轻钢结构分析及轻量化设计

轻钢结构分析及轻量化设计摘要:轻钢结构相比于传统的钢结构更轻,它由基础体系、承重体系、支撑体系、楼盖体系、维护结构等部分组成,在设计时尤其要注意其轻量化设计。关键词:轻钢结构结构体系轻量化设计20世纪80年代以来随着钢产量的不断攀升,国外的轻钢结构也进入了国内市场,并随着其应用越来越广,人们对其认识也发生了重大转变。概而言之,现代轻钢结构是指以各种H型钢、冷弯薄壁型钢、焊接薄钢板变截面梁、柱等构成的建筑结构,与传统的轻钢结构相比,它更突出了“轻”字,并且应用范围也进一步扩大,由工用向民用拓展,显示了其强大的生命力。1现代轻钢结构的特点分析(1)钢结构首要的特点就是结构自重轻,强度高的特点,工程造价低的特点。而现代轻钢结构更轻,由于采用了轻型H型钢、冷弯薄壁型钢、薄钢管等材料,材料的性能更能得到充分的发挥。(2)结构体系简单,设计有程序可依。目前有许多比较成熟的轻钢结构设计程序,如中国建筑科学院开发的STS软件,同济大学开发的3D3S程序、建筑标准设计研究所开发的GFCAD等等,所有这些软件大大减少了设计周期。(3)材料规格种类少,能够标准化生产。轻钢结构变大型部件为梁、柱、板结构,部件的单位由大变小,部件的生产、运输、吊装更加轻便。而且部件的组装空间的任意性强,能够有效缩短施工周期,能够提前投入使用。(4)采用大空间结构,方便使用者根据需要对空间进行功能划分。轻钢结构采用的是框架或框架剪筒式结构,并没有事先规定功能区域,用户可以根据自己的需要,对室内空间进行任意分割。(5)有利于环保,轻钢结构的构件之间通常采用螺栓连接,拆装方便,整个建筑物可在很短的时间内拆迁,损失极小,并且当建筑物的全寿周期结束后,很少产生固体垃圾,有利于环保。(6)轻钢结构具有良好的抗震性能。由于轻钢结构的柔性比较好,能够很好地消耗地震能量,因此,在地震中,破坏极小,并且,由于现代轻钢结构自重更轻,材料简单,即便在地震中发生很大的破坏,也不会导致很大的伤亡。因此,现代轻钢结构相比于其他结构来说,具有无可比拟的综合经济效益和社会效益。2轻钢结构体系组成轻钢结构通常由基础体系、支撑体系、以及承重体系、楼盖体系、维护体系等部分组成。其中,基础体系、支撑体系、承重体系以及楼盖体系对轻钢结构最为重要,直接与结构的稳定性、安全性相关。首先,就基础体系说,轻钢结构自重轻,对基础要求相对较低,通常以柱下独立基础为主,当地基比较弱的时候,可以采用十字形或条形基础。但由于各基础之间彼此独立,因此,必须要考虑各个基础之间的不均匀沉降问题,选择基础场地时,必须要对基础的地质状况进行必要的勘察、计算,确定采用何种基础及尺寸大小,以避免不均匀沉降对对整个结构的影响。其次,轻钢结构柔性大,因此水平荷载对其影响很大,为了保持结构的稳定性,就必须要在柱间布置支撑体系,通常有单斜杆型、X型、人字或倒人字型、W或倒W型以及偏心支撑等形式,每一种形式的承载力也各不相同,在我们的设计中,通常是根据结构所承载的水平作用力的大小,采用模拟试验的方式进行选择。再次,承重结构直接与建筑物的使用功能相关,通常说来,轻钢结构承重体系主要有钢架结构体系、多层结构体系,其中后者又包含框架结构体系、框架－支撑体系、夹心板组合房屋体系等多种体系,每一种结构体系的适用范围各不相同,在实际设计中,必须根据总的功能需要及建筑要求选择合适的结构体系,如单层大开间的工业厂房、超市、仓库,就应选用门式钢架结构体系。最后,为了确保轻钢结构的整体稳定性,楼盖必须体系必须要慎重。在进行楼盖设计时,楼盖主次梁必须通过结构措施与楼面板紧密相连,以确保钢梁的整体稳定性。楼盖的材料,目前主要有现浇钢筋混凝土楼板、轻骨料加气砼楼板、压型钢板一现浇钢筋混凝土组合楼板、预制轻质混凝土板等。这些材料中,压型钢板-现浇钢筋混凝土组合楼板兼具两种材料的优点,因此应用的比较广泛。3轻钢结构轻量化设计要点为了体现轻钢结构的特点,进一步提高轻钢结构的性能,在设计的时候必须注重轻量化设计,减轻结构自重。而随着结构重量的降低,水平荷载对结构的影响加大,因此轻量化设计与提高结构刚度必须同时进行,具体如下。3.1合理选择材料及其形式减轻结构自重首先要从维护结构上着手。为了降低重量,可以采用防水、围护、装饰一体化的轻质多功能新型屋面、墙体材料。目前,这些材料都已经实现了标准化生产,使用方面,并且大大降低了结构的自重。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。其次,从结构体系所使用的材料来看,不仅要考虑是否减轻结构自重,还要满足安全性和可靠性方面的需要。目前我们国家通常采用Q235和Q345钢,其中Q235钢的质量等级从低到高分别为A,B,C,D四个等级,Q345钢的质量等级从低到高分别为A,B,C,D,E五个级别。在实际设计中,承重体系要采用Q235B级或Q345A级及以上钢材,重要部位的钢材,在使用前必须进行必要的冲击试验,以检测钢材的冲击韧性是否满足要求。再次,为了最大发挥钢材性能,钢材的截面形状必须予以充分考虑。依据材料力学,截面材料离截面形心越远,其截面惯性矩就越大,其抗弯刚度和结构的抗侧刚度也就越大,这样,材料的性能就能得到最大的发挥,因此,在实际工程中,对于重要的承重部件以及支撑部件,通常采用薄壁宽肢的C形、Z形和H形截面等形式,以提高结构的刚度和稳定性。3.2提高结构的侧向刚度轻钢结构重量轻,柔性大,对结构产生影响的主要不是重力荷载,而是水平荷载。在水平荷载作用下,钢架、屋架、檩条的内力容易发生变化,甚至会出现比较极端的情况,即拉杆变为压杆,这样,结构的稳定性和可靠性就会大大降低,为此,必须采用必要的结构措施来提高结构的侧向刚度,具体如下:首先,如上所述,在柱间设置单斜杆型、X型、人字或倒人字型、W或倒W型以及偏心支撑等;其次,当檩条跨度4m<L≤6m时,要在离檩条上翼缘1/3腹板高度处设置一道拉条,同时屋脊和檐口檩条间要设置撑杆和斜拉条。再次,在梁下翼缘及柱内翼缘设置隅撑提高梁下翼缘以及柱内翼缘抗压能力,从而提高梁下翼缘以及柱内翼缘的整体稳定性。4结语轻钢结构在我国从无到有,从国外引进到消化吸收、开发自己的轻钢结构体系,表明轻钢结构住宅在我国发展很快,并积累了大量的经验。但目前还有许多问题需要进一步研究和完善,如设计及施工方法上还未有建立相关的规范,防腐、防火问题还未得到完全的解决等等。但随着住宅产业化、绿色化的发展,轻钢结构的应用前景广阔,因此,大力研究、开发、推广和发展轻型钢结构住宅体系就尤为重要。