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關于輕鋼結構特點及其發展趨勢有哪些?
瀏覽次數:252次發布時間:2017-05-09 11:44:53

摘要本文簡要介紹當今正蓬勃發展的輕鋼結構的概況,對它的適用范圍、主要優點、材料選型和設計中的注意點,均作了扼要介紹,對屈曲后強度利用、蒙皮效應等與一般鋼結構設計的不同點作了相應提示。俾使對輕鋼結構的特點有一較為完整的認識。

關鍵詞鋼結構科技特點蒙皮效應

一、引言

自進入20世紀90年代以來,我國鋼結構建筑的發展十分迅速,特別是一些代表城市標志性高層建筑的建成,為鋼結構在我國的發展揭開了新的一頁。如世界第三高的上海88層、高420m的金茂大廈業已竣工,現已投入運營。據稱世界第一高度的上海浦東環球金融中心,95層高460m,建筑面積為31萬m2,現正在加緊建設中。由外商投資的大連總統大廈,正在加緊籌建之中,共95層,據稱建成后其高度將名列世界前茅。

輕鋼結構的發展則更是如火如荼,特別在工業廠房的建設中則更為迅猛。從鋼結構制造加施工企業數量的大幅增長就可窺見一斑,如上海市的鋼結構制造和施工單位已由原來的幾十家一下子發展到現在的400多家,單上海的寶鋼地區就有近百家的鋼結構制造廠。大好形勢下,如何因勢利導,抓好設計和施工質量,這是當前一個十分迫切的問題。本文擬就輕鋼結構的優點、材料選擇和設計中的注意點、塑性設計及腹板屈曲后強度的利用和蒙皮效應等作一概略介紹,利于讀者對輕鋼結構有一個比較全面的了解。

二、輕鋼結問及其適用范圍

所謂輕鋼結構通常是指由下列鋼材所構成的結構:①冷彎薄壁型鋼結構;②熱軋輕型鋼結構;③焊接或高頻焊接輕型鋼結構;④輕型鋼管結構;⑤板壁較薄的焊接組合梁及焊接組合柱而構成的結構。

1適用范圍

根據我國目前情況來看,這種結構由于其用度廣、優勢明顯,已大量應用于單層工業廠房、多層工業廠房、辦公樓以及高層建筑中的非承重構件等。對單層工業廠房而言,通常以H型鋼,采用焊接連接作為梁柱,以C形或Z形輕鋼板作檁條,屋蓋系統或樓面系統用壓型彩色鋼板作面層,上面可澆混凝土,壓型鋼板既可作為鋼筋,必要時也可以再配鋼筋。墻面圍護也可采用單層或夾層壓型鋼板,夾層板內部可充填各種保溫層。

2主要優點

⑴施工周期短:輕鋼結構的最大優點是所有構件均可以由工廠制作現場拼接安裝,對一般規模較小的工業廠房僅需45d至2個月,而若采用鋼筋混凝土建筑則要8~12個月左右。

⑵綜合經濟效益好:由于施工周期短,可以提前投入使用,提前獲取投資效益;更由于采用色彩鮮艷的彩色壓型鋼板,美觀華麗,改善了周邊環境的動態感;因為建筑物本身的自重輕,一般情況下不需要做樁基,可以節省投資;由于采用了聚苯已烯泡沫夾心板單板加保溫棉等措施后,使保溫、隔熱和隔章等效果良好。彩色鋼板是以鍍鋅為基板又用硅酮作為表面,經兩除兩烘加工而成,耐久性也較好,根據目前我國的市場價格,輕鋼結構的造價已經低于鋼筋混凝土結構,當廠房的跨度越大時,其優勢更為明顯,這也是它賴以競爭的一大優勢。

⑶抗震性能好:由于鋼結構屬于柔性結構、自重輕,因而能有效地降低地震響應及災害影響程度,極有利于抗震。我國是一個多地震區國家,在地震區建筑中應多多推廣應用鋼結構,必可大大減少地震災害和人員傷亡。唐山地震的慘痛教訓應予記起。目前,天津市已正式啟動輕鋼結構住宅。

⑷宜于拆卸搬遷:一旦業主對所造廠址不滿意或外界環境發生意想不到的變化,則整個建筑可在很短時間內拆遷,損失極小,而所有這些是鋼筋混凝土建筑所無法具備的。

正是由于輕鋼結構的諸多優點,而且隨著近年來防火、防腐新產品的不斷出現,已較好地解決了輕鋼結構抗腐蝕性差的缺點,使得它在工業廠房以及民用設施中獲得了廣泛的應用。

三、材料選擇和設計中的注意事項

輕鋼結構作為普通鋼結構的衍生結構,其基本計算理論和后者基本相同。詳細情況可參見上海市標準DBJ08-68-97《輕鋼結構設計規程》和中國工程建設標準化協會標準CECS102:98《門式鋼架輕型房屋鋼結構技術規程》,這里僅著重強調幾點:

⑴在用材上應優先采用“H”形鋼,它受力合理,拼接方便,加工容易。對于承重結構宜用Q235鋼和低合金鋼中的16Mn、15MnV或15MnV鋼,但需注意Q235-A鋼的含碳量不作為交貨條件,可焊性無保證,故不宜采用作焊接結構。對于板厚大于25mm的梁翼緣與柱,現場焊接的梁柱節點不宜用Q235-B.F,應盡量選用Q235-B或Q235-B.b,對于特別重要結構宜選用Q235-C或Q235-D。

⑵對厚度為17~40mm的Q235鋼的設計指標比現行GBJ17-88《鋼結構設計規范》中的規定值提高5Mpa(上海標準),焊縫強度也作了相應調整。

⑶考慮了技術進步因素,將主要受力構件的壁厚調小了,即在現行GBJ18-97《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》中的主要受力構件的壁厚不小于2mm調整為不小1.5mm,框架梁柱構件不小于3mm。

⑷在風荷載作用下,門式剛架的側移按GBJ18-87《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》規定為柱頂高度的1/150。但在這2個規程中均作了細化規定并作相應調整,但具體數值不盡相同。設計者在使用時宜予以注意。

⑸在設計剛架、屋架和檁條等時,應考慮由風吸力作用所引起構件內力變化的不利影響。此時永久荷載分項系數取為1.0。這一規定主要是考慮到當設計的剛架、屋架、檁條在屋面材料較輕的情況下;若受風吸力作用,構件內力將會變號,會出現拉桿變為壓桿的情況。在內力變號時永久荷載起減載作用,叵合肥市將永久荷載分項系數取為1.2,則會造成結構可靠度的降低,導致不安全因素。

四、結構或構件的塑性設計及腹板屈曲后強度

輕鋼結構允許采用塑性設計,但僅適用于不直接承受動力荷載的固端梁、連續梁以及由實腹構件組成的單層和2層框架結構。采用塑性設計的結構或構件,按承載能力極限狀態設計時,應采用荷載的設計值,考慮構件截面內塑性的發展及由此引起的內力重分布,用考慮P-△效應的塑性鉸理論或簡單的塑性鉸理論進行內力分析。按塑性設計時,鋼材和連接的強度設計值應按規程的有關條款規定的數值乘以折減系數0.9。塑性設計截面板件的寬厚比也應符合有關規定。

門式框架上“工”字形截面構件的腹板允許考慮屈曲后程度,下面我們試通過單向受壓四邊簡支扳回曲后的中面應力分布情況來說明為什么板屈曲后仍能繼續承載,且承載力還能顯著提高。見圖1板屈曲后只要板的四邊保持直線,則載荷邊的壓應力分布為非無均勻分布,兩邊應力較高,中間應力較低;非載荷邊產生垂直于邊線的應力,其中部為拉應力。由于拉應力的作用限制了板屈曲變形的發展,提高了板的剛度,因而板屈曲后仍能繼續承載??ㄩT最先提出了有效寬度的概念,即將板件受壓邊馬鞍形應力分布圖用二塊等效的應力圖形代替L(圖2)等效應力圖形的應力水平為fyc于是有

圖14邊簡支板屈曲后中面應力分布圖2有交寬度

Pu=fybet

Pu=∫σ(x)dx

式中:Pu為板的極限承載力;fy為鋼材的屈服強度;be為有效截面寬度;t為板件的厚度。

當Pu通過理論分析和實驗確定后,就可用有效寬度來表達受壓板件屈曲后極限強度,并進而采用有效截面來考慮板件局部屈曲的影響。利用板面屈曲后的強度進行結構設計最早見于飛機結構中,因為飛機結構設計是在保證一定可靠度的前提下以減輕結構重量為目標。在普通房屋建筑鋼結構設計中一般不允許板件產生局部失穩。而冷彎薄壁型鋼,其特點之一就是壁薄,壁厚不大于6mm,以極少的材料加工成為寬展的截面,以提高構件的截面剛度和整體穩定承載力,為此,不得不突破鋼結構設計規范(GBJ17-88)中對板件寬厚比限值的規定,允許板件產生局部失穩,進而利用屈曲后強度的提高。

輕鋼結構門式剛架是主要的承重結構,一般是采用實腹型變截面的柱和梁組成。門式剛架的形成可以單坡、雙坡和多坡,多跨建筑的中間柱多采用較接的搖擺柱。門式剛架工字截面鋼構件中腹板以受剪為主,抗彎作用不如翼緣有效,增大腹板的高度,可使翼緣

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