轻钢结构建筑及应用（共10篇）
轻钢结构建筑及应用 篇1
摘要：轻型房屋钢结构是目前国内外应用和发展速度最快的新型结构形式, 广泛用于工业民用建筑中, 具有施工速度快、建筑造型美、用钢量少、造价低等特点。对国内轻型钢结构现状及应用进行了论述, 并对解决轻钢结构分析、设计和应用中存在的主要问题提出了建议。
关键词：轻型钢结构,门式钢架,轻钢住宅,维护结构
1 概述
在我国, 传统意义上的轻钢结构主要是指由圆钢、小角钢组成的小型或小跨度屋架、刚架结构、多用于小型厂房、仓储或临时性建筑。随着以变截面门市刚架和色彩压型钢板为标志的新型钢结构体系的出现和应用, 轻钢结构的概念发生了根本性变化。现代轻钢结构除具有传统钢结构的所有优点外, 更加突出了“轻”的特征, 主要体现在:采用轻质维护结构, 恒荷载及地震作用大幅度减小, 基础也因此得以轻量化;采用先进设计理论、高强度钢材、新型结构体系, 因而优化了承重构件的截面, 使得结构用钢量更轻;采用标准化、工厂化制作、小型机具吊装, 因而劳动强度轻, 综合施工费用轻;建筑造型轻巧美观, 建筑表现能力更强。
目前国内常用的轻钢结构承重体系包括:焊接门市刚架体系、金属拱型波纹屋盖体系等。相关技术部门及施工单位已在轻钢结构的设计、制作和安装方面积累了一定的经验。另外钢结构无粉尘的干施工工艺及可回收并重复利用的特点, 非常符合环保及可持续发展的时代主题, 因此轻钢结构在我国显示出非常广阔的应用前景。
2 轻型房屋钢结构体系及特点
2.1 门市刚架钢结构体系
在我国门市刚架结构设计的主要依据有《钢结构设计规范》、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》和《门市刚架轻型房屋钢结构技术规程》等。钢架构件多采用焊接工字形实腹截面, 板厚一般在16mm以下, 腹板高厚比较大, 允许腹板局部失稳并按有效截面特性验算构件的强度和稳定性, 变截面构件多通过改变腹板高度来实现截面变化。空腹或格构件在工程中也有应用。刚架的梁柱节点和斜梁的现场拼接点常采用高强度螺栓端板连接, 采用外伸式端板, 而且应有足够的端板厚度 (20mm以上) , 以保证节点的刚度。檩条或墙梁采用C过Z形冷弯薄壁型钢镀锌檩条, 檩 (梁) 距1.5~2.5m, 多采用普通螺栓与主刚架连接, 可采用简支或连续体系, 檩条 (墙梁) 的承载力, 也可加强横梁 (立柱) 的侧向稳定性分析。支撑的布置原则与普钢厂房 (屋架) 类似, 屋面和柱间支撑常采用由张紧的圆钢组成的柔性支撑, 有吊车厂房的下柱支撑则需设计成钢性支撑。屋面板、墙板可采用单层或双层夹芯板、复合板或加保温层的单层板, 并通过自攻螺钉或扣件与檩条及墙梁相连。
门式刚架属于平面受力体系, 非常适宜于跨度在18~36m之间、柱距7~9m、平面尺寸狭长的建筑, 使其成为国内外大规模现代化工业厂房首选结构形式。
2.2 多层房屋钢结构体系
多层房屋钢结构体系具有比钢筋混凝土结构施工结构施工劳动强度低、施工速度快的优越性, 因此在一些发达国家, 二至八层公共或居住建筑主要采用轻型钢框架结构。框架梁、柱主要采用热轧或焊接H型钢或方、圆钢管, 整个结构的用钢量在40-50kg/m2之间, 在很多情况下具有比混凝土结构更好的经济指标。
目前我国除正在编制中的《轻型房屋钢结构设计规程》外, 尚无这类结构的专用设计规程。现阶段的设计依据仍为《钢结构设计规范》、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》。承重结构一般柱距在6~12m之间, 既可按平面框架也可按空间框架设计, 必要时布置柱间支撑来保证整体稳定性、减小侧向位移。
目前国内的一些多层厂房及超市开始采用上述结构。而多层住宅钢结构体系的开发必将为多层轻型房屋钢结构的应用提供巨大的潜在市场。
2.3 冷弯薄壁型钢结构体系
冷弯薄壁型钢主要由0.5~3.5mm厚普通钢板或镀锌钢板冷压或冷弯而成, 基本形状为C形、Z形和方形 (矩形) , 并可形成各种折皱和卷边、拼成I形或T形, 以提高截面刚度和承载力。
冷弯薄壁型钢结构体系的框 (刚) 架梁、柱一般采用双C或四C槽钢组成的I及T形截面。承重骨架为平面框架, 需布置柱间支撑保证整体稳定性。楼层采用主次梁体系及组合楼盖。不上人屋面则采用檩条和压型钢板。内墙为轻质隔断墙, 外墙则用轻质保温板。由于冷弯薄壁型钢结构体系构件较小, 构件之间全部采用螺栓连接, 且施工现场多为干作业, 以此其具有安装简便, 搬运重量少、仅需小型起重设备、施工快捷等优势, 在底层住在方面具有很大的发展潜力。
3 国内轻型房屋钢结构的现状和发展趋势
3.1 设计方法和理论研究的进一步完善
轻钢结构是近几年在国内刚发展起来的新型结构, 相应的技术规范、规程的编制工作相对滞后, 多数设计人员钢结构知识陈旧, 缺乏相关培训, 对轻钢结构设计理论和计算方法不熟悉, 且受传统钢结构设计思想束缚, 导致设计用钢量高于国内外同类结构。
3.2 新型材料的应用
国内主体结构的钢材仍以Q235和Q345等低强度钢为主, 围护结构所用的冷弯薄壁型钢和镀锌钢板也多为Q235钢, 而且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。另外对于非外露的部位, 重新刷漆也很困难。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 (占钢结构总成本的10%-20%) 。
在围护结构的应用方面, 还存在着彩色压型钢板耐久性和屋面漏水等方面的问题。国内彩色压型钢板多采用镀锌板, 虽然其涂层技术正不断完善, 但其使用寿命与主体结构 (一般为50年) 相比还是相差甚远;为避免屋面漏水, 目前通常的做法是采用无螺钉孔的屋面系统 (锁边板或扣板) 。
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。建筑构造处理问题不仅牵扯建筑使用功能, 而且如果处理不当还会影响建筑物的安全。
3.3 建筑安装队伍的自动化与专业化
轻钢结构的制作安装是专业性很强的技术工作, 不仅需要专用生产线, 而且对从来人员的教育程度水平和操作技能有相当高要求, 这需要有一定的工程实践和经验积累, 而非普通工人经过简单培训就能胜任的。
我国的钢结构施工与验收规范不仅对制作和安装工艺及质量控制作出了明确的规定, 而且严格规定了对焊接人员的考核和资格认证要求。从事轻钢结构制作和安装的人员和单位必须具备国家技术监督部门和资质认证机构颁发的资质证书, 这是确保工程质量的基本要求。
随着人们环保意识的增强, 长期在多层建筑领域占统治地位的粘土砖将被节能环保建筑材料取代而逐渐退出历史舞台, 这无疑给多层钢结构在我国的大力发展提供了极佳机遇。目前国内多层钢结构商场及写字楼已有大量工程应用, 并积累了一定经验, 轻钢住宅也已有若干试点工程。随着结构体系研究的逐步伸入以及新型配套产品的研制开发, 在不久的将来多层轻钢民用建筑体系, 特别是轻钢住宅结构在我国的应用必将越来越广泛。
结束语
我们应该看到, 轻钢结构在我国已进入快速发展时期, 门式刚架、金属拱型波纹屋盖结构已成为国内工业厂房、仓库首选的结构形式, 多层轻钢住宅必将成为我国轻钢结构应用的新领域和增长点。我们同时还要认识到无论是在建筑、结构设计, 还是在制作安装技术方面, 我们与国外先进水平相比都有很大差距。钢结构专业研究人员需加紧对钢结构设计理论和设计方法的深入系统研究, 技术主管部门需加强对从来人员的专业技术培训及钢结构市场的管理力度。唯有如此才能使我国轻钢结构产业真正成为综合经济效益高、具有国际竞争力的新兴产业。
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).
轻钢结构建筑及应用 篇3
2010年5月1日上海世博开幕了, 潮水般涌向上海世博的各地游客, 在为世博的精制宏伟、奇思妙想所折服的同时, 也惊叹世博各个场馆装饰装修的华丽恢弘。在上海世博众多的展馆中, 北新建材以高品质的产品、完善的产品应用体系、周到的服务, 赢得了最重要的中国国家馆、世博主题馆、世博中心、世博文化中心、世博轴、澳大利亚国家馆等43个场馆, 这些场馆共使用龙牌石膏板5×106m2、轻钢龙骨1500 t、矿棉吸声板1×105m2, 龙牌漆在28个场馆中也展示其靓丽的色彩和卓越的品质。
材料是建筑的基础, 石膏板、轻钢龙骨、矿棉吸声板等是工程装修主要材料, 其产品质量的高低对工程有非常直接重大的影响, 因此在这大规模的供货当中, 保证石膏板、轻钢龙骨、矿棉吸声板等材料质量的始终如一非常重要。其中降低设备故障率、提高生产效率是产品品质控制的一个重要方面。
对轻钢龙骨来说, 生产轻钢龙骨的设备主要包括开卷机、成型机、切断机等。其中开卷机由于结构特殊、故障率较高、维修时间较长, 加上其在生产中发挥独特作用, 因此对轻钢龙骨的产品质量影响很大。下面具体分析轻钢龙骨开卷机的故障和应对措施。
1 轻钢龙骨开卷机故障分析
目前国内生产使用的轻钢龙骨开卷机设备的作用是, 将开卷机涨缩架上的钢带卷涨紧, 这样需要很大的涨力。这个涨力一般由开卷机的轴向力转变得到, 因此需要的轴向力很大。由于空间结构所限, 一般轻钢龙骨开卷机产生的轴向力多需要借助圆螺母的锁紧转化为涨力。
目前北新集团建材建材有限公司轻钢龙骨厂的龙骨开卷机就是借助园螺母将轴向力转化为涨紧钢带卷的涨力, 这种结构造成园螺母承载的轴向力不高, 因此故障率非常高 (5台每年约80多次) , 特别是涨缩系统机械部分 (故障率占了一多半) , 有时两个开卷涨缩架同时故障, 影响整条生产线不能生产, 严重影响了生产。
龙骨开卷机结构是由两个可旋转的、可液压涨缩的支架构成, 每个开卷机支架一侧是固定在开卷机体上的油缸, 活塞杆同时也是开卷轴, 其伸出端与涨缩架链接, 伸缩可以使涨缩架缩小或涨起。将轧制龙骨的原材料钢带卷穿在涨缩支架上, 涨起来撑紧钢带卷内孔, 然后钢带卷由成型机轧辊牵引转动, 成型机将钢带轧制成龙骨。而开卷机的另一个涨缩支架上也装入涨起钢带卷作为备用。因此开卷机轴一直承受很大的轴向力。开卷机工作原理是, 液压缸腔进油, 活塞杆收缩, 使涨缩架涨起, 从而撑起钢带卷内孔。而当液压缸腔另一个进油, 活塞杆伸出, 使涨缩架缩小, 从而保证钢带卷内孔顺利装入涨缩架上。由于结构空间所限, 涨缩架与活塞杆一般采用园螺母连接定位锁死, 以承受开卷涨起的很大的轴向力。如图1所示龙骨开卷机的总体设备结构。
新设备开始使用时还较少发生问题, 一般不超过半年, 园螺母及轴上的丝扣都已变形, 导致开卷机涨起钢带时园螺母脱落, 无法工作, 即使将螺纹修好后, 一般不超过2个月也损坏了, 在这个过程中, 承载涨缩架涨起时轴向力的轴承也经常损坏。根据历年的统计结果, 每年每台平均故障12次以上。每次维修基本都是将开卷机轴拆下来, 修补螺纹、更换园螺母、更换轴承, 这一拆一装损失工作时间至少2 h。这2 h工作时间至少可以生产龙骨5000 m, 每米按5元价格销售, 一次故障生产损失产值2.5×104元。每条生产线设备一年造成直接损失产值超过3×105元。因此, 对其技术改造非常必要。
2 轻钢龙骨开卷机承受轴向力结构设计
2.1 改造设计工作内容
针对开卷机故障情况和空间结构分析, 决定采取新方案, 来解决这个问题, 具体安排如下工作内容:
(1) 对龙骨开卷机涨缩架受力系统进行重新设计, 采用新结构和技术。
(2) 组装测试。
(3) 整机试使用, 观察效果。
(4) 调整设计结构和参数, 再次进行整机使用测试。
(5) 确定最后的技术参数, 将其它剩余的开卷机改造完成, 并投入生产使用。
(6) 每台开卷机改造费用预计:2×104元。
2.2 结构设计
首先, 由于开卷机涨起钢带时的轴向力很大, 原来设计依靠园螺母承受这个力量, 并将其转化为涨紧钢带的涨力, 因此圆螺母和轴上的螺纹很难长期承受。根据空间尺寸大小和维修的要求, 并翻阅大量资料, 决定采用与传统机械设计不同的新结构和技术来解决这个问题。具体方案是在轴上加工足够宽度和深度的环形槽, 再加工与环形槽相配合的环形键, 然后将环形键切割开两半, 放入轴上的环形槽中, 之后采用一定形式的连接, 使环形键抱在环形槽中。这样开卷机涨起钢带时的轴向力就由环形键和环形键槽承担, 并将其转化为涨紧钢带的涨力, 由于环形键槽沿圆周布置, 能够承受非常大的轴向力, 因此这个结构能够替代园螺母的结构, 解决开卷机故障多的问题。如图2所示新的设计方案, 采用了环形键和环形键槽结构。这里提出的环形键, 由于在轴的圆周方向布置, 与环形键槽配合, 主要用于承载轴向力, 因此把环形键定义它为轴向键。这个在开卷机轴上的环形键槽结构如图3所示。切开为左右两半的环形键结构如图4所示。
根据各部位尺寸和受力情况, 在原有轴、滑套等基础上改造可以满足要求。另外为了保证安装维修方便, 将切开的左右环形键的倒角加大, 同时增大滑套的安装孔尺寸等。
2.3 尺寸设计和强度验算
2.3.1 开卷机受力参数
开卷机涨起油缸腔的活塞有效面积:267 cm2, 液压系统最大工作压力:100 kgf/cm2, 因此开卷机活塞杆所受的最大轴向力为:Fa=267 cm2×100 kgf/cm2=26 700kgf=26.7 tf=261.66 kN。钢带卷最大重量1.5 t, 开卷机涨缩架、滑套等自重不超过0.6 t。即开卷机活塞杆所受的最大径向力Fr=0.6+1.5=2.1 t=20.58 kN。开卷机涨缩架转动速度:n1=10 r/min左右。
2.3.2 计算环形键和键槽强度
验算键或键槽侧面的挤压强度P<=[P], [P]为许用挤压强度, 键的剪切强度τ<=[τ], [τ]为许用剪切强度。查机械设计手册得到, [P]=120 MPa, [τ]=90MPa。如图5所示, 环形键的厚度b, 宽度h, 内孔直径d, 环形键槽的宽度b1, 键槽的深度h1, 槽根部的直径d1。要求b和b1, d1和d基本尺寸一致。
露出环形键槽的、环形键上的挤压强度为:P=Poa/ (π× ( (d1/2+h) 2- (d1/2+h1) 2) ) , 键槽侧面的挤压强度为:P=Poa/ (π× ( (d1/2+h) 2- (d1/2) 2) ) , 键的剪切强度为:τ=Poa/ (2×π× (d1/2+h1) ×b) 。根据选用的轴承9039318E, 其当量静载荷为:Poa=2.7×Fr+Fa=2.7×2.1+26.7=32.37 t, 因此开卷机轴所受的轴向最大当量载荷为Poa=32.37 t。根据开卷涨缩架及轴的空间尺寸, 设计b=25 mm, d1=65 mm, h=25 mm, h1=12.5 mm, 露出键槽的环形键上的挤压强度P=317226/ (π× ( (32.5+25) 2- (32.5+12.5) 2) ) =78.811MPa<[P], 键槽侧面的挤压强度P=317226/ (π× ( (32.5+12.5) 2- (32.5) 2) ) =104.233MPa<=[P], 键的剪切强度τ=317226/ (2×π× (32.5+12.5) ×25) =44.878MPa<[τ]。
2.3.3 校核活塞杆 (即开卷机轴) 最弱出的强度
查轴的材料45#钢的屈服强度σs=355 MPa, 取许用安全系数S=2, 轴的许用强度[p’]=355/2=177.5MPa。由于开卷机特殊结构, 此处环形键槽根部只受轴向作用力, 采用轴承是9039318E, 开卷机轴所受的轴向最大当量载荷为:Poa=317.226 kN, 因此在环形键槽根部的强度:p1=317226/ (π× (32.5) 2) =95.599 MPa<[p’], 因此此处轴的强度满足要求。
2.3.4 选择合适的轴承
此次要求设计在常温下的工作寿命:2000 h。开卷机为改造之前使用圆锥滚子轴承为2007120 (外径:150 mm, 内径:100 mm, 宽度:32 mm) , 基本额定负荷:Cr=105 kN, Cor=115 kN, 可以承受一定的轴向力和径向力。计算轴承的基本额定动负荷, 根据机械设计手册公式, C= ( (fh×fm×fd×P) / (fn×fT) )
根据轴向力和径向力及空间尺寸要求, 选用9039318E (外径:155 mm, 内径:90 mm, 宽度:39 mm, 基本额定负荷:Ca=308 kN, Coa=532 kN.)
计算轴承的基本额定动负荷, 根据机械设计手册公式, C= ( (fh×fm×fd×P) / (fn×fT) )
由于开卷机转动速度低, 计算实际的额定静负荷, Co=So×Poa
2.3.5 相关的其他结构设计
由于利用原有部件进行改造, 根据计算的环形键槽、环形键的尺寸、轴承的尺寸, 修改涨缩滑套、轴等其它相关尺寸, 由于涨缩套安装轴之间的尺寸偏差为自然偏差, 加上累计误差, 需要对新选用的轴承位置进行调解定位, 因此加入调节隔套。如图2中的调解隔套。
3 改造结果
在整个开卷机设备改造完成6个月之后, 我们对开卷机的故障率作了统计, 从2008年10月份开始安装首台开卷机, 其后经过不断的参数修正, 于2009年6月所有开卷机全部改造完成。截至2009年11月初, 所有开卷机由于轴承损坏只发生两起故障。根据目前统计的数据, 其实际产生的效果, 大大好于预期的目标。由于开卷机涨缩架系统采用环形键及环形槽结构, 极大提高了开卷机的承载能力, 大幅降低龙骨开卷机的机械部分故障率。因此将此机构申请发明专利。
此次技术改造完成情况如下:
本项目于2008年1月立项, 从2008年6月初进行设计加工零部件, 于2009年6月20日完成全部5台设备改造, 并交付投入了生产使用。其单台开卷机改造的实际平均费用:0.998万元。
4 轴向键的应用
4.1 结构设计
轴向键一般为环形或半环形 (形象称为环形键) , 可以分为多段, 通过一定方式将分段的环形键连接起来, 定位于轴的圆周面的环形键槽中, 与环形键配合的键槽为垂直于轴线的环形或半环形。承受轴向力一侧的环形键槽一般不低于另一边的环形键槽高度。
4.2 需要进行的强度计算
一般使用环形键结构, 需要校核环形键的抗剪切强度、环形键侧面的抗挤压强度、环形键槽侧面的抗挤压强度、及环形键槽根部的强度。
4.2.1 环形键及槽的强度要求
验算键或键槽侧面的挤压强度P<=[P], [P]为许用挤压强度, 键的剪切强度τ<=[τ], [τ]为许用剪切强度。
4.2.2 一般计算公式
露出键槽的环形键上的挤压强度P=Poa/ (π× ( (d1/2+h) 2- (d1/2+h1) 2) ) , 键槽侧面的挤压强度P=Poa/ (π× ( (d1/2+h) 2- (d1/2) 2) ) , τ=Poa/ (2×π× (d1/2+h1) ×b) , Poa为轴向方向上的最大当量载荷。
4.2.3 校核环形键槽根部的强度
在环形键槽根部的综合强度:p<=[p1], [p1]为轴的材料的许用强度。
4.3 应用推广
通过合理设计加工, 环形键可承受非常大的轴向力和一定的径向力, 并且环形键可拆卸, 便于安装和维修, 因此场合会很广。
4.4 轴向键的缺点
轴向键 (环形键) 结构槽削弱了轴的强度, 一般是轴强度最弱的地方, 因此在轴的结构和强度允许的情况下, 才能采用轴向键 (环形键) 结构。
摘要：本文分析了生产轻钢龙骨产品的开卷机设备, 故障造成的损失、故障的原因和开卷机设备的结构, 得出的结论是此开卷机设备的部件圆螺母和轴承在长期工作状态下不能承受工作时的轴向力作用。在尽量减少对其它部件影响的前提下, 将开卷机轴在承受轴向力的部位加工出环形槽, 同时加工环形键与之配合, 为了保证环形键的安装, 将环形键分为两半。同时更改选用了新轴承, 并进行了校核计算。另外也简单介绍了改造后的效果。最后对在方案设计中起关键作用的轴向键的应用作了分析。
轻钢结构建筑的防护技术探析 篇4
【关键词】轻钢结构；建筑；防护技术
0.前言
轻钢结构建筑具备预制化程度高、建筑周期短、建筑风格灵活、施工过程环保等优势得到了广泛的应用，涉及的领域也较广，包括厂房、仓库、超市、住宅等多个方面。根据地域发展的规律，有资料表面，我国的轻钢结构建筑面积近年来不断增多，发展势头迅猛，但与发达国家相比，我国钢结构建筑与房屋建筑总量相比，仍然过小，所以，有必要拓展我国轻钢结构建筑。尽管轻钢结构建筑的优点较多，但是任何事物都存在两面性，其自身存在这易漏水、易锈蚀、防火、保温能力差的不足，对此，有必要其防护技术的研究，提高其自身性能。
1.当前我国轻钢结构建筑防护技术的状况
1.1轻钢结构建筑的防腐
我们可以将其分为钢构件防腐与围护系统两个部分：
第一，钢构件的防腐。
该部分的防腐多在工厂制作过程中完成，以北方地区为代表，相对环境较为干燥，可以增加底漆一道干膜厚度达到70-80微米，取消中间漆。
防腐处理可以分为防锈、涂底漆、中层漆、面漆几个工序共同完成，结合轻钢结构建筑的用途及所处环境、气候等因素的影响，确定防腐方案与各个方案的需求。
钢构表面进行抛丸处理必须要达到国家标准Sa2.5级以上，构件处理后的8个小时进行底漆的涂刷，无机富锌底漆和环氧富锌底漆，相比之下，富锌底漆的防腐能力较好，干漆膜中锌粉含量达到80%以上，具有较好的阴极保护作用，避免电化锈蚀。中间漆以鳞片状的中层漆为主，漆膜颜料排列十分有层次，改善涂层的屏蔽作用，增加了水汽、二氧化碳的渗透阻力，发挥了防腐效果。面漆则以醇酸调合漆为主，脂肪族聚氨脂漆，或防腐蚀性能更好的环氧面漆和氟碳漆。
从当前的防腐工艺来看，在材料的选择与工艺水平来看，区别不大，但是防腐涂料自身的质量却相差甚远。不同厂家、不同品牌的油漆在质量与价格上都有一定的差别。目前，我国的油漆生产厂家小、散、低的私营企业所占比例较大，但是一些不规范的钢结构生产企业会为了利益而降低质量，选择一些档次相对较低的防腐涂料，导致工程质量下降。同时，管理部门对防腐材料的生产企业与相关产品没有进行等级区分，监督机制不到位，造成市场混乱，给规范化生产企业造成巨大冲击，导致大批的知名涂料厂家倒闭。今天，在国内的油漆生产厂家已经不多了。
第二，围护系统的防腐处理现状。
围护系统的防腐关键是彩板部分的防腐，其表面涂层处理在彩板的专业制造厂家完成的，作为轻钢结构建筑的设计与生产厂家，关键是根据建筑的不同用途、不同地理位置与气候条件选择不同的品牌，型号与表面特征，当前最常用的彩板品牌与生产厂家却较少，国内只有上海宝钢。
1.2轻钢结构建筑的防火问题
与其他材料相比，钢结构的锈蚀相对较为缓慢，其破坏是由表及里的，观察容易，比较受重视，但是火灾属于一项突发事件，与其他灾难相比，防火设施昂贵。同时，刚接欧股自身不会燃烧，因此，从表面来看，轻钢结构建筑必须要有良好的防火性能，所以，人们往往会存在侥幸的心理，对防火不够重视。但是事实上，防火能力是轻钢结构建筑的一大弱点，刚结构建筑一旦遭遇火灾，会使周围的环境温度迅速降低，钢构件会在瞬间失去80%的机械强度，导致建筑物坍塌。轰动世界的美国9.11事件，国贸大厦的双子座大厦在瞬间出现坍塌，就是由于大火导致钢结构失去强度导致的。在国内，也曾出现过钢结构建筑的坍塌事故，而且较为频繁，天津市体育馆失火，上海文化广场火灾、北京友谊火灾等情况频发，因此，必须要加强防火、防腐的管理，缺一不可。
与其他轻钢结构结构建筑防火处理的工序与基本要求与防腐处理差别不大，关键是最后一道工序，防火涂料的施工必须要在钢结构安装后，现场进行涂刷。
防火处理可以分为除锈、涂底漆、中间漆、涂防火涂料几何主要的施工环节，中间漆有的地方可以省略。除锈和涂防锈底漆的步骤一般在工厂预制时完成，防火涂料要在施工现场钢结构安装后再进行涂刷。
当前防火涂料的生产厂家相对较多，施工水平也参差不齐，相对管理十分混乱，没有统一的检验标准与管理监督机制，而消防部门的管理只是一种行政制度，缺乏规范的技术检验手段与严格的质量评定能力，导致我国的防火涂料产品的防火性能较差，容易脱落，装饰性也较差，耐久性也较差，相较于西方国家，同类产品的生产水平差距较大。
2.轻钢结构建筑的防护技术发展方向分析
从上文的分析中我们可以看到，我国的轻钢结构建筑防护技术当前仍然处于一个发展的阶段，相较于西方发达国家，在技术上仍然存在较大的差距，从发展的角度来看，其主要有以下几个发展方向。
第一，是时代发展的必然趋势。
不可否认，今天是绿色环保的时代，开发利用节能型、低污染与高性能的防护涂料，如重防腐涂料、超薄型高耐火极限的防火涂料，这是技术发展的必然趋势。
第二，经济利益下的必然选择。
开发低处理表面带绣防腐涂料，如SLH系列超低处理表面涂料，其可以同时具备稳定、转化、渗透三种功能，免除了表面抛丸、喷砂等除锈，除油、除水的工序，大大降低了成本，便于现场施工管理。
第三，技术发展的必然趋势。
采用超耐候、免维护技术，如氟碳涂层，有机氟碳涂料中有C-F键的存在能有效阻碍日光、高温和大气（SO2）对其表面的浸蚀，所以有机氟碳涂料有良好的耐久性，耐候性和耐化学药品性。
3.结束语
随着经济的发展，轻钢结构建筑业的快速发展，轻钢结构建筑防护技术也在不断地完善，不断提高，而且受到越来越多部门的重视，得到广泛的应用。我国的轻钢结构建筑防护技术发展空间巨大，低处理表面、高性能、绿色无污染的防火、防腐技术也是未来经济、轻钢结构建筑的发展方向。
【参考文献】
[1]周学军.门式钢架钢结构设计与施工第七章.2001.
[2]李柴俊.钢结构工程防腐试谈.涂料工业，2000，（1）：32-34.
谈轻钢住宅结构体系及其应用 篇5
关键词：住宅,轻钢结构,节点,混凝土楼板
0 引言
现今, 随着人们水平的提升与国民经济的发展, 房屋住宅建设行业也相继得以蓬勃发展。1996年至今, 每年我国城市住宅面积均会有大约9亿m2的增加, 并且乡镇住宅则会增加至几十亿平方米之多, 由此可以看出, 人们对住宅建设的需求变得十分迫切, 这也标志着人们正在奔向小康。对于传统的住宅而言, 不仅使用功能、结构体系材料单一, 并且资源浪费严重、建设速度慢、能耗高、抗震性差, 这便难以与社会的发展乃至人们的需求相适应。而富有现代气息的轻型钢结构, 则具备着非常多的优势, 诸如结构性能好、造型优美以及使用便利等等, 因而正在被广泛的运用在住宅建设中。
1 轻钢结构住宅所具备的优势
对于轻型房屋钢结构, 其最为突出的优势就在于可重复使用、抗震性好、重量轻、跨度大以及建设速度快等, 有关研究表明, 在建设住宅的过程中, 使用轻钢结构能够提高建房速度, 将建房的时间缩短到3个月之内, 将劳动生产效率大幅度提高。据相关统计可知, 长期以来我国人工竣工面积始终介于20 m2~30 m2之间, 而与美国相比, 后者的人均竣工量则高达100 m2, 如此高的效率, 在一定程度上彰显了美国住宅产业化发展的速度及程度。
大多情况下, 民用住宅采用的基本上都是钢结构住宅建筑通用体系, 而研究显示, 和其他类住宅通用体系比较可知, 钢结构住宅建筑物的重量明显的减轻了将近30%之多, 这给高层民用住宅建设带来了积极的影响;当在地震烈度较强的地域亦或是承载能力薄弱的地域建设住宅的时候, 要想得到好的经济效益, 应该采用钢结构体系。
2 轻钢结构住宅结构体系
2.1 结构策略
在轻钢住宅结构体系当中, 三维框架体系是其中至关重要的一大体系, 柱、梁以及与之相连的墙板、支撑结构、屋楼面体系或者墙架结构是三维框架结构的主要组成部分。在这个体系中, 房屋高度比一般不能高于6, 柱网设置往往在6 m~12 m之间, 大多采用的是强柱弱梁的形式。而对于结构构件, 其采用的均是热轧H型钢与高频焊接H型钢, 并且有时也会选取钢管混凝土柱结构的构件。
自重轻、自振周期长是多层框架轻钢建筑的特点, 对地震作用反应不太敏感。但是框架体系所具备的侧向刚度相对较小, 往往需要对侧向支撑加以设置, 有时还要与电梯井的布置相配合, 并且采用新型的体系, 如框架—抗剪钢板剪力墙, 以此控制结构水平位移于允许范围内。
2.2 楼面结构
在建设多层轻钢结构住宅的过程中, 只有充分的确保楼盖具备较强的刚度、强度和整体稳定性, 才能保证与抗侧力结构空间的协同作用;除此之外, 为了降低结构地震反应, 还需要结构措施以及技术手段, 将楼板的自重予以减轻轻。。
现如今, 我国主要有两类楼板形式:1) 为压型钢板—现浇混凝土组合楼板, 此类钢板可用作永久性楼板, 同时还能参与承力, 发挥出受拉钢筋的作用。下表面凹凸不平是压型钢板最大的缺点, 在民用建筑中如果采用此类钢板, 则应当做吊顶处理, 这便会导致工程造价的提高。举例而言, 上海申福城工程所采用的钢板为BD-40闭合断面压型, 该特殊钢板可以使楼板底面无缝, 而且其装修效果基本上和混凝土地板一致, 无需进行特殊装修;2) 为叠合楼板, 它属于预制预应力薄板加薄现浇层楼板, 有着现浇整体组合盖楼所具备的整体性, 有助于节省吊顶的费用和支模的费用。
2.3 支撑体系
因多层框架轻钢结构体系具备的侧向刚度相对较为薄弱, 所以, 为了对水平地震作用加以有效抵御, 减少层间错移的不良现象, 需要布置钢管结构支撑、槽钢或者角钢于墙体中, 基本的设计准则为拉杆形式, 如果被用作是支撑构件的弹性支座, 需要满足相关的刚度要求, 同时要具有较好的承载力。X形、K形、人形等结构是主要的支撑形式。在地震感比较强的地区, 应该采用偏心支撑, 这是由于在地震作用下这样的支撑方式具有理想的耗能性及延展性。
2.4 围护体系
因当前的墙体无法适应钢结构住宅整体装配需求, 对此, 要尽快开发与钢结构住宅墙体相适应的材料。总的来说, 围护体系有两大类型:
1) “块”, 在我国墙体改革中推出的主要品种之一是小型混凝土空心砌块。昊角墙材是武汉理工大学和湖北新材料研究所开发出来的一种新的墙材, 稻草、麦秸制成的黄板纸是昊角墙材的主要原料, 经过一定的剪切, 使其接成有诸多三角空腔结构的一种板状骨架, 继而将适量的化学中介体和适当的粉煤灰等掺入。在砌筑的过程中, 要使局部的砂浆进入孔洞之中, 这样能够提高墙体抗剪能力;
2) “板”, 为单一材料外墙板、复合材料外墙板, 是十分理想的保温材料。例如ALC加气板, 板厚150 mm, 具备较强的保温性。对于复合材料外墙板, 良好的保温隔热的性能以及抗风雨性能, 是复合材料外墙板必须具备的特点。
2.5 节点构造
在钢结构抗震设计的过程当中, 梁柱连接点占据着不容忽视的地位。欧美国家已经将框架节点明确的划分成三大类型, 即刚性连接、半刚性连接与铰接。我国较为流行且常见的做法为:运用H形断面材做梁及柱子, 在现场对节点进行连接, 翼缘、柱翼缘采用全溶透焊的焊接方式, 而柱翼缘、梁端部腹板则是用摩擦型高强螺栓通过连接角钢进行连接, 由此将梁—柱节点真正的做成刚接, 也就是混合连接, 见图1。
一种狗滑式的梁柱刚性连接点是中国台湾、美国近些年来先后采用的刚性连接点, 如图2所示。
3 试点工程
1) 马鞍山钢铁公司成功构建了2层轻钢试点工程, 该工程选取的是H型钢, 并且马钢光明新村也将对16层支撑框架结构的2栋住宅试点楼加以建造;
2) 江阴景江轻钢房屋公司的试验楼, 是柱下独立基础, ALC板作外墙, 为5层钢框架结构, 大约50 kg/m2的用钢量;
3) 北京西三期水电工程宿舍, 是独立的钢筋混凝土基础加联系梁, 压型钢板组合楼面, 6层H型钢—剪力墙结构体系, 自承重砌体外墙;
4) 湖北新材料股份有限公司建造的武汉都市花园二期2号楼及江南庭院C-2号楼2幢轻钢结构样板楼, 采用6层轻钢架结构, 建筑面积1 255 m2。
4 结语
新型轻钢结构住宅具有经济、高效、快速、工厂化生产的显著特点, 具有可持续发展的突出优势。轻钢结构住宅体系能够很好的推动钢铁产业的发展, 也将大大促进住宅的产业化, 因而笔者坚信, 轻钢结构住宅势必会在我国得到长足的发展以及广泛的应用。
参考文献
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[4]陈峰.轻钢龙骨多层钢结构住宅体系的结构经济性分析[J].结构工程师, 2011, 10 (2) :129-130.
轻钢结构住宅体系的发展与应用 篇6
目前建筑使用的钢材和水泥分别占全国总使用量的30%和25%。除此之外, 在环境总体污染中, 与建筑有关的空气污染、光污染、电磁污染等就占了34%, 建筑垃圾则占人类活动产生垃圾总量的40%。特别值得注意的是, 我国是一个人均资源奇缺的国家, 一边是资源短缺, 在工业化和城镇化快速发展中, 我国将面临巨大的资源制约瓶颈和环境恶化压力;一边是我国全社会总能耗的近一半被建筑“吞噬”掉, 并且制造了众多的建筑垃圾。由我国的国情决定, 住宅必须选择绿色建筑。
1. 利于环保。目前我国多层住宅结构体系主要为砌体结构及混凝土框架结构, 大量采用硅酸盐水泥材料, 在建筑解体后它将变成难以循环再利用的废弃物, 给环境造成极大的破坏, 目前许多发达国家均在研究如何降低水泥制品的用量。相比之下, 轻钢结构是十分有利于环境保护的住宅建筑体系。
2. 节能方面。轻钢结构节能效果好, 比砖混住宅节能60%以上。建筑服务期满拆除时, 钢结构材料可全部回收。若采用轻钢结构建设多层住宅, 按欧美标准, 住宅实际年耗油可以降低到6L/m2, 大约相当于标煤8.75kg/m2, 即可节约标煤17.5kg/m2。
3. 节地方面。 (1) 能有效利用土地资源, 增加住宅使用面积。由于轻钢结构住宅采用复合墙体, 截面积小于砌体结构和混凝土结构, 可增加有效使用面积约6%。 (2) 轻钢结构住宅采用复合墙体, 大量使用的实心粘土砖将减少。我国住宅平均竣工面积达4.59亿m2。80%为砖混结构, 若部分采用轻钢结构住宅, 每年节约土地数量将十分可观。
4. 节水方面。由于轻钢结构在施工中采用干作业, 除基础施工时用水, 施工现场几乎不用水。我国在住宅建设中, 耗水占城市用水的32%, 如果其中的一半能采用轻钢结构住宅, 为城市节约大量用水, 缓解城市用水的紧张局面。据估算, 建设轻钢结构住宅仅施工用水一项每年可节约水资源十几亿吨。
二、轻钢结构住宅的特点
1. 工业化程度高, 所有构件均实行工厂标准化生产, 质量稳定可靠, 有利于实现住宅建筑技术集成化、产业化, 并能降低成本。工厂制作, 现场拼装;噪音小、湿作业、粉尘与垃圾少, 受气候影响小, 符合环保建筑施工的要求;不使用粘土砖, 可拆卸和回收, 符合国家土地资源政策、环保政策和可持续发展战略。
2. 结构自重轻, 基础负担小, 可大幅减少基础造价, 尤其适用于地质条件较差的地区;结构地震反应小, 用于结构抗震措施的费用少, 适用于地震多发区;制作、运输、安装、围护方便, 降低人工和机械费用。
3. 施工周期短, 比传统住宅体系至少可以缩短工期1/3。从而可以加快资金周转, 大大提高投资效益。
4. 符合环保建筑可持续发展的社会价值趋向。钢结构住宅所用的材料主要是绿色、可回收材料, 在建筑物拆除时, 它的大部分材料可再利用, 是环保型建筑的典范。
5. 采用新型轻质围护材料, 不易助燃, 不易霉变, 不易虫蚀;装修可以一次到位, 管线可暗埋于墙体及楼层结构中;在保温、隔热、隔声等性能方面比传统结构住宅有非常明显的优势, 因此住宅的舒适性更好。
6. 由于钢结构的随意拼接能力, 可以设计出丰富多变的住宅建筑外形, 可以满足住户对不同建筑风格的要求。
7. 房屋构件的更换维修方便, 省时省力, 具有良好的综合经济效益。
三、轻钢结构住宅体系构造分类
钢结构住宅体系以经济型材构件 (包括冷弯型钢、热轧或焊接H型钢、T型钢、C型钢、焊接或无焊缝钢管及其组合构件) 作为住宅承重骨架, 以轻型墙体材料作为围护结构而成, 钢结构住宅体系按承重骨架的不同分为:轻型钢结构体系 (I型) 和钢框架体系 (II型) 2种。
1. I型用冷弯薄壁型钢作为承重外墙的结构骨架 (轻钢龙骨) 时,
截面多为C形;作为水平或屋架构件时, 断面多为U形, 钢肋一般为1-2mm厚的电镀冷弯薄壁型钢。
2. II型是用钢管或型钢作为住宅的承重结构, 按承重构件截面形式分有工字型钢、H型钢、U型钢、L型钢。此外, 还有钢骨混凝土截面、冷弯焊接方管或圆管截面、冷弯薄壁方 (圆) 钢管内灌混凝土截面等。工字钢抗拉能力强, 适合做梁;H形钢既抗拉又抗压, 做梁或柱均可;L型和U型钢可做圈梁;冷轧钢管适合做横向的承重构件。不同柱截面形式特点对比见下表。
四、轻钢结构住宅体系存在的主要问题
1. 防火问题。虽然钢材是不燃材料, 但其耐火性能却很差, 承载力和平衡稳定性会随温度的升高而大幅度下降。当温度在150℃以上时, 就必须采取遮挡措施;当温度达到400℃时, 钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半:当温度达到600℃时, 钢材基本丧失全部强度和刚度。因此轻钢结构住宅必须采取耐火保护措施后才可安全使用, 这样会使构造复杂, 增加造价。建议采用在轻型钢结构骨架上加防火石膏墙板以提高构件的耐火极限等适用可靠、有利环保的防火措施。
2. 锈蚀问题。钢构件的锈蚀速度与房屋所处的周围环境, 空气中温度、湿度等有关。根据国内外试验资料表明, 表面无防护的钢材在大气中锈蚀速度每年是不同的, 第一年锈蚀速度约为第五年的两倍。室外钢材的锈蚀速度约为室内锈蚀速度的四倍, 处于干燥环境的钢材, 几乎不会锈蚀。我国的寒地所处的环境多为干旱少雨环境, 空气湿度小, 特别是西北地区, 其防腐的优势更加明显, 也更有优越性。对于冷弯薄壁型钢多采用表面镀金属保护层的方法, 在我国北方要达到防腐的同样效果, 只需要南方金属镀层的一半即可。钢结构构件材料的镀锌量只要不低于150g/m2, (双面检) , 就能保证其达到70年的使用寿命。
3. 造价问题。目前, 对中低层民用建筑而言, 在目前施工和管理技术条件下, 轻钢结构住宅比钢混住宅造价要高, 开发商大多只看到眼前的利益, 注重短期效应;对可持续发展的认识不够, 全局意识不强。建议在这方面政府要加以引导、约束, 加大对轻钢结构住宅产业化的投资与宣传, 使轻钢结构住宅在中国得到普及, 成为大众住宅。
五、结 论
1. 目前国家大力提倡发展节能省地型住宅, 发展符合可特续发展的绿色住宅, 发展符合产业化道路的住宅, 而轻钢结构住宅在以上几个方面无疑具有突出的优势, 因此, 发展轻钢结构住宅符合国家产业政策, 也更应该得到政策方面的扶持。
2. 随着科技进步和生产力的发展, 钢结构住宅体系作为一种绿色环保的新型建筑体系, 它的发展与完善对加快我国住宅产业化建设, 满足人们对居住品质日益提高的要求, 减少土地、森林等自然资源的消耗和保证建筑业的可持续发展, 都具有重要的意义。可以预测, 21世纪, 钢结构住宅在我国将被更广泛地应用, 发展前景广阔。
摘要：本文通过对轻钢结构住宅的绿色优势、特点等的论述, 指出了轻钢结构住宅体系存在的主要问题以及具有的广阔发展前景。
轻钢结构建筑及应用 篇7
轻钢龙骨结构体系建筑在国内属于一种新型建筑, 这种体系一般适用于低层住宅, 该体系结构骨架主要包括冷弯型钢和小型热轧型钢。轻钢龙骨体系由立柱, 梁, 天、地龙骨及中间支撑通过配套扣件和加劲件用自攻螺钉连接组成。立柱间距为400 mm~600 mm, 用轻型板材, 比如石膏板、OSB板、PC板、水泥纤维板、彩钢板等作为围护结构。轻质板材的使用, 使室外装饰在色彩及材料类型选择上具有更大的灵活性, 在设计上更易实现舒适性、美观性、绿色环保的理念。楼面系统采用楼面轻钢龙骨, 上铺OSB板和面层, 下设吊顶, 可便于各设备管线的穿行。
在欧洲、美国、日本及澳大利亚等经济发达国家, 轻钢结构建筑早已得到广泛应用。比如在美国一般的低层民用建筑中, 采用镀锌轻钢龙骨作为承重结构, 此轻钢结构体系的应用在住宅建设中所占的比例, 20世纪90年代初只占5%, 而现在已经发展到25%左右, 且技术已经发展的相当成熟。在我国, 虽然低层轻钢龙骨结构体系的研究尚处于起步阶段, 但是其市场呈迅猛发展趋势, 一些国外的大型钢构公司如巴特勒、美建、博思格已经进入中国建筑市场。根据《国家建筑钢结构产业“十五”计划和2015年发展规划纲要》, 我国到2015年将达到每年建筑用钢量占全国钢材总产量的6%。这对于钢结构尤其是轻钢结构建筑, 正是它的发展机遇, 为它向标准化、产业化发展打下坚实的基础, 提供了根本保障。
2 模数化的重要性
1) 基本概念。建筑模数化设计是标准化的一种表现形式, 以使建筑构配件和组合件实现规模化生产, 并使不同形式、不同制造方法和不同材料的建筑构配件、组合件符合一定模数与标准, 可达到较大通用性和互换性的目的, 最终实现加快设计速度, 提高施工质量和效率, 综合降低建筑成本。
建筑模数单位即是建筑物及其构配件或组合件选定的标准尺寸单位, 并作为尺寸协调中的增值单位。在建筑模数协调中其基本模数的数值应为100 mm, 其符号为M, 即1M等于100 mm。整个建筑物和建筑物的一部分以及建筑组合件的模数化尺寸, 应是基本模数的倍数。
2) 模数化设计理念是低层轻钢建筑产业化的基础。产业化是一个国家发展和技术进步到一定阶段所必经的过程, 其特征是产业经济重心由初级产品向制造业转移。即以模数化构建标准化, 以标准化推动工业化, 以工业化促进产业化。建筑模数化设计在古代的建筑中就已经有所应用。随着社会和科技的进步, 现代建筑的模数化、产业化更是建筑业发展的必然潮流, 尤其是设计过程中贯穿模数化理念, 为建筑设计的标准化、建筑构配件加工机械化、运输过程简便化、现场施工装配化提供了强有力的基础。
现代社会要求建筑走精细化道路, 对于设计伊始不仅要考虑满足建筑功能的要求, 更需要考虑到建筑构配件便于工厂化加工, 方便运输, 尽量使施工难度降低并能够节约工期, 并且要求绿色环保。低层轻钢建筑与此要求非常契合, 这就需要我们用模数化理念去武装它, 以实现用标准化去生产、去建设, 最终达到像做产品一样去做房子的梦想。
3 模数化实施的原则和方法
目前的模数化更着重于“模数+协调”的原则方法, 模数化也不像过去般墨守成规, 导致个性化缺失。住宅部件实现通用性和互换性是模数协调的最基本原则。就是把部件规格化、通用化, 使部件可适用于常规住宅建筑, 并可满足各种需求。建筑的模数协调涉及到各个行业, 所以需要各方通力合作, 共同遵守模数协调原则。模数协调原则应用就是在满足建筑基本功能需求的基础上, 实行参数系列最少化, 可以保证制造加工的简便经济, 安装快速。为了适应现代社会经济高速发展, 满足人们的生活需要和大规模建设的需要, 建筑部件的加工生产必须同其他加工制造业看齐, 需要实现大规模的工业化生产。要实行大规模的工业化生产, 应该重视设计模数化, 构配件加工工厂化, 施工简便化, 建筑材料绿色化等方面的工作。
1) 设计模数化。从建筑方案设计开始, 建筑物的设计就遵循一定的设计标准, 尽量做到建筑物及其构配件的模数化、标准化、材料的定型化。这在各国的建筑工业化发展过程中都作为一条重要原则在遵守。如果在设计这个先行工作中就没有考虑到标准化, 那么在后续加工制造和施工过程中就更难实现规模化生产, 那实现工业化生产就是镜花水月了。标准化并不是要限制建筑多样化, 而是按照相应的规范原则要求, 尽量使标准构件规格少, 节点构造标准化, 但是通过细部装修个性化设计, 使建筑达到标准化与个性化的完美结合。
2) 构配件加工工厂化, 施工简便化。在设计模数化、标准化的基础上, 构配件有一定的规律可循并且规格较少, 具备工厂化生产的条件。所谓建筑物的工厂化率, 主要就是指建筑物的构配件及其组合过程有多大部分是在工厂完成的, 是衡量建筑工业化的主要指标。低层轻钢建筑的工厂化率就非常高, 它的所有建筑构配件都可以在工厂加工完成, 在现场装配完成, 这样建造房子就像组装家具、搭积木一样简单方便, 符合工业化生产的要求。建筑工业化施工方法与传统施工方式最大的区别就是现场构配件装配施工, 不需现场湿作业。由于建筑构配件均为工厂化加工, 精度很高, 所以现场施工的精细化程度也很高, 误差较小, 施工效率高, 可以大大节省工期, 从而体现出较好的综合经济效益。低层轻钢建筑的现场施工更是非常便利, 由于高度不高, 并不需要大型施工机械, 通过人工即可完成。
3) 建筑材料绿色化。2013年1月1日, 国务院办公厅以国办发[2013]1号转发国家发展改革委、住房和城乡建设部制订的《绿色建筑行动方案》, 明确要求:要推动建筑工业化。绿色建筑已经上升为国家战略, 绿色建筑与以往单纯的建筑节能有着本质的区别。它不仅要考虑节能, 更要重点强调减排和保护环境, 这是以往单纯考虑建筑节能的一种升华。低层轻钢建筑不仅能够满足建筑功能要求, 满足承载力要求, 而且它节能、节水、节材和保护环境, 更好的满足了绿色建筑的要求, 真正实现对资源的高效利用和循环利用。它是绿色建筑的重要代表, 在发达国家已被广泛应用。
4 工程实例
某别墅项目, 采用轻钢龙骨建筑体系, 单层建筑, 层高3.6 m, 是低层轻钢建筑的代表, 是标准化建设的一次客观实现, 其中采用了一些模数化设计理念。但由于轻钢龙骨建筑在国内发展尚属于起步阶段, 所以模数化理念只是做了初步应用。
在设计满足建筑功能使用要求的基础上, 首先, 在平面设计中考虑了模数化。在两种户型设计中, 将卧室的开间统一为4 000 mm, 起居室开间为6 600 mm, 卫生间统一为2 400 mm×1 600 mm。这样窗户大小位置与入户门的位置都可以统一, 在门窗洞口处的构件尺寸可以保持一致, 减少了构件类型, 提高了构件加工效率。卫生间尺寸的确定考虑了装修中铺面砖, 可以铺100 mm×100 mm或者200 mm×200 mm的面砖, 以确保地面和墙面均为整砖, 不用对面砖进行切割。其次, 外墙面采用轻钢龙骨内衬保温棉, 外挂金属雕花墙板的形式, 大大提高了安装效率, 加快了施工进度。最后, 在水电设备管线的布置上综合考虑了使用和布局的合理性, 管线均布置在墙面与屋面的轻钢龙骨内, 在设计与施工过程中均节省时间也无需耗费过多精力。
方便运输、降低施工难度并节约工期。所有结构构件, 都在工厂加工完成后, 可以按统一编号装箱打包, 运输到施工现场。由于轻钢结构本身自重就比较轻, 运输过程不需要大型机械, 这样在运输成本方面是比较经济的。施工现场装配式施工, 全部为干作业, 工期很短并且受周围环境变化影响较小。此例中, 建筑面积为210 m2, 设计、加工完成后, 从地基建设到内外装修整个工程全部结束, 达到使用标准, 8个工人30 d即可全部完成, 这无疑是标准化建设的典范。
此例是对节能环保宗旨的契合。一方面在建筑与结构选型及选材上, 选用了轻钢龙骨建筑体系, 此建筑体系的特点之一即是绿色环保, 耗能低。钢材可以回收再利用且对环境无污染。外挂金属雕花墙板, 不会分解霉变、无污染, 非常环保, 被拆卸后可以被重新利用, 安装在其他建筑上, 在施工过程中为干作业, 很大程度地减少建筑垃圾, 也减少对周围土地、水域等自然环境的污染, 符合目前的绿色环保意识。另一方面尺寸统一使得构件尺寸一致, 加工中减少了材料的消耗量, 从而节约了原材料。此外, 外墙面采用的是高效节能的墙体, 构造做法为:双层12 mm石膏板+75 mm玻璃保温棉+C92钢骨架+12 mm OSB板+25 mm XPS保温板+外挂板, 如图1所示。外墙面钢龙骨中不仅填充了保温棉, 具有良好的保温隔热效果, 且墙体内保温棉与墙面外保温板共同作用, 能有效避免墙体的“冷桥”现象, 形成双保险, 使保温隔热性能得到更好的保证。根据PKPM节能计算, 此外墙构造的传热系数仅为0.4, 其保温性能相当于550 mm厚的加压混凝土砌块墙。对整个建筑整体耗能而言, 此轻钢体系比传统钢筋混凝土结构体系能耗减少约60%, 大大降低了使用者的能耗费用, 是真正意义上的低能耗建筑。
5 建议与展望
1) 建议。针对模数化理念在低层轻钢结构建筑领域中的应用, 我国目前存在的问题, 现提出以下几点建议:
教育落后于市场, 没有跟上市场的发展。院校没有相关专业, 国内多数人对低层轻钢结构建筑了解甚少, 对于模数化理念在其中的应用更是认知度差。各规程和规范跟不上发展需要, 现有技术规范相对落后。目前的研究多数是针对低层轻钢结构建筑或者建筑模数化各自的领域, 而二者交叉的领域研究非常少。因此, 在这种情况下, 选择适宜的工程进行试点, 总结经验, 逐步向行业推广, 是必须要做的。
低层轻钢结构建筑相应的配套产品种类少, 并且缺乏技术引导, 工业化程度不高, 从材料、设计、加工等各环节还未形成完整的产业链。目前, 该技术未形成完整系统, 需进一步研究创新并进行整合。现在国内一些企业已经进军这一领域, 对此国家应适当予以扶持。
2) 展望。以模数化为基础的低层轻钢建筑, 在我国的发展具有良好的优势。我国钢铁行业发展非常迅速, 2012年我国钢产量已达到7.16亿t, 占全球钢产量的46.3%, 建筑钢材数量、品种、规格、质量均满足钢结构建筑的需要, 建筑相关配套产品也日益齐全, 为它的发展奠定了物质基础。
模数化理念在建筑设计中的运用, 虽然我国的发展水平与经济发达国家还有很长一段距离, 但可以预见的是在未来二三十年甚至更长一段时间内以模数化理念为基础的轻钢结构建筑制造业市场将会快速增长, 将成为我国建筑标准化、产业化市场发展的必然趋势。这对我国的现代化建设来说, 也是很好的发展机遇, 它的大力发展不但适应了国内对现代建筑的需求, 而且对调整我国建筑产业的产品结构非常重要。因此我们需要在思想上首先重视起来, 再结合各项目特点去逐渐将这一理念贯穿其中, 以达到逐渐实现建筑模数化、构件标准化、施工装配化、房子产品化的梦想。
参考文献
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[6]金仁.应大力发展资源能源循环使用的新型钢结构建筑[J].建筑时报, 2013 (10) :21.
轻钢结构建筑及应用 篇8
关键词：轻钢结构住宅,结构体系,住宅
我国在19世纪20年代以前,多层住宅的结构体系多为砖混结构,其承重墙体一般采用实心粘土砖,由于粘土砖的生产不仅能耗高、污染大,而且毁田严重,浪费耕地。为保护宝贵的土地资源,国务院办公厅要求,全国的直辖市、沿海城市、土地资源稀少地区的大中城市在2003年6月30日以前禁止使用实心粘土砖。如是大家面临一个问题:多层住宅结构采用什么材料来建造是最有前途?随着改革开放和现代化建设的飞速发展,我国的钢产量已跃居世界第一。钢的质量也有很大的提高,全面推广钢结构建筑与住宅的条件已经成熟,为此,国家建设部在修订我国“建筑业在推广应用10项新技术中”首次列入轻钢结构新技术,已把轻钢结构房屋作为一种绿色环保建筑列为全国重点推广应用项目,可以预计在不远的将来钢结构住宅在住宅产业化进程中将起到举足轻重的作用。
1 轻钢结构住宅体系的概念及特点
1.1 轻钢结构住宅体系的概念
轻钢结构住宅是以经济钢型材构件作为承重骨架,以轻型墙体材料作为围护结构所构成的居住类建筑。经济钢型材构件包括冷弯型钢、热轧或焊接H型钢、T型钢、焊接或无缝钢管及其组合构件;轻质墙体材料包括压型钢板及其组合板材、PC板、蒸压轻质加气混凝土板(ALC板)及稻草板等重量轻、保温防火隔热性能好、防水和耐久性能好的轻质材料。
1.2 轻钢结构住宅体系的特点
与传统的住宅结构相比,轻钢结构住宅有自身的优点和缺点,其优点主要有:1)建筑空间布置灵活,能很好地满足住户对建筑功能的要求。2)轻钢材料强度高,质量轻,塑性和韧性性能好,抗震性能十分突出。在实现梁的大跨度,高层建筑物、地震地区特别是高烈度地震地区的建筑建造中,这是一项很重要的优点。3)制作安全方便,施工周期短。轻钢结构可在工厂预制、裁剪、钻孔及组装,在工厂预制好后,才送往施工工地,这样,施工质量较易控制。在工地只要将一些部件用螺栓、铆钉锁紧或焊接,即可完成组装工作,避免了混凝土的湿作业,及混凝土结构的搭模拆模的繁琐工序,从而缩短了施工周期。4)轻钢结构是环保型的建筑结构。轻钢结构可回收利用,回收率高,轻钢结构建筑在生产和使用过程中不会或者很少产生二氧化碳,而砖石及混凝土结构在材料的制造和施工过程中会产生大量的二氧化碳。因此,轻钢结构符合国家环保和可持续发展的要求。其缺点主要有:首先,轻钢结构防火性能较差。轻钢结构在高温时强度会降低,因此必须作防火覆盖构造处理,而砖石及混凝土本身就是难燃烧材料。其次,轻钢结构的维护费用较高。轻钢结构住宅长期暴露在大气中容易锈蚀,需用油漆定期保养,而砖石及混凝土房屋则不需保养。其三,设计和施工的技术要求较高。
2 钢结构住宅的主要结构体系
我国常用的轻钢结构体系有:纯框架结构体系、框架-中心支撑体系、框架-偏心支撑体系、钢框架-混凝土剪力墙结构体系、交错桁架体系、钢框架-核心筒体系等。
2.1 纯框架结构体系
纯框架结构体系是钢结构住宅的基本体系,不设置柱间竖向支撑,可以采用较大的柱距和获得较大的使用空间,结构自振周期长,对地震作用不敏感,有很好的延性。但该体系的梁柱采用钢梁、钢柱,由于钢柱截面一般较混凝土的小,且多为H型截面,所以其抗侧移刚度要小得多,是一种典型的柔性结构体系,在水平荷载作用下,由于侧向刚度小,导致侧向位移大,易引起非结构构件的破坏,,如果建筑太高也很难满足层间位移比的要求,因此不宜建的太高,在地震区一般不超过15层。
2.2 框架-中心支撑结构体系
在框架结构体系中设置斜向支撑构件就形成了框架-支撑体系。当斜向支撑构件的两端均位于梁柱相交处,或一端位于梁柱相交处,另一端在另一支撑于梁相交处同梁相连,则构成了框架-中心支撑体系。与框架体系相比,框架-中心支撑体系在弹性变形阶段具有较大的刚度,很容易满足规范对结构物层间位移的限值要求。但这种结构体系在强震作用下,支撑中的受压杆件易受压屈曲,导致整个结构体系的承载力下降,并引起较大的侧向变形。
2.3 框架-偏心支撑体系
偏心支撑框架体系的特点是支撑连接位置偏离梁柱节点,每根斜杆应至少一端与框架梁相连,在梁端或梁的跨中形成一段短梁,称为耗能梁段。偏心支撑框架体系是近20年来发展起来的抗震结构。耗能梁段是偏心支撑钢框架塑性变形的的唯一构件,因此,在这种结构体系中设计的关键在于耗能梁段的设计,包括:支撑形状、耗能梁段长度和耗能梁段的截面特性等。耗能梁段在正常使用或小震情况下保持在弹性变形阶段,而在强震作用下,通过其非弹性变形,在其中产生塑性铰耗能。据有关资料表明[1],由于偏心支撑具有非常有效的控制变形能力,使得偏心支撑框架比纯框架节省钢材25%～30%,比中心支撑框架节省钢材18%～20%。
以上所述的三种结构体系是多层钢结构住宅建筑中最常用的最基本的结构体系,其它体系这里不再赘述。
3 轻钢结构住宅体系的国内外发展现状
在美国、日本、意大利、澳大利亚等国家和地区,早已把钢结构用于住宅,轻钢结构建筑则是一种常见的结构体系。在美国普通的低层民用住宅中,采用轻钢结构,特别是采用镀锌轻钢龙骨作为承重结构体系应用于住宅建造所占的比例[2],从20世纪90年代初的5%已发展到现在的25%左右,且技术已经成熟完善。如:日本积水房屋株式会社开发的B型体系;意大利钢铁公司与热那亚大学合作研究的BASIS工业化建筑体系等。瑞典是当今世界上最大的轻钢结构住宅制造国,它们的轻钢结构住宅预制构件达95%,欧洲各国都到瑞典去定制住宅,通过集装箱发运。
我国的轻钢住宅的研究和应用起于20世纪90年代末[2],目前还处于研究和试点工程阶段。2000年初建设部组织轻钢结构住宅方面研究课题的立项申报工作,各省市自治区建委联合开发、科研和施工等单位进行了申报,根据全国各地的申报,选出19项轻钢结构体系科技项目作为攻关项目,现已取得了部分成果。近年来[3]由同济大学、大通公司与宝钢冶金设计院、上海天艺公司等合作开发的低层、多层钢结构住宅已有200多栋,都是利用的高频焊接薄壁H型钢。目前全国各地进行了大量的试点项目,如:2000年9月由宝钢冶金设计院设计的新疆库尔勒的一栋8层错列桁架体系钢框架住宅楼;北京西三旗水电宿舍6层H型钢2剪力墙结构体系住宅楼;涿州中铁金属结构总厂4层纯钢框架轻钢住宅试验楼;江阴京江轻钢房屋公司5层钢框架轻钢住宅试验楼;清华大学大石桥学生5号公寓,该公寓为7层框架-支撑结构体系。还有上海福中高层钢结构住宅楼及大通公司和武汉城开房产合作开发的5层住宅等。
4 轻钢结构住宅体系的发展存在的问题及解决办法
多层轻钢结构住宅是一种极具发展前途的建筑形式,正在成为住宅产业发展的热点。然而作者认为以下问题有待解决。
1)专门针对轻钢结构住宅的有关技术规范和标准还不完善,这是影响轻钢结构住宅在我国发展的一个重要因素,因此,有关轻钢结构住宅的各种技术问题有待进一步解决。这些热点问题包括:①轻钢住宅典型连接节点及其抗震性能研究;②轻钢住宅中围护结构及隔断体系研究与开发;③轻钢住宅中防火、防腐和保温技术研究;④轻钢住宅中楼盖体系的研究与开发;⑤轻钢住宅的合理有效承重结构体系研究;⑥钢结构住宅体系的工业化研究等。
2)目前国产建筑用钢材在质量和技术上还存在一些问题:①厚板的可焊性差,16 mm厚板焊接时往往出现层状撕裂;②高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未解决,不能满足轻型房屋钢结构的需要;③型材品种规格还不能满足建筑要求,H型钢的规格不多;④目前国产钢结构用钢主要是Q235,建筑用高强度低合金钢品种太少,Q390钢材在实际工程中尚未见采用等。因此,提高国产建筑用钢材的质量和开发新产品是发展轻钢结构住宅的一个关键问题。
3)造价问题是影响目前钢结构住宅发展的一个重要原因,就因此还应该深入研究一些优化设计措施来降低结构的用钢量,进一步降低工程造价。
4)缺乏一批高素质的轻钢结构的科技人才和工程技术人员,这也都影响钢结构住宅的发展。由于国内无论中等或是高等专业学校的教学内容中均未涉及轻钢结构住宅体系,因此我国建筑类专业的工程技术人员对这一体系知之甚少,因此,应就将这种技术体系纳入专业学校的教学内容中,并对在职工程技术人员和技术工人进行培训,企业和社会的建筑科研院所也应投入力量进行深入研究和开发,使这一体系在我国日臻完善。
5 结语
尽管轻钢结构体系在我国推广目前还面临不少问题,但随着我国经济的不断发展、科技的进步和工程经验的不断积累,这些问题都可在实践中不断得到解决,轻钢结构建筑技术的应用前景将十分广阔。
参考文献
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[2] 吴广珊,华兰,等.多层轻钢结构住宅体系及其应用与发展[J].海应用技术学院学报,2003,3(4) :221-230
[3] 杨立国,闫月梅.轻钢建筑的结构体系及其节点型式探讨[J].建筑技术开发,2005,32(3) :48-50
轻钢结构设计的几点问题 篇9
【关键词】轻钢结构；设计问题；探讨
一、轻钢结构设计概述
轻钢结构是一种新型的钢结构，具有更大的应用灵活性与广泛性。具体而言，轻钢结构是指在传统普钢结构的基础上，通过对普通钢结构的深入研究，对其结构在实际应用中所存在的一些弊端与缺陷，通过相应的技术措施加以改造与创新，从而让这种钢结构的自重更轻，性能更加优越。
在我国钢结构行业发展过程中，轻钢结构在早期就已经有了界定，主要表现为以圆钢、小角钢等制造的钢结构，但从现代工业发展的观念来看，轻钢结构早已不再局限于简单的几类，而是又研发了更多的轻钢结构型式。轻钢结构制造采用的钢材也是从传统的型材中得到的，但它与普钢结构具有很大的差异。轻钢结构采用的主要有热轧H型钢、薄壁型钢及T型钢等。不仅如此，轻钢结构设计本身的理论与普钢也是不同的。下面以《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》和《钢结构设计规范》为例，对轻钢结构与普钢结构的差异性进行简单阐述。
首先轻钢结构与普钢结构设计在荷载取值方面具有一定的差异性，重点表现在对风荷载与屋面荷载的考虑方面；其次在结构设计分析方法上存在差异性，这个差异性主要体现在钢结构计算长度确定与结构局部稳定性方面；最后轻钢结构设计与普钢结构相比，其限制条件存在很大的不同，这方面主要体现在结构变形以及长细比计算方面。我国在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中对轻钢结构具有明确的规定，超过此规定的钢结构则不再属于轻钢结构，轻钢结构在设计过程中需要按照相应的技术规程进行工作开展，这样才能确保设计的合理性。
二、轻钢结构设计的几点问题
1.活荷载取值
《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定“对受荷水平投影面积大于6m2的钢架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3KN/㎡。”对受荷水平投影面积大于60m2的钢架构件，现在常用的设计方法是，屋面活荷载计算，计算钢架时一般取0.3KN/ m2，计算檩条时一般取0.5KN/m2。与美国规范相比，作为安全储备的活荷载取值为0.3～0.5KN/㎡，为美国规范0.6～1.0KN/m2的1/2左右。
随着全球气候异常性的出现，像大雪及大风等恶劣天气，这种情况下会使得轻钢结构存在不安全因素，再加上门式钢架本身截面小、重量轻，假如活荷载取值不合理，则很容易给轻钢结构带来更大的安全隐患。因此轻钢结构活荷载取值的大小，应依据项目的实际情况而定，并且需要综合考虑各种因素。合理的活荷载取值才能进一步确保轻钢结构的稳定性。通常来看，如轻钢结构施工所在地区冬季几乎无雪，建筑功能变化可能性很小，像一些民用建筑及仓库等，则活荷载可取0.3KN/m2；相反如地区性冬季下雪很频繁，建筑物结构内需要进行吊装，并且以后功能发生改变的可能性较大，像一些厂房，对于这种活荷载在实际中增加的可能性很大，因此在进行活荷载取值的时候，其数值不宜小于0.5KN/m2。
在实际中还存在着一些其它情况，像雪荷载大于活荷载的情况下，则在进行轻钢结构设计活荷载取值时则不能单纯地按照过程直接取值，而应将雪荷载与恒荷载或其他可变荷载进行组合后并与系数1.25进行相乘，这样计算取值的目的主要是考虑到屋面积雪的不均匀性；假如在实际中还存在公用专业管线置于钢架上，在进行设计时还应将悬挂荷载一起考虑到具体的设计过程中去，因此公用专业荷载的大小及位置应尽可能准确。在实际中主钢架计算时如无法准确提供有关荷载的状况下，则按照活荷载+不小于0.4KN/m2的悬挂荷载进行计算取值为宜。
2.风荷载体型系数取值
对于风荷载体型系数取值的问题，可以参照的规范存在有两类，一类是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，另一类是《建筑结构荷载规范》，这两种规范在实际中具有不同的适用性。门式钢架技术规程中设计到的风荷载体型系数主要适合范围为低矮的房屋建筑，其主要特征是梁上的风荷载敏感性较大，这个方面主要是从美国金属房屋制造的《低层房屋体系手册》中借鉴的。而结构荷载规范中涉及的风荷载体型系数则是对于高而窄的建筑结构而言的，这种体型中柱的风荷载敏感性較大。具体而言在实际的轻钢结构设计中按照哪种规范进行相关体型系数的选取，则需要依据实际情况而定。（1）当跨高比L/H不大于4时，门式钢架结构的计算应按《建筑结构荷载规范》选用。（2）当跨高比L/H不大于4时，门式钢架结构的计算应按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》附录A选取选用。
3.轻钢门式刚架的柱脚设计
柱脚按其与基础的连接方式不同，分为铰接和刚接两种。前者主要承受轴力，后者用于承受轴力和弯矩。如柱脚采用铰接，柱顶位移、应力较大，为控制柱顶位移和应力要增大梁柱断面，增加用钢量，如果柱脚设计成刚接截面，柱子的计算长度系数是铰接情况下的0.8倍左右，柱顶位移和柱子应力小很多。在我们弄清楚此条规范编制的原因和力学原理后，笔者认为柱脚设计成铰接还是刚接，不光看有无吊车还要看房屋的高度和风荷载的大小，如果房屋的高度较大而风荷载也较大，就是无吊车，也应设计成钢接。
柱脚的作用是把柱下端固定并将柱内力传给基础。由于混凝土的强度远比钢材低，所以，必须把柱脚底板放大，以增加与基础的接触面积。钢柱脚底板距基础边缘最小距离我国规范上没有相关规定。但在设计中应根据荷载大小进行相应的放大，防止基础柱脚的破坏。
三、结束语
轻钢结构设计考虑的因素较多，其设计理念与普钢设计相比要更具创新性与严格性，因此对于轻钢结构设计应给予重视，综合考虑不断完善优化设计。
参考文献
[1]门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS 102：2002.北京：中国计划出版社，2003.
蒙皮效应在轻钢建筑中的应用分析 篇10
轻钢建筑具有自重轻、工业化程度高、结构抗震性能好、综合效益优良等优点, 因而被广泛应用到工程建设中。屋面板和墙面板等围护体系相对于轻质的主体结构有着不可忽视的作用, 当围护体系 (主要指屋面板和墙面板) 与主体框架结构具有可靠连接时, 围护体系就会产生一定的平面内抗剪强度及抗剪刚度, 其与主体框架结构共同协调作用承担荷载, 可以有效加强结构整体刚度, 这种效应我们称之为蒙皮效应。轻钢建筑通常由组合蒙皮板和主体框架结构组成。围护体系屋面、墙面为若干蒙皮单元组成组合蒙皮板。围护体系中能产生蒙皮作用的最小单元称为蒙皮单元, 也称为蒙皮体[1]。如图1所示, 蒙皮单元主要由三部分组成:蒙皮板、框架构件 (檩条、椽及开口四周加劲构件) 及连接件。考虑蒙皮效应不仅使工程造价更加经济, 而且更符合建筑结构实际受力状态, 使得结构设计更为合理。
二、蒙皮效应工作原理及应用条件
蒙皮效应的工作原理[3]:以围护板与檩条及板与板之间通过紧固件连接起来, 形成以檩条作为其肋的一系列搁板, 这种板在平面内具有相当刚度, 类似于深梁中的腹板, 檩条类似于深梁中的加劲肋, 板四周连接的墙梁或檩条类似于深梁中的翼缘, 这种构造共同完成蒙皮效应功能, 可以传递板平面内的剪力, 承受板平面内的各种荷载作用。
蒙皮效应产生必须满足以下条件[4]: (1) 必须有足够的梁及连接来保证蒙皮板所受的力能够传到结构的主体框架结构及基础上去; (2) 在面板与面板之间必须要有足够的连接保证; (3) 各个蒙皮板必须与支撑梁有足够强度的连接; (4) 所有蒙皮板的边缘在跨度方向必须有边梁固定, 而这些梁和它们之间的连接必须能够保证承担蒙皮板作用产生的边界约束力。
三、蒙皮效应的研究
在轻钢建筑中, 蒙皮效应的研究方法大致可以分为三类[2]:试验方法、简化分析方法和计算机数值方法。目前国内蒙皮效应的研究还不是很成熟, 相应的规范正在编制中, 还有许多问题需要研究和亟待解决。
1. 闭口蒙皮单元和开口蒙皮单元抗剪性能。
国内一些研究者经过试验验证, 在有限元分析中可以把压型钢板等效为正交各向异性平板进行建模计算, 这样大大简化了有限元建模过程。影响闭口压型钢板蒙皮单元抗剪性能主要有六个较为明显的因素, 即压型钢板板型、板厚、板檩连接件间距、板板接缝处连接件间距、檩条间距及檩条截面尺寸, 其中板檩连接件的间距变化以及板板接缝处连接件的间距变化对蒙皮单元的抗剪性能最为显著。对开口压型钢板蒙皮单元抗剪性能主要有六个较为明显的因素按强弱程度依次为[1]:开口周边支撑状况、板檩连接件的布置间距、板缝连接件的布置间距、开口位置、开口面积及开口数量, 因此蒙皮结构的设计中应特别注意开口周边支撑加劲构件的设置以减小开口出现所致蒙皮效应的降低, 加强蒙皮单元抗剪刚度。国外文献规定, 开洞面积小于2%可以不必考虑对蒙皮效应的削弱, 开洞面积大于15%则蒙皮效应不可以利用, 针对我国实际情况还有待于进一步研究。
2. 连接构件性能及其与蒙皮单元作用。
蒙皮单元系的整体受力性能很大程度取决于压型钢板之间接缝处和压型钢板与周边构件是否可靠连接。若研究蒙皮单元系必须保障该体系各个构件有可靠的连接, 常用的在蒙皮结构体系中的连接件类型如图2, 不同的连接构件以及不同的连接方式对蒙皮效应有着不同的影响。
3. 考虑蒙皮效应时轻钢建筑整体受力性能。
蒙皮板在平面内产生抗剪性能, 与主体框架体系共同协调作用承担作用于结构上的荷载。在竖向荷载作用下, 屋面的蒙皮效应未能有效发挥作用;有风荷载的作用下屋面蒙皮效应发挥作用, 作用效果随着刚架距山墙的距离的增加而减弱, 屋面蒙皮作用对位移的作用效果要比内力明显的多, 蒙皮的作用对屋面的整体刚度的贡献是相当明显的。
4. 蒙皮效应现场施工技术控制。
在施工过程中, 结构自重、施工荷载等的影响不断变化, 对各个结构构件有着不同的影响, 例如由于结构稳定性完全依靠屋面板的受力蒙皮作用, 但在屋面板未铺好时结构是不稳定的。因此, 在转化为建筑产品时, 需要有严格的施工质量保证体系, 并在建设完毕后确保在日后的维护中能够采取行之有效的措施。
四、轻钢建筑中蒙皮效应的设计
1. 蒙皮效应设计步骤
必须在满足前面所述条件下才可以进行蒙皮效应的设计, 具体设计步骤可以参考如图3所示。在满足结构的安全性的前提下, 应充分考虑轻钢建筑的经济性、美观性等综合性能, 合理布置主体框架。主体框架的布置要考虑结构体系特征、荷载类型、荷载性质、荷载分布等综合因素, 力求刚度均匀、力学模型清晰, 杜绝出现结构的扭转情况。结构布置结束后, 需对檩条及墙梁等构件截面作初步估算。根据受力情况合理选择截面形状, 并对所选择的构件截面进行结构优化。结构构件选择之后, 就需要连接拼装起来, 拼装结构构件所选择的连接方式及构件应能够为蒙皮效应提供充分的保障。所选的一切结构构件必须满足强度及变形的要求, 具体的强度、刚度的计算见后所述。
2. 蒙皮单元抗剪强度计算
蒙皮单元抗剪强度计算模型可以采用如下简化假设[2]:
(1) 每条接缝处的滑移值均相等。
(2) 单块压型钢板内部, 在同一竖列的各个压型钢板与檩条间连接件的竖向内力相等, 每一列压型钢板与檩条间连接件竖向内力的合力以两端紧邻压型钢板接缝的那一列的值最大, 在竖向对称处为零, 竖向内力的分布呈线性过渡。
(3) 所有中间檩条不传递沿着檩条方向的力, 所有平行于檩条方向的力均由边缘檩条传递给压型钢板。
(4) 作用在框架上的外力全部传递给压型钢板。
(5) 忽略檩条在蒙皮板内弯曲变形所引起的沿接缝方向的位移。
如图4所示, 压型钢板布置形式有两种:压型钢板的跨度方向垂直于和平行于蒙皮单元长度方向, 另一种是压型钢板的跨度方向平行于蒙皮单元长度方向。蒙皮单元的剪切破坏模式通常有三种, 根据每种破坏模式分别得出蒙皮单元的抗剪强度。文献基于第一种布置方式推导了抗剪强度公式。
(1) 边缘框架构件的连接件发生破坏:Pu=Qpn+npQp∑mi。
式中, n—压型钢板与框架横梁连接件数 (压型钢板与边缘构件的连接件具有相同强度) ;
mi—压型钢板与檩条连接件的横向力分布系数
xi—压型钢板上任意一连接件到板的中心线的距离;
Qp—压型钢板与檩条连接件的抗剪强度;
np—蒙皮单元高度内檩条的总根数;
w—单块压型钢板的宽度。
(2) 蒙皮单元内部压型钢板之间接缝处的连接件破坏:
式中, ns—压型钢板之间接缝的连接件个数 (未包括压型钢板与檩条之间的连接件) ;
Qs—压型钢板之间接缝的连接件抗剪强度。
(3) 压型钢板端部连接件发生破坏:
式中, nsp—蒙皮单元中压型钢板块数;a—垂直与压型钢板波形方向跨度;
b—平行与压型钢板波形方向跨度;
nf—端部单个压型钢板与檩条连接件的数目;Qf—压型钢板端部连接件所受的合力设计值。当压型钢板跨度平行于蒙皮单元的跨度时, 由剪切效应等效的原则 (蒙皮单元的剪应变γ相等) , 得出其剪切强度计算公式P′u=baPu。
3. 抗剪刚度的计算
抗剪刚度指蒙皮单元在单位变形下所需施加的荷载, 抗剪刚度和抗剪柔度互为倒数。和抗剪强度计算类似, 先按压型钢板的跨度方向垂直于蒙皮单元长度方向这种方式推导出抗剪强度。蒙皮单元的变形包括以下组成。
(1) 压型钢板的变形:剪切变形和翘曲变形,
式中, E—钢板的弹性模量;
t—钢板的净厚;
d—单个波形板距离;
μ—钢板的泊松比;
s—一个单波的展开面的宽度;
—与压型钢板的截面尺寸相关的一个常数;
α1—考虑压型钢板与中间擦条间连接件对变形影响修正系数;
α2—考虑压型钢板沿着长度搭接方向的影响, α2=1+3nb (nb≥2) ;
nb—压型钢板长度方向搭接的块数。 (2) 连接件滑移引起总的变形:
式中, Sf—压型钢板与檩条或框架构件剪切柔度系数;
Sf—接缝处连接件的剪切柔度系数;A—檩条截面面积。
(3) 蒙皮单元弯曲应力引起的变形:
蒙皮单元总变形为各个变形部分之和, Δ=Δs+Δd+Δf+Δm。蒙皮单元在单位力作用下的位移为蒙皮单元的抗剪柔度C, 则有:
蒙皮单元总的抗剪刚度为抗剪柔度的倒数, 即G=C1。
当压型钢板跨度平行于蒙皮单元的跨度时, 同理由剪切效应等效的原则, 得出其抗剪刚度计算公式:, 则蒙皮单元总的剪切刚度为
4. 结构空间简化有限元模型
考虑轻钢建筑的蒙皮效应, 屋面和墙面参与主体结构共同工作, 围护结构和主体结构相互作用。蒙皮单元等效成对角弹簧模型后, 可以建立考虑蒙皮效应后的结构的空间计算模型如右图5[2]。
5. 蒙皮效应设计注意事项
考虑蒙皮效应, 实际是考虑结构的空间工作, 从而较为真实地反映受力蒙皮参与轻钢结构体系共同工作的程度。 (1) 由于端刚架的抗侧移能力对受力蒙皮作用的产生是至关重要的, 因此端刚架应适当加强, 使其承担端反力, 同时加强边缘构件强度及其连接。 (2) 当蒙皮板长宽比过大时, 其受荷能力就会减弱, 变形可能增大, 蒙皮效应就会变差。因此, 应控制蒙皮板的长宽比。 (3) 蒙皮效应由于受到不同的连接方式、连接间距、材料及钢板规格的影响, 也可能出现连接构件或者连接部位发生脆性破坏, 对于脆性破坏形式, 在设计中应至少保持有25%的富余量。 (4) 必须严格规定建筑物在使用和维护期间不得拆卸已用作蒙皮效应的围护体系, 在设计图中宜标注。若必须拆卸, 则应进行设计验算, 采取拆卸前设置临时支撑等措施。
五、结束语
考虑蒙皮效应的经济效益和结构分析合理性, 经过理论分析和工程实践验证, 已经广泛地被人们所接受。然而, 影响结构的蒙皮效应发挥的因素是十分复杂的, 目前还难以找到合理的计算指标来定量, 蒙皮设计理论还需不断地完善。
摘要：考虑蒙皮效应不仅具有经济效益, 而且使轻钢建筑设计更为合理。本文对蒙皮效应的基本原理、应用条件、抗剪强度和刚度、计算模型、设计注意事项的论述, 为轻钢建筑的设计提供了有价值的参考建议。
关键词：蒙皮单元,蒙皮效应设计,蒙皮效应
参考文献
[1]郑瑾.轻钢建筑围护体系蒙皮效应的试验及理论研究:[博士学位论文].上海:同济大学, 2007.
[2]刘洋.轻钢结构蒙皮效应的理论与试验研究:[博士学位论文].上海:同济大学, 2006.
[3]尚万祥, 何永福.蒙皮效应在轻钢结构厂房中的应用。淮南工学院院报.2005, 15 (6) :74-76.
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