随着轻钢结构设计技术的日趋成熟, 设计师也要紧跟时代步伐, 坚持与时俱进。只有这样, 才能设计出结构合理、经济环保的轻钢结构工业建筑, 满足经济建设发展的要求。
参考文献
[1]GB50016-2006, 建筑设计防火规范[S].
[2]张国荣.钢结构建筑设计的构思及其稳定性问题分析[J].建材发展导向, 2011 (11) .
轻钢住宅的结构设计 篇8
关键词：轻钢住宅,结构设计,计算方法
轻钢住宅是一种新型建筑体系, 也是目前国内住宅研究和开发的方向。我国轻型钢结构经过20多年的发展历史, 虽然起步并不晚, 主要由于经济与技术的原因使得多层轻钢住宅的发展受到制约。它的设计方法, 结构体系, 结构特点, 常用经济指标不为设计者所熟悉, 因此轻钢住宅示范楼的设计与施工是推广这种新型体系的最好方式。结合某轻钢住宅示范楼介绍了它的结构体系, 布置特点, 计算方法等。
1 钢结构住宅的一般规定
1.1 钢结构, 有低层和多层之分。
低层一般不超过3层, 用于别墅;多层用于公寓。介绍多层公寓住宅钢结构设计中一些问题。
1.2 超过9层为高层。
10~12层又称小高层。抗震规范GB50011对12层以下和12层以上的房屋提出不同要求。住宅钢结构一般不宜超过12层。
1.3 结构抗震性能与结构布置规则性有很大关系。
结构布置不规则, 地震时易损坏, 而且除弹性设计外还要作弹塑性层间位移验算。因此应尽量使结构布置符合规则性要求。
1.4 住宅钢结构的平面布置应力求规则、对称。
住宅钢结构常见的布置不规则, 主要是平面不规则。如平面形状不规则, L形等, 特别是支撑剪力墙偏置, 明显不对称等。若楼层的最大弹性水平位移超过质心水平位移的1.2倍, 就属于平面不规则, 此时需对支撑剪力墙的配置进行调整。
2 结构体系选择
2.1 5~6层以下的, 可采用框架体系或框
架—支撑体系, 6层以上的可采用框架支撑体系或框架—混凝土剪力墙 (核心筒) 体系。多层房屋大多采用双重体系。
2.2 框架柱有H型钢柱, 钢管砼柱和钢骨砼柱, 后两种为组合柱。
在小高层中, 组合柱比H型钢柱省钢。
2.3 剪力墙比钢支撑的延性低, 在大震时延性
低的地震力大, 延性好的地震力小, 从抗大震的性能来说, 钢支撑比砼剪力墙好。
2.4 钢框架—砼剪力墙体系属混合结构, 对它
的抗震性能目前研究还不够, 未列入抗震规范, 虽然现在应用较多, 选用时应慎重。核心筒宜用小钢柱加强, 也有利于安装。
3 楼板要求
3.1 楼板除了承受竖向荷载并将它传给框架
外, 还将水平力传到各个柱上, 因此楼板平面内的刚度、整体性和承载力也很重要。作为建筑要求, 住宅楼板还应能隔音。
3.2 现在用得较多的是压型钢板组合楼板, 叠合板加现浇层, 现浇楼板等。
这几种楼板的整体性都很好。钢梁宜形成组合梁, 梁上要设置栓钉。
3.3 预制板中应设预埋件, 与钢梁焊接。
3.4 在强震区或重要建筑, 柱周边宜设置钢筋和箍筋, 以免楼板在水平力下被柱子压坏。
4 抗震计算的基本要求
4.1 对双重体系, 框架部分独立承担的水平力不应少于结构底部剪力的25%。其目的是检验框架作为抗震二道防线是否满足要求。检验方法是忽略支撑或剪力墙进行, 仅对框架部分进行验算。有的单元式住宅柱子很少, 用隔墙支撑钢梁, 往往不满足此项要求。
4.2 验算是否符合强柱弱梁, 这关系到结构倒塌机制, 很重要。
4.3 框架柱长细比应符合规定。
4.4 验算节点域的稳定性、强度和屈服条件。
5 节点和支撑构造要求
5.1 节点设计应符合抗震规范和《高钢规程》的要求。
5.2 柱通过小悬臂与梁拼接, 可以绕过梁柱直接连接的构造困难, 这是一个好办法。
此时梁拼接大多采用翼缘焊接腹板拼接, 也可采用全截面螺栓连接。在以上拼接中, 腹板拼接要考虑弯矩。
5.3 翼缘的坡口全熔透焊缝, 要求用一级焊缝以确保焊接质量。
有的标准规定压力容器才用一级焊缝。这是一种误解。压力容器很重要, 梁翼缘与柱连接同样很重要, 不能用二级。
5.4 梁与钢管砼柱的刚性连接, 现在用外加劲肋和内隔板的都有, 都是可以的。
但要注意钢管壁板与隔板或环板的厚度匹配。专业打造教育平台航母。
5.5 7层以上时, 框架—支撑体系中的框架梁柱应刚性连接。
5.6 支撑与钢管砼连接时, 不应将节点板焊在钢管管壁上, 以防管壁拉开。
5.7 不应在钢管支撑内灌砼, 对抗震不利。
5.8 12层以下可以不设地下室, 但此时柱脚
的计算反力要加大, 严格说来要做到承受大震时的反力而不破坏。6、7度区允许采用外包式柱脚, 但8度及以上时应采用埋入式柱脚。不允许用铰接柱脚。
6 工程实例
6.1 工程简介
某示范楼建筑面积4665m2, 5层纯钢框架结构, 长67m, 宽13.5m, 层高3m.焊接工字形梁, 纵横双向刚接H形柱。楼面活荷载为2.0k N/m2, 屋面活荷载0.3k N/m2, 轻型屋面恒荷载0.3k N/m2;基本风压0.25k N/m2;设计地震烈度为7度, Ⅱ类场地。屋面为冷弯薄壁C型檩条铺双层镀锌压型钢板夹100mm厚保温棉屋面系统, 外墙采用200mm厚陶粒混凝土空心砌体墙, 分户墙为180mm厚菱镁土板, 户内隔墙为90mm厚菱镁土板。条型基础, 柱与基础为刚接。
示范楼共有四个居住单元, 两种建筑平面布置形式, 建筑面积分别为143m2, 102m2。一单元为大两室两厅, 二、三、四单元为小两室两厅。一单元的大客厅使用了组合扁梁, 从而实现了梁与楼盖的一体化, 减少了结构层高。对于正常极限状态下的组合扁梁, 将钢和混凝土两种材料组成的组合梁截面换算成同一种材料的截面, 再按照弹性理论计算。为了楼板的放置, 扁梁的下翼缘一般较宽, 需验算施工时产生的偏心荷载。为了减少设计工作量, 通常把扭矩简化为已对大小相等、方向相反的力分别作用于扁梁的上下翼缘。
6.2 计算方法与基本要求
对于多层轻钢住宅, 尽管采用单向板, 但由于纵横向均有墙体荷载分布, 宜采用三维空间计算模型。本工程采用的是普通楼板, 不考虑楼盖对钢架梁刚度增大的作用, 忽略楼板的空间联系作用, 空间模型为纯框架结构。计算分析是采用有限元分析软件ANSYS完成。在结构计算中采用三维梁单元, 质量单元计算结构自振周期以及静力分析。
相对于工业建筑而言, 多层民用建筑的荷载工况简单明了。主要考虑以下三种工况:
工况一:1.2×恒载标准值+1.4×活荷载标准值
工况二:1.2×恒载标准值+0.85×1.4× (风荷载+活荷载) 标准值
工况三:1.2×重力代表值+1.3×水平地震作用标准值
对于多层轻钢住宅地震荷载计算, 由于楼层较低, 结构布置对称, 采用底部剪力法就可满足要求。
多层轻钢住宅侧向位移具体要求如下:
a.在风荷载作用下的顶点水平位移与总高度之比不宜大于1/500。b.层间相对位移与层高之比不宜大于1/400。c.在常遇地震作用下, 层间侧移不超过楼层高度1/250。
对于多层轻钢住宅, 还要满足刚架柱构件稳定性与钢框架的整体稳定性要求。
6.3 计算分析
由于活荷载与基本风压较小, 所以工况三为控制工况。计算设计时将两种方案进行了比较, 不改变刚架梁的截面形式, 只对刚架柱进行改动。方案一, 刚架柱为工字形;方案二, 刚架柱为箱形。
a.两种方案的刚架柱在强轴方向惯性矩相同, 即在横向结构的刚度相同, 因此横向主自振周期以及地震作用下横向最大层间位移基本一致。b.本工程长宽比5, 纵横双向刚接, 因此对于方案一, 当横向侧向刚度满足要求时, 纵向刚度也能达到要求。c.在满足规范要求的前提下, 方案一节约钢材用量, 单位面积用钢量减少约10%, 经济性好。因此, 在设计中选择了工字形刚架柱。但是由于轻钢体系刚架柱的腹板很薄, 为了防止局部失稳引起的结构失效, 刚架柱宜在纵向梁柱刚接处做成局部箱形柱。
轻钢结构技术 篇9
关键词：轻钢结构；雪荷载；可靠度；分项系数；荷载效应比值
中图分类号：TU391文献标志码：A文章编号：16744764（2012）03006505
Probability Analysis of Failure Cause for LightWeight
Steel Structure under Snow Disaster
JIANG Youbao
(College of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)
Abstract:In the current unified standard for reliability design, it lacks full considerations of the range of load effect ratio for reliability analysis of lightweight steel structures. Firstly, a computational method based on stress was proposed to calculate load effect ratio, which solves the problem that which kind of load effects can be chosen to calculate load effect ratio when the member fails with actions of several kinds of internal forces. Then, the range of load effect ratio was studied for lightweight steel structures after some analyses of several members with this method. It is found that the load effect ratio of lightweight steel structures can adopt large values under the disadvantage distributions of snow load. The reliability was also calculated for lightweight steel structures designed with current partial factors. Its result shows that the reliability of lightweight steel structure is low. Finally, the reliability was analyzed for lightweight steel structures with different load effect ratios when snow load exceeded the design standard level. It indicates that the reliability is low for lightweight steel structures with large load effect ratio. This provides some complementary explanations for the phenomena that the light steel structures are more likely to fail under snow disaster.
Key words:lightweight steel structure; snow load; reliability; partial factor; load effect ratio
轻钢结构具有自重轻、施工速度快、综合造价低等优点，在建筑结构领域已得到了较广泛应用［1］，针对该类结构的优化设计也有较多研究［23］。然而这种结构的抗超载性能较差，在大雪灾害中较容易破坏，如图1所示。
针对轻钢结构的这种不足，目前已有较多对该结构进行事故分析与反思的研究［45］，并提出了一些改进的措施来提升其抗超载性能，如加强支撑的布置、不宜过分优化设计等，这些改进措施在一定程度上能获得较好的效果。但需指出的是，由于目前对轻钢结构的可靠度分析并非详尽，使得如何把握优化设计的“度”存在一定困难，因此提升轻钢结构抗超载性能仍不够完善，需进一步研究。
针对多个轻钢结构典型实例分析了其荷载效应比值的特性，校核了轻钢结构的设计可靠度，在此基础上研究了不同荷载效应比值下轻钢结构的抗超载性能。〖=D(〗蒋友宝：雪灾下轻钢结构大面积破坏的概率成因〖=〗
nlc202309022119
图1雪灾下倒塌的轻钢结构
1轻钢结构荷载效应比值分析
关于轻钢结构中荷载效应比值的取值范围，现现行可靠度设计统一标准［6］考虑不够充分，为此本文作如下说明。
1.1基于应力的荷载效应比值计算模型
荷载效应比值ρS的计算式一般为式(1)，
ρS=SqK/SgK(1)
式中qK和gK分别表示雪荷载和永久恒载标准值，S表示某种形式的荷载效应。对于构件失效是由单一形式内力引发的情形，只需取该种形式的内力即可，如对于钢梁，S只需取为弯矩效应即可。但若构件的失效是由多种形式的内力引发的，此时显然不能取单一形式的内力来计算荷载效应比值。在设计钢结构时，一般采用应力来验算承载能力极限状态，因此采用应力来计算荷载效应比值将具有较好的适用性。这样可将式(1)变换为式(2)。
σS=σqK/σgK(2)
在轻钢结构中压弯构件占据较大的比重，如钢拱屋架等；且从受力角度看，轴压、受弯构件均只是它的一种特例，因而分析压弯构件的荷载效应比值将具有较好的代表性。在线弹性分析时，该类构件的弯矩和轴压力一般可表达如式(3)。
M=a1g+b1q
N=a2g+b2q (3)
其中a1、b1、a2和b2分别为对应的荷载效应系数。
压弯构件的破坏形式多表现为失稳，因而在截面设计时多以稳定验算来控制。由于稳定验算式较复杂，为简化分析，设有一稳定应力系数φσ，该系数表示当构件达到失稳状态时其某代表截面的强度应力恰为φσf，其中f为钢材强度。由于φσ一般主要与长细比、截面形式等参数有关，因而暂不考虑其与荷载的相关性。这样便可将稳定验算转化为强度应力验算，而强度应力的验算式为式(4)。
σ=NA+MW≤φσf(4)
将式(3)代入式(4)左边，有
σ=(a2A+a1W)g+(b2A+b1W)q(5)
由此得到以应力形式表达的荷载效应比值ρσ计算式为式(6)。
ρσ=λqK/gK(6)
式中λ按式(7)计算，
λ=(b2A+b1W)/(a2A+a1W)(7)
可见，采用应力形式计算的荷载效应比值等于对应荷载比值的λ倍，因而这使荷载效应比值的计算较为简单。
在进行结构设计时，往往需考虑雪荷载的不利布置。若实际工程中雪荷载的不利布置形式与自重荷载的分布形式较为接近，则b1和a1近似相等，b2和a2也近似相等，这样由式(7)可知，λ近似取值为1.0。
若雪荷载的不利布置形式与自重荷载的分布形式差异较大，则λ值一般大于1.0较多。后文1.3中的实例分析将会证明这点。
1.2刚架梁、柱分析
对于刚架结构，屋面上的雪荷载一般按全跨均布时较为不利，这与自重荷载的分布形式较为接近，因此荷载效应比值的取值范围近似为荷载比值的取值范围。
图2刚架结构计算模型
按现行荷载规范［7］，中国最大的雪压值出现在新疆北部的阿尔泰山区，其50年一遇的雪压值高达1.25 kN/m2；此外东北地区的雪压值也较高，最大值为0.9 kN/m2。而轻钢结构的自重一般在0.35 kN/m2左右。这样可估算出ρσ的可能最大值约为2.6～3.6。这已经超出我国现行可靠度设计统一标准［6］考虑的荷载效应比值的取值范围0.25～2.00。
1.3钢拱结构分析
对于钢拱结构，由于雪荷载的半跨布置较为不利，因而对应的计算模型如图3所示。
图3拱结构计算模型
轻钢拱形屋盖一般采用实腹式工字形截面、格构式截面和拱形波纹板截面3种。假定拱轴线为圆弧曲线，弯矩和轴压力均按l/4截面处考虑，则在3种典型截面形式下，λ值的计算结果如表1所示。表1不同拱结构的分析结果
跨度/m拱高/m截面类型截面尺寸/mm实例来源λ22.64.6工字形360×170×6×6文献［8］4.12307.5YT6118610×180×1.3文献［9］6.82223格构式3Φ50×3.5文献［10］3.19
从1中可以看出λ的取值范围在3.19～6.82之间。这说明考虑雪荷载的半跨不利布置后，荷载效应比值会在1.2节分析结果的基础上继续增大。若按式(6)简单相乘，则荷载效应比值的最大值可高达24.6，但鉴于分析实例偏少且雪荷载半跨布置毕竟是极端情形，因此暂考虑荷载效应比值的最大值为16.0，这已经大为超出现行可靠度设计统一标准考虑的荷载效应比值的取值范围0.25－2.00。2轻钢结构的设计可靠度分析
由于轻钢结构总荷载效应中雪荷载效应占有较高的比重，因而其设计可靠度将处于较低的水平，现分析如下。
2.1总荷载效应的概率特性分析
线弹性分析时，压弯构件的总荷载效应是由雪荷载和永久荷载下的效应进行叠加而得到。由于两种荷载均具有随机变异性，因而总荷载效应的随机特性会随二者所占比例的不同而变化。按文献［11］，两种荷载的统计参数如表2所示。表2各荷载随机变量的统计参数
随机变量分布类型K1变异系数g正态1.060.07q极值I型1.140.256注：K1=均值/标准值。中国现行可靠度设计统一标准中永久荷载的分项系数值为1.2，可变荷载的分项系数值为1.4，因而对于压弯构件，当其荷载效应按式(5)考虑时，对应的总荷载效应设计值应为式(8)，
σd=(a2A+a1W)gK(1.2+1.4ρσ)(8)
式(8)表示的设计值所具有的保证概率设为Ps，则有式(9)。
Ps=P(σ/σd<1.0)(9)
将式(5)、式(8)代入，整理化简得到式(10)，
Ps=P(g/gK+ρσq/qK1.2+1.4ρσ<1.0)(10)
从表2可求得g/gK和q/qK的概率分布类型。这样在ρσ已知的情形下可采用Monte Carlo方法来计算Ps。具体的计算结果如表3所示。表3不同荷载效应比值下荷载效应设计值的保证概率
nlc202309022119
ρσ0.5124816Ps0.944 0.898 0.876 0.853 0.843 0.842
从表3中，可知随着荷载效应比值的增大，总荷载效应设计值所具有的保证概率逐步降低，最低仅为0.842。原因主要是雪荷载概率模型较恒载概率模型不利一些，例如雪荷载分项系数取1.4所对应的设计值的保证概率仅为0.836，而恒荷载分项系数取1.2所对应的设计值的保证概率高达0.970。
2.2设计可靠度校核结果
对于压弯构件，当其荷载效应按式(8)设计时，对应抗力的设计表达式可写为式(11),
fd=φσfK/γR(11)
式中γR为抗力分项系数，fK为强度标准值。由于是按式(5)以弹性状态来计算失效的，而实际钢结构失效时一般会进入塑性，因而抗力分项系数需计入此项影响，暂取塑性发展系数为1.1。另外对于Q235钢材，材料强度分项系数可取为1.087，这样最终的抗力分项系数γR可取值为1.20。而钢材强度f一般服从正态分布，其统计参数为μf=108fK，δf=0.08［11］。
若直接按式(8)、式(11)来建立极限状态验算式，有可能忽略了结构分析中的某些不确定因素，因而需引入计算模式的不确定性参数ΩP，按一般压弯构件考虑，则有μΩP=1.12，δΩP=0.10［11］。
根据这些概率统计参数，计算得到的轻钢结构可靠指标如表4所示。可见，可靠指标随荷载效应比值的增大迅速降低，各种情形下平均值为2.472。表4不同荷载效应比值下的可靠指标
ρσ0.5124816β3.056 2.717 2.453 2.280 2.191 2.132
2.3不同分项系数的比较
在美国LRFD设计规范［12］中永久荷载的分项系数值为1.2，可变荷载的分项系数值为1.6；英国BS5950设计规范［13］中永久荷载的分项系数值为14，可变荷载的分项系数值为1.6。可见，美英两国规范中荷载分项系数值均高于我国规范，这样按美英两国规范中荷载分项系数值计算得到的可靠指标如表5所示。表5不同分项系数取值下的可靠指标
ρσ0.5124816LRFD(1993)3.274 3.014 2.801 2.650 2.591 2.533 BS59503.775 3.333 2.993 2.727 2.637 2.581
从表5可知，按美英两国规范中荷载分项系数值计算得到的可靠指标平均值分别为2.810和3010。可见，它们要比按我国现行可靠度设计统一标准中荷载分项系数值计算的结果高出0.3和05，但仍不满足目标可靠指标3.2的要求。
这些计算结果表明，我国现行可靠度设计统一标准中荷载分项系数值1.2和1.4，对于轻钢结构是偏低较多的，这与文献［14］的分析结论一致。
进一步计算知，若要满足目标可靠指标3.2的要求，雪荷载的分项系数需提高至1.8。此时不同荷载效应比值下，总荷载效应将会比原来增大105%～27.1%，平均约为20%。因此若仍按现行荷载分项系数来进行设计，则应留有约20%的余量。3抗超载能力的概率分析
在雪灾中，轻钢结构往往承受了超出设计标准的雪荷载，此时其可靠性的求解是一个给定雪荷载值下的概率问题。
3.1不同参数下的概率分析结果
定义一超载系数，其计算式为式(12)，
r1=qa/qk，(12)
其中qa表示量测到的实际雪压值。例如某地的设计雪压标准值为0.3 kN/m2，而在雪灾中实际量测的雪压值为0.45 kN/m2，则超载系数为1.5。
采用前述的各种概率模型，不同荷载效应比值和超载系数下，轻钢结构可靠指标的计算结果如表6所示。表6不同荷载效应比值和超载系数下的可靠指标
r1ρσ0.51248161.23.583 3.648 3.712 3.748 3.788 3.801 1.43.264 3.067 3.031 2.938 2.857 2.834 1.62.841 2.580 2.350 2.137 2.002 1.921 2.02.160 1.587 1.067 0.665 0.409 0.266
可见，随着超载系数增大，可靠指标均下降较为明显。对于正常设计、正常施工的轻钢结构，当超载程度不大于40%（即实际雪压不超过设计值）时，各种荷载效应比值下的可靠指标平均值不低于3.0。但当超载程度进一步增加时，可靠指标会下降很多；此时可靠指标也随着荷载效应比值的增大而迅速减少。例如当超载系数为2.0且ρσ=16时，可靠指标仅为0.266，对应失效概率为39.5%。
目前轻钢结构的市场较为混乱，存在着一些非正常设计、非正常施工的实际工程。对于这一类轻钢结构工程，当雪压超载时显然其可靠指标将会比表6中相应结果更低，这更加增大了轻钢结构在雪灾中的破坏比例。
3.2分析结果说明与验证
表6分析结果表明，当雪压超载较大时，荷载效应比值越大的结构可靠性越低。
2008年初，中国发生了严重的冰雪灾害。在这次灾害中倒塌的大部分均为轻钢结构，而混凝土结构却很少破坏。原因在于混凝土结构中永久荷载效应一般占据较大的比重，对应荷载效应比值要小一些；而轻钢结构的荷载效应比值却是较大的，根据可靠指标随荷载效应比值的变化规律可判定雪灾下轻钢结构的可靠性是低于混凝土结构的，这与两类结构在雪灾中的实际表现较为吻合。4结论
分析了轻钢结构荷载效应比值的特性，在此基础上校核了轻钢结构的设计可靠度。主要研究结论如下：
1）考虑雪荷载的不利布置后，轻钢结构中荷载效应比值的最大值将会大大超出可靠度设计统一标准考虑的0.25－2的取值范围。
2）根据文中可靠度分析结果，轻钢结构若要满足目标可靠指标3.2的要求，雪荷载分项系数值应提高至1.8。
3）当雪压超载较大时，荷载效应比值越大的结构可靠性越低。
nlc202309022119
参考文献：
［1］Milan V, Bernt J. Light steel framing for residential buildings［J］. ThinWalled Structures, 2006, 44(12):12721279.
［2］Sherief S S. Sakla, Emad E. Design of steel roofs subjected to drifted snow using genetic optimization［J］. Computers & Structures, 2003, 81(6):339348.
［3］Saka M P. Optimum design of steel sway frames to BS5950 using harmony search algorithm［J］. Journal of Constructional Steel Research, 2009, 65(1):3643.
［4］王元清,胡宗文,石永久,等. 门式刚架轻型房屋钢结构雪灾事故分析与反思［J］. 土木工程学报,2009, 42(3):6570.
WANG Yuanqing, HU Zongwen, SHI Yongjiu, et al. Analysis and reflection on snow disaster accidents of steel structures of light-weight buildings with portal frames［J］. China Civil Engineering Journal,2009, 42(3):6570.
［5］蓝声宁,钟新谷. 湘潭轻型钢结构厂房雪灾受损分析与思考［J］. 土木工程学报,2009, 42(3):7175.
LAN Shengning, ZHONG Xingu. Damage diagnoses and lessons learnt from the failure of light steel structure by heavy snow in Xiangtan［J］. China Civil Engineering Journal, 2009, 42(3):7175.
［6］GB 50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准［S］.北京:中国建筑工业出版社, 2001. ［7］GB 50009-2001建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社, 2001.
［8］周庆荣,付小超,熊进刚. 拱形钢棚在冰雪荷载作用下倒塌事故分析［J］. 建筑科学,2009, 25(5):8184.
ZHOU Qingrong, FU Xiaochao, XIONG Jingang. Analysis of arched steelcanopy collapsed under the snow and ice load accident［J］. Building Science, 2009, 25(5):8184.
［9］彭砥如. 钢拱顶在雪凌冻气候条件下的受力分析［J］. 施工技术, 2008, 37(Sup):437439.
PENG Diru. Structural analysis of steel arch roof under snow and frozen climates calamity［J］. Construction Tecnology, 2008, 37(Sup):437439.
［10］程文良. 某格构式双铰拱屋架的计算［J］. 钢结构, 2006, 21(6):7274.
CHENG Wenliang. Calculation of builtup twohinged arch steel roof frame［J］. Steel Structures, 2006, 21(6):7274.
［11］张新培. 建筑结构可靠度分析与设计［M］. 北京: 科学出版社, 2001.
ZHANG Xinpei. Reliability analysis and design for building structures［M］. Beijing: Science Press, 2001.
［12］Loads and Resistance Factor Design Specification［S］. American Institute of Steel Constructions, Chicago, 1993.
［13］BS5950, Structural use of steelwork in building, Part 1: code of practice for design rolled and welded sections［M］. London:British Standards Institution,2000.
［14］蒋友宝,杨伟军. 不对称荷载下大跨空间结构体系可靠性设计研究［J］. 工程力学,2009, 26(7):105110.
JIANG Youbao, YANG Weijun.Research of system reliability design for long-span spatial structure under asymmetric loads［J］. Engineering Mechanics,2009, 26(7): 105110.
（编辑胡玲）
浅析轻钢结构住宅及设计 篇10
我国轻型钢结构经过20多年的发展历史, 虽然起步并不晚, 主要由于经济与技术的原因使得多层轻钢住宅的发展受到制约。国内最早出现的轻钢结构住宅是94年11月建于上海浦东北蔡的8层钢结构住宅, 采用冷弯成型的矩形钢管混凝土柱和U型冷弯型钢组合梁组成框架。其特点是采用稻草板作外墙和楼板的组件, 单位面积用钢量34kg/m2。
天津经济开发区太平村是我国住宅产业化的探索基地之一, 来自中国, 日本, 美国, 加拿大等15个国家和地区的95名参展商展示了各自的产品, 其中钢结构住宅均采用框架结构。楼板及墙体、屋顶均采用复合结构, 工厂预制, 现场安装, 缩短了施工工期。
长沙远大集团建造的8层钢结构公寓, 称之为集成化建筑。该建筑装有中央空调一体化机组, 整体浴室, “五表”远传系统等现代化设备。室内设计考究, 体现了钢结构住宅的风格和质量, 表明了钢结构住宅的良好发展前景。当前, 国家将住宅产业作为国民经济新的经济增长点。为居民提供高质量的符合市场需求的商品化住宅成为必然趋势。
2 轻钢结构住宅的优点
轻钢结构住宅相比于传统住宅, 有其突出的优点: (1) 轻钢结构配件制作工厂化和机械化程度高, 商品化程度高。 (2) 现场施工速度快, 主要为干作业, 有利于文明施工。 (3) 钢结构建筑是环保型的可持续发展产品。 (4) 自重轻, 抗震性能好。 (5) 综合经济指标不高于钢筋混凝土结构。
3 结构体系选型
对低、多层住宅, 目前国内外常用的结构体系主要有:
3.1 冷弯薄壁型钢体系
构件用薄钢板冷弯成C形、Z形构件, 可单独使用, 也可组合使用, 杆件间连接采用自攻螺钉。这种体系节点刚性不易保证, 抗侧能力较差, 一般只用于1～2层住宅或别墅。
3.2 框架
目前, 这种体系在多层钢结构住宅中应用最广。纵横向都设成钢框架, 门窗设置灵活, 可提供较大的开间, 便于用户二次设计, 满足各种生活需求。钢框架考虑楼盖的组合作用, 运用在低多层住宅中, 一般都能满足抗侧要求。但是由于目前框架柱以H型钢为主, 弱轴方向梁柱连接的刚性难以保证, 因此设计施工时须慎重处理。
3.3 框架支撑体系
在风载或地震作用较大区域, 为提高体系的抗侧刚度, 增加轴交支撑或偏交支撑效果很好。这种体系为多重抗侧体系, 而且梁柱节点, 柱脚节点可设计成铰接、半刚接, 施工构造简单, 基础主要承受轴力, 体形较小, 因此成为人们青睐的对象。
3.4 框架剪力墙体系
在低多层住宅中, 可以应用传统的剪力墙体系, 如钢筋混凝土剪力墙或钢板剪力墙。目前正在研究的空腔结构板是一种理想的抗侧结构。空腔结构板是一种新型的轻质板材, 采用黄纸制成具有众多等边空腔结构的板状基架, 然后经浸渍而成。该板材与钢框架可靠连接, 便可形成新型剪力墙。另外美国, 澳大利亚等国还开发了交错桁架体系, 比较新颖。
4 主要构件的设计
4.1柱
前已述及, 钢结构住宅一般为大开间, 框架柱在两个方向都承受较大的弯矩, 同时应该考虑强柱弱梁的要求。而目前广泛使用的焊接H型钢或I字热轧钢截面, 强弱轴惯性矩之比3～10, 势必造成材料浪费。因此对于轴压比较大, 双向弯矩接近, 梁截面较高的框架柱采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱是适宜的。对于方钢管混凝土柱, 不仅截面受力合理, 同时可以提高框架的侧向刚度, 防火性能好, 而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。因此, 尽管平面受力结构中, 选用H型钢或I字钢在受力上还是合理的但总体上, 箱形钢管柱尤其是方钢管混凝土柱应得到广泛应用。方钢管混凝土柱将是钢结构住宅发展的主要方向, 但由于缺乏相应的规范、规程, 目前在住宅中应用还很少。尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂, 不利于工厂制作和现场施工, 应加大力度开发研究。
4.2 楼盖
在多层轻钢房屋中, 楼盖结构的选择至关重要, 它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外, 更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用;另外从抗震角度来看, 还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。常用的楼盖结构有:压型钢板-现浇混凝土组合楼板, 现浇钢筋混凝土板以及钢-混凝土叠合板, 而以第一种最为常用。目前, 在多层轻钢房屋整体分析时, 还普遍不考虑楼盖与钢梁的组合作用, 即使设置抗剪键, 也偏保守地假设钢结构承受全部荷载, 这样不仅增加材料用量和结构自重, 反而会造成强梁弱柱的不利情况。有一个6层算例, 考虑楼盖组合作用对梁刚度以及结构整体刚度的影响。算例表明, 考虑组合作用后主梁的刚度大大增加, 使得梁的挠度和地震作用下柱顶的侧移大为减少, 组合作用应予关注。为使楼层高度减到最小, 提供更大的空间, 组合扁梁楼盖也成为一种趋势。
4.3 支撑体系
支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种, 前者耐震能力较差, 后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能, 而且为门窗洞的布置提供了有利条件, 目前国内用的还很少, 建议在高烈度区首选偏交支撑。剪切型耗能梁段, 加劲肋按以下公式设计:
式中, a———加劲肋间距, d———梁高, tw———腹板厚度, γp———塑性转角;弯曲型耗能梁段还需在梁段端点外1.5bf处加设加劲肋。
4.4 节点抗震设计
框架梁柱节点一般采用两种连接方法, 根据常用设计法, 即翼缘连接承受全部弯矩, 梁腹板只承受全部剪力的假定进行设计。震害表明, 这种设计不能有效满足强节点弱杆件的抗震要求, 在高烈度区隐患很大。改进的框架节点设计, 在梁端上下翼缘加焊楔形盖板或者将梁端上下翼缘局部加宽盖板面积或加大翼缘截面面积。
5 结论
通过以上的分析我们得出几点结论:
5.1 低、多层轻钢结构住宅考虑楼盖与钢梁的组合作用, 可显著减小主梁挠度和柱顶位移。
5.2 为改进框架节点的抗震性能, 可在梁端上下翼缘加焊楔形盖板或将梁端上下翼缘加宽。
5.3 设偏心支撑时, 梁应根据耗能梁段的受力类型设置加劲肋。
【轻钢结构技术】推荐阅读：
轻钢结构住宅价值分析10-15
多层轻钢结构设计06-01
轻钢结构质量问题分析06-05
轻钢结构的抗震性能07-01
多层轻钢结构框架设计10-25
轻钢龙骨结构体系12-02
轻钢结构工业建筑设计07-28
轻钢结构建筑及应用08-09
轻钢结构的发展现状11-06
轻钢龙骨08-12