轻型钢结构的发展现状及前景

轻型钢结构的发展现状及前景随着国内建筑行业的发展，建筑的体系以及建筑材料的变化，成为了当前国内住宅建筑发展的趋势。由于我国是钢产量大国，因此钢材的推广以及使用对我国建筑行业的发展有着重要意义。近几年国内经济迅速发展，人们生活水平不断提高，对住宅的外观、稳定等方面有了更高的要求。对于低多层住宅，轻型钢结构住宅越来越能够满足人们的需求，并渐渐得到认可，但是并没有得到广泛的普及，这种结构仍存在着诸多问题需要解决。轻型钢结构住宅主要的构建材料就是镀锌轻型钢龙骨为主要的结构构件，运用此材料主要的优势在于，可以保证住宅性能的良好，同时还可以保证所构建的住宅具有自重轻、工厂预制化程度高、建造速度快、劳动强度小的优点。但是轻型钢结构住宅在我国还处于发展阶段，在对住宅进行设计的过程中还存在一些严重的问题，还需要进一步的研究。一、国内外轻型钢结构发展现状（一）国外轻型钢结构发展国外轻型钢结构发展较早，最初用于建造私人汽车库等简易房屋。第二次世界大战时期，由于战争的需要，一些拆装方便的轻型钢结构建筑用于营房和库房。1960年代以来，国外建筑钢材的发展有了很大突破，色彩丰富而耐久的彩色压型钢板的出现以及H型钢和冷弯型钢的问世，极大地推动了轻型钢结构的发展。目前，欧美各国由轻型钢结构体系建造的非居住单层建筑物占50%以上，日本新建的1-4层建筑大多采用轻型钢结构。瑞典是当今世界上最大的轻型钢结构住宅制造国，许多欧洲国家都到瑞典去定制住宅，通过集装箱发运。外国轻钢公司大都有自己的轻型钢结构系列，各公司的轻型钢结构系列大同小异。（二）国内轻钢结构发展早在1960年代初，我国钢材十分匮乏，为了解决在设计中长期存在的“深基、重盖、肥梁、胖柱”的问题，当时以小角钢和小圆钢为主要材料组成的轻型钢结构应运而生。这些轻型钢结构主要为屋盖承重结构，取材容易，经济指标比较好，用钢量较少，接近相同条件下钢筋混凝土结构用钢量，并可节省大量木材、水泥和其他建筑材料,减轻结构自重70%-80%，为改革笨重的结构体系创造了条件。冷弯型钢是一种公认的经济断面型材,我国的冷弯型钢始于1950年代。1960年代中期,在部分地区兴建了10余万m2冷弯型钢结构试点工程。关于门式刚架，早在1960年代初我国就进行了研究试验，主要是刚架的塑性设计，并在试点工程中采用。近年来，我国轻型钢结构得到飞速发展，每年总体增长近200万m2，相当于1980年代我国轻型钢结构的全部建筑工程量，然而与一些发达国家相比，我国还存在一定的差距。二、轻型钢结构的特点（一）重量轻。重量轻是轻型钢结构房屋最大的优点。其承重结构采用轻型焊接H型钢和冷弯薄壁型钢。这种型钢截面形状可以按照实际受力情况和使用特点进行设计，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%。（二）供货迅速,安装方便。材料的工业化大生产以及重量轻等决定了供货迅速这一优点。由于采用螺栓、自攻螺丝等连接，现场焊接工作量小，无湿作业，不需支模，无需养护期，冬季工期不受影响，根据以往的工期经验，可以比混凝土结构至少缩短一半以上的工期。（三）施工周期短。轻型钢结构中所有构件均可以由工厂制作，现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需1-2个月，而若采用钢筋混凝土结构则需要10-12个月左右。（四）抗震性能好。由于钢结构属于柔性结构且自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。墙体龙骨在封闭完结构板材和石膏板后形成非常坚固的板肋结构体系，从而提供了更强的抗震及抵抗水平荷载能力。轻钢建筑可以抗御8级强度的地震。（五）造型美观,节奏明快,内部空间大。比一般的结构更容易分隔空间，从而可以方便地进行扩建和改建，可灵活布设各种工业管线。（六）经济效果好。由于这种结构的构件都是采用工业化的大批量生产，所以其质量容易控制。采用这样的建筑结构体系要比混凝土结构造价低，经济效果要好得多。（七）钢材强度高,塑性和韧性较好。轻型钢结构所采用的钢材强度高，塑性和韧性较好，所以能保证结构在使用期间不会发生突然破坏，受冲击作用时不容易脆断，承受动力荷载的性能较好，可靠性较高，抗震性能好，最适宜于地震区及主要的建筑物。（八）采光好。工业厂房一般需要更好地利用自然光线，轻型钢结构系统大量使用采光带，既满足了生产上对光线的要求,又降低了造价。（九）轻型钢结构安装方便,拆除也容易。由上所述，采用轻型钢结构，特别是轻型门式刚架房屋，在造价上低于钢筋混凝土结构，早投产、早受益的综合经济效益更高。三、轻型钢结构建筑的常用结构体系（一）门式刚架门式刚架结构体系是我国轻型钢结构工业建筑中最主要和最受欢迎的结构形式。采用门式刚架作为主承重结构，压型钢板为围护结构，设计上一方面允许腹板局部失稳，并利用腹板的屈曲后强度，另一方面通过改变腹板的高度将刚架的梁柱做成变截面形式，以适应结构弯矩内力的分布规律，因此，可较同等条件下的普通钢结构节约钢材10%-20%。目前，我国门式刚架结构的设计、制作、安装技术已日趋成熟，应用范围包括各类轻型工业厂房、超市、综合楼、仓库、机库、农贸市场、饮食娱乐、体育场馆、候车室、码头建筑及各种临时性建筑。门式刚架属平面受力体系，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，门式刚架已成为国内外大规模现代化工业厂房的首选结构形式。目前，这种结构在我国的实际工程中最大跨度已达72m，厂房单体最大建筑面积超过了75万m2。（二）多层多跨框架结构体系多层多跨框架结构体系的主要组成部分是梁、柱及与之相连接的屋楼面结构、支撑体系和墙板或墙架结构。其厂房高宽比不宜大于6，柱网设置宜为6-12m，常设计成强柱弱梁形式。梁柱均为等截面，材料主要选用高频焊接和热轧H型钢、普通或轻型热轧型钢、冷弯型钢等。多层框架轻钢建筑自重轻，自振周期较长，对地震作用反应不敏感，但框架体系的侧向刚度较小，需设置各种侧向支撑，或者结合电梯井的布置，采用框架——抗剪桁架结构、框架——抗剪钢板剪力墙、框架——钢混剪力墙等新体系，以确保结构水平位移控制在规范允许的范围内。这种承重结构方案适宜于多层轻钢建筑这一类很有发展前途的金属建筑形式，如：总高度小于24m的商业购物中心、办公大楼等公共建筑；总高度在20m以下，楼面荷载小于8kN/m2的电子、机械等行业的工业厂房；10层以下的多层民用住宅。（三）交错桁架结构体系这种结构体系由上述框架结构体系演变而来，是20世纪60年代美国麻省理工学院开发的一种新型结构体系，可以在建筑上获得两倍柱距的大开间，便于室内灵活布置。结构组成包括钢架柱、平面钢桁架、楼面板、屋面板、支撑等。特别适用于住宅、旅馆、办公等公共建筑，而且综合造价比传统的纯钢结构和混凝土结构都低。该结构体系建筑在美国、澳大利亚等国家已有应用，最高已建到43层。我国尚无工程应用，目前国内有关部门、机构和科研院所正致力于该体系的研究。（四）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经冷压或冷弯而成，基本形状为C形、Z形和矩形，并可形成各种折皱和卷边，拼成工形或T形，以提高截面刚度和承载力。冷弯薄壁型钢过去多用做屋面、隔断和围护结构的单体构件，只有少量作为结构构件在中、小跨度门式刚架（无吊车）、货架中。而今在很多国家和地区采用冷弯薄壁型钢作为承重骨架的结构越来越多地用到单、多层住宅和别墅建筑中，形成了冷弯薄壁型钢新型结构体系。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槽钢组成的工形、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，因此具有安装简便、搬运重量少、仅需小型起重设备、施工快捷等优势，在低层住宅方面具有很大的发展潜力。这种结构体系在我国的发展刚刚起步，现阶段的设计依据主要为冷弯薄壁型钢结构技术规范。（五）金属拱形波纹屋盖结构体系金属拱形波纹屋盖结构体系是一种用彩色钢板现场滚压成型的屋盖结构体系，集承重与维护功能于一体，屋盖的保温功能靠内部喷覆的保温材料来实现，具有无梁无檩、板件之间锁边连接不需栓焊、防水性能好、施工速度快、用钢量省等优点，广泛用于厂房、仓库、商场、机库、军营建设。从结构形式看，金属拱形波纹屋盖结构主要采用圆弧拱体系，有落地和非落地两种形式，且多为无窗封闭式屋盖。由于这是一种薄壁拱壳结构，其内力分布状态和变形特征对缺陷极为敏感，截面折皱虽然加强了局部稳定性，但对整体失稳影响很大，因此需要进一步对拱壳的整体稳定性和局部稳定性进行分析研究。（六）节点构造轻型钢结构柱多采用H形或箱形截面。由于腹板比较薄，故在弱轴方向与梁的连接多采用铰接，在强轴方向采用刚接形式。有时还可采用半刚性连接，但其受力特性较复杂，往往需通过试验来取得较准确的设计数据。同时，轻型钢结构的构件相对较薄，应尽量避免工地现场焊接。为了加强结构的整体刚度，可以把次梁做成连续梁的形式。（七）基础形式轻钢房屋基础常用柱下独立基础、条形基础、十字形基础。采用柱下独立基础时，应注意各基础相对不均匀沉降对上部结构的影响。基础梁常用现浇或预制钢筋混凝土结构，有时根据要求也可采用钢基础梁，但通常将埋置在地面以下的柱脚和钢梁外包混凝土，以解决防腐问题。四、轻型钢结构体系需要注意的技术问题（一）轻型钢结构体系的隔震减震技术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，在轻型钢结构住宅建筑体系中，应充分采用。隔震即隔离地震。在建筑物基础与上部结构之间设置一层隔震层（隔震层可采用橡胶隔震支座），把房屋结构与基础隔离开来，隔离地面运动能量向建筑物的传递，以减少建筑物的地震反应，即地震时建筑物只发生轻微运动和变形，从而保证建筑物的安全。消能减震则是通过在建筑物中设置消能部件（消能部件可由消能器及斜撑、填充墙、梁或节点等组成），使地震传输到建筑物的能量一部分被消能部件所消耗，一部分由结构的动能和变形能承担，以此达到减少结构地震反应的目的。（二）轻型钢结构的防火钢材虽为非燃烧材料，但不耐火，温度为400度时，钢材的屈服强度将降至室温的一半，温度达到600度时，钢材基本丧失全部强度和刚度。当建筑采用无防火保护措施的钢结构时,一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏甚至倒塌，所以，钢结构一方面要进行结构的抗火设计,另一方面要采用防火保护措施。一般不加保护的钢结构耐火极限仅为10-20min。为提高钢结构的抗火性能，需采取防火措施，使钢构件达到规定的耐火极限要求。钢结构的防火保护措施有三种：一是紧贴包裹法。采用防火涂料，紧贴钢构件的外露表面，将钢构件包裹起来。防火涂料分为膨胀型和非膨胀型两大类，膨胀型防火涂料，耐火极限可达0.5-1.5h，非膨胀型防火涂料，耐火极限可达0.5-3h。二是空心包裹法。采用防火板或耐火砖，沿钢构件的外围边界，将钢构件包裹起来。三是实心包裹法。采用混凝土将钢构件浇注在其中。（三）轻型钢结构的防腐钢结构耐锈蚀性较差，产生锈蚀后，会使构件截面减少，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。钢结构设计规范规定,除有特殊需要外，设计中一般不应因考虑锈蚀而加大钢材截面或厚度。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。在钢材表面涂以非金属保护层，使钢材不受空气中有害介质的侵蚀。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，但它可为减缓钢结构的锈蚀速度创造一个良好的环境，对钢结构的防锈起着积极的作用，在从事钢结构的设计时这些构造防腐措施不可忽视。五、轻型钢结构发展的机遇及发展中存在的主要问题（一）轻型钢结构发展的机遇我国钢产量1978年为3178万吨，1999年为12395万吨，目前年产近3亿吨，已成为世界上最大的钢