轻钢建筑结构设计问题探讨

　　[摘要]：近些年来，轻型钢结构建筑以其外形美观，施工进度快，符合环保及综合造价低等优势，在工业及民用建筑得到广泛应用，由于各设计单位及施工加工单位技术力量参差不齐，在设计及施工上常之出现一些问题，给结构的安全带来隐患以及经济浪费，本文针对常些现的问题进行分析总结，并提些解决方案，供科研、设计及施工人员参考。
　　[关键词]刚架，稳定，应力，优化，钢构件
　　轻钢建筑大量用在工业建筑厂房及一些大空间民用建筑如体育、超市、展览厅等，门式刚架使用优势较多，目前，轻钢设计及施工由专业厂家完成，很多专业厂家无专项设计资质，设计完成后找一家有设计资质的设计单位出图，出图前设计单位未进审核或对轻钢不了解，只是“套用”图签，在施工期间对出现的问题只凭经验进行处理，未对结构进行整体分析，这样的工程项目会存在安全了隐患，或会造成严重浪费。
　　笔者在多项轻钢结构设计及审图工作中对常出现的问题进行了总结分析，以便使轻型钢结构建筑得到良好发展及广泛应用。
　　一、门式刚架的优化设计
　　门式刚架的用钢量主要与结构形式、荷载大小、建筑尺寸、钢材性能等条件有关，其中建筑尺寸主要包括刚架的跨度、柱距、檐口高度和屋面坡度。当某项工程初始条件确认后，应从可变条件下寻求经济合理的尺度及构造措施。
　　1、门式刚架的吊车或使用荷载是影响柱距的主要因素，当荷载较大时，柱距宜取得小些，建议取6—7.5m，一般取6m，荷载较小时，柱距宜取8—10m，一般取9m，。柱距再加大时要综合考虑屋檩和墙梁的造价影响。
　　2、刚架跨度也存在最优尺寸，主要影响因素也是荷载大小，荷载较小时，跨度宜取24—36m，荷载较大时，经济跨度在18—24m。
　　3、刚架钢构件的应力控制，结构计算一般用计算机分析程序分析，刚架在满足变形及稳定条件下，构件的应力比应控制在0.90—0.95范围之内，钢构件如梁构件截面高度宜高些，减小翼缘板厚度，可降低用钢量，对柱截面，当刚架较高时，往往由平面外稳定应力控制，这时可在柱高中部设置刚性系杆，减小柱计算高度，可获得较好效果。
　　4、隅撑没置可减小刚架斜梁计算长度，梁截面较高时，梁的平面外稳定应力为控制因素，隅撑能阻止梁受压翼缘的平面外失稳。隅撑设置间距一般为檩条间距的2倍。
　　5、刚架结构钢材尽量使用单一钢种以便工程管理，从经济方面考虑，当强度起控制作用时，可选择Q345B，当稳定起控制作用时，宜选用Q235B，Q345钢比Q235钢可节约15%—25%。
　　6、柱脚的连接方式有两种：铰接与刚接，一般情况宜用铰接，当设有吊车时，柱脚选用刚接，当厂房工艺要求较高时，柱脚做成刚接，厂房顶点侧移能够减小，但相应基础尺寸加大。
　　二、刚架稳定及空间整体性
　　刚架平面外的整体稳定是靠柱间支柱、屋顶纵横向水平支撑及刚性系杆来实现的。
　　1、柱向支撑设置主要依据规程中要求进行布置，但在设计中常常出现问题，位置不合理，数量不够，支撑截面形不合理等，当设有吊车时宜设在温度区段中部，或当温度区段较长时宜设在三分点处，且间距不宜大于60m，温度区段端部仅设上柱支撑。关于柱间支撑截面形式，当无吊车的厂房可选用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑，当设有起重量不小于5吨桥式吊车时，下柱间宜采用单片型钢支持，尽量设在柱形心的位置，当设有起重量不小于10吨的桥式吊车时，下柱柱间宜选用双片支撑，与柱翼缘板相连，上柱可设单片支撑。
　　柱间支撑的内力分析，主要受纵向风荷载及吊车纵向水平刹车力，荷载均匀分配到每个柱间支撑。
　　2、屋盖支持系统由交叉支撑及系杆组成。交叉支撑可由柔性杆或刚性杆组成，柔性支撑杆按拉杆设计，柔性交叉支撑之间必须设置刚性压杆，柔性杆一般由圆钢制做，端部要设张紧装置，柔性交叉支撑主要用于抗震烈度7度及7度以下且吊车吨位较小的厂房。刚性交叉支撑系杆由型钢组成，计算时按拉压杆计算均可，一般由角钢制做，主要用于抗震烈度7度以上或吊车吨位较大的厂房。非交叉支撑中受压杆及刚性系杆应按压杆设计，一般由圆钢管制做，也可用H型钢。屋盖横向支撑的内力应根据纵向风荷载按支承于柱顶的水平桁架计算。屋盖支撑与刚架连接一般采用铰接，连接处刚架上要设加劲肋板，以防止刚架梁腹板局部失稳，在设计图纸中，很多设计人员忽略加劲肋板的作用，不设加劲肋板。
　　3、隅撑的作用，设置隅撑是为了主刚架梁受压下翼缘和刚架柱受压内翼缘出平面的稳定性。当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘侧面布置隅撑作为斜梁的侧向支承，隅撑另一端连接在檩条上，梁平面外的计算长度可取隅撑间距的2倍。设计时，常常漏设刚架柱顶隅撑。
　　施工图设计中，设计人员往往对隅撑的设置不重视，少设影响结构安全，多设施工时较麻烦，隅撑的设置范围应根据刚架的弯矩包络图来确定。在施工时，有时施工人员把隅撑取消或不按设计要求设置，这样刚架会存在严重的安全隐患。
　　三、构件设计
　　1、抗风柱：抗风柱用于厂房端部山墙外，抗风柱的作用有两种，一种作用为支承山墙的轻质围护墙，另一种作用承担山墙的风荷载。但在抗风柱设计计算时，往往忽略围护墙的自重，存在安全隐患，抗风柱应按偏心受压杆设计。抗风柱的上下连接有两种方式：一是上下铰接，二是上铰接下刚接，第一种上部连接要保证柱的平面外稳定，但在实际设计中常遇到上部用一块较薄的弹簧板连接，平面外稳定很难保证，上部最好用具有平面外刚性的型钢连接，或者增设交叉支撑来保证抗风柱的平面外稳定。抗风柱最好采用第二种连接方式，第二种方式通过抗风柱传到屋盖支撑的风荷较小。
　　2、吊车梁：轻钢结构的门式刚架吊车吨位不大于20吨，A1—A5工作级的桥式吊车，吊车梁一般采用截面由工字型钢或焊接组合工字形梁组成的简支吊车梁系统。厂房中吊车产生的横向荷载都比较小，一般采用加强受压翼缘的方式提高吊车梁的整体稳定性，不再单独设置制动结构。吊车梁与牛腿连接有两种方式，即平板式支座加劲肋和突缘支座加劲肋，突缘支座加劲肋，除伸缩缝处和封闭轴线厂房端部柱处不能采用此种形式外，其它均可采用。此种形式对柱平面外的偏心较小，工程上使用较为广泛。采用突缘支座加劲肋时，梁下翼缘板必须采用弹簧板与牛腿连接。[!--empirenews.page--]
　　吊车梁支承反力计算时，有的设计人员往往会直接采用吊车参数中提供的轮压用于计算，不进行影响线分析，导致刚架上的内力偏小，存在隐患。吊车梁设计时，应尽量选用国家标准图。
　　3、墙梁：墙梁主要承受墙板竖向荷载和水平风荷载，墙梁的常用形式C型或Z型，C型最为多用，墙梁的端部连接用简支形式，为了减小墙梁在竖向荷载作用下的计算跨度，提高墙梁的稳定性，常在墙梁上设置拉条，拉条作为墙梁竖向支承，利用斜拉条将拉力传给柱。当斜拉条所悬挂的梁数超过5个时，宜在中间加设一道斜拉条，这样可将拉力分段传给柱。斜拉条上层的墙梁通过撑杆来支承，设计中常常出现漏设撑杆。为了减少墙板自重对墙梁的偏心影响，当墙梁单侧设墙板时，拉条应连接在墙梁挂板的一侧1/3处；当墙梁两侧挂有墙板时，拉条宜接在墙梁重心点处。墙梁单侧挂板且风荷为吸力时，要考虑墙梁内翼缘的稳定性，通常靠近内外翼缘1/3处设置双排拉条。
　　4、压型钢板：压型钢板是以冷轧薄钢板为基板，经镀锌或镀锌后覆以彩涂层再经辊弯成型的波纹板材。压型钢板按表面处理有三种：（1）镀锌压型钢板，（2）涂层压型钢板，（3）锌铝复合涂层压型钢板。第三种耐久性好，寿命长。设计中要根据厂房使用环境选用不同的板材，不要漏写。选用压型钢板时，应根据荷载及使用情况选用已有的定型产品，由于目前各厂家生产板型不同，使用时要由设计人员复核。压型钢板屋面坡度可在1/6-1/20间采用，当屋面排水面程较大或地处大雨量区时，可采用较大坡度。压型钢板横向连接方式有三种：（1）搭接，（2）咬边，（3）卡扣。其中3600咬边连接整体性及防水性能最好。目前，压型钢板的蒙皮效应设计时不考虑。
　　5、天沟板：由3mm厚钢板压制成型，也可采用1㎜—2㎜不锈钢制做，为了增加天沟板的刚度和强度，天沟板下部中间设置角钢支承在两边的屋檁上。天沟常见问题是天沟处漏水，一是天沟内排水坡度不满足要求；二是天沟板与屋面连接封闭不严，构造不合理；三是天沟板的深度设计存在问题，天沟较浅；四是天沟板腐蚀严重；五是天沟板雨漏管处由垃圾堵塞；六是冬季天沟积满冰雪等等，上述问题应由设计、施工及管理者共同处理解决，首先设计者要满足设计要求，其次选材时要符合规范要求，再次使用者要不定期进行维护。
　　四、钢结构的防腐与防火
　　钢结构耐久性是依靠除锈防腐来决定的。钢构件的除锈方法有喷射或抛射除锈、手工和动力工具是除锈以及火焰除锈，除锈共级分四个等级：分别为Sa1、Sa2、Sa2.5、Sa3。轻钢结构除锈等级常为Sa2.5，设计时要写清楚。涂装设计为了防止钢结构腐蚀，并延长其使用寿命。影响涂层的质量有四种因素：（1）表面除锈处理（2）涂层厚度（3）涂料品种（4）施工质量与使用管理。设计时，要选用与除锈等级相适应的底漆以及与各种大气相适应的涂料种类。涂层厚度要满足使用环境中，在维护周期内受到腐蚀、粉化、磨损等所需厚度。
　　钢结构构件较溥和钢材性能，强度受温度影响很大，钢构件设计时要满足耐火极限要求。钢结构防火措施有两种，一是防火涂料，二是构造防火。防火施工做法有两种，湿式工法与干式工法，湿式工法有外包混凝土、钢丝网水泥砂浆及防火涂料；干式工法主要指外包防火板材。钢结设计中常忽略防火涂料的品种与厚度要求。
　　总之，轻钢结构设计主要是满足应力、稳定、刚度以及施工维护等方面要求，才能达到设计标准，满足建筑物的安全及正常使用。
　　
　　
　　参考文献：
　　[1]GB50017-2003，钢结构设计规范，中国建筑工业出版社，2003.10
　　[2]CECS102：2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程中国计划出版社2003北京
　　[3]轻型钢结构建筑节点构造，候兆欣，李秀川主编机械工业出版社2004
　　[4]门式刚架的经济尺寸与优化设计《钢结构》2003第1期
　　[5]中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部STS技术条件
　　[6]门式刚架轻钢结构设计与施工，周学军，王建明编著山东科学技术出版社
　　[7]GB50046，工业建筑防腐蚀设计规范
　　[8]GB/T8923，涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级

《轻钢建筑结构设计问题探讨》

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