自(zì)進(jìn)入20世紀90年代(dài)以來(lái)，我國鋼(gāng)結構(gòu)建(jiàn)築的發展十分迅速(sù)，特(tè)別是一些代(dài)表城市(shì)標誌(zhì)性(xìng)高層(céng)建築(zhù)的建成，為(wéi)鋼(gāng)結(jié)構(gòu)在我國的(dí)發(fā)展揭開了新的一頁。如*三(sān)高的上海88層(céng)，高420m的(dí)金茂大(dà)廈業已(yǐ)竣工，現已(yǐ)投入運(yùn)營(yíng)。據(jù)稱(chēng)世界*高(gāo)度(dù)的上(shàng)海(hǎi)浦(pǔ)東(dōng)*金(jīn)融中心，95層高(gāo)460m，建築麵積為(wéi)31萬m2，現(xiàn)正在加(jiā)緊(jǐn)建設中(zhōng)。由外商(shāng)投資的(dí)大連(lián)總統大(dà)廈，正(zhèng)在加緊籌建之中(zhōng)，共95層(céng)，據稱(chēng)建(jiàn)成後其(qí)高(gāo)度將(jiāng)名列世界*。
輕(qīng)鋼結(jié)構(gòu)的(dí)發展(zhǎn)則更(gēng)是如(rú)火(huǒ)如荼(tú)，特(tè)別(bié)在(zài)工(gōng)業廠(chǎng)房(fáng)的建(jiàn)設(shè)中則(zé)更(gēng)為迅猛(měng)。從鋼(gāng)結構製(zhì)造加施工企業數量(liáng)的(dí)大(dà)幅(fú)增長就可窺見一(yī)斑，如上海市的鋼(gāng)結構製造(zào)和(hé)施工單(dān)位已由原來的幾(jī)十(shí)家一下子(zǐ)發(fā)展到現在(zài)的400多家，單(dān)上(shàng)海的寶(bǎo)鋼(gāng)地(dì)區就(jiù)有(yǒu)近(jìn)百(bǎi)家(jiā)的(dí)鋼(gāng)結構製造廠。大好形(xíng)勢(shì)下(xià)，如何因(yīn)勢利導(dǎo)，抓好(hǎo)設計(jì)和(hé)施(shī)工(gōng)質(zhì)量，這是當前一(yī)個十分迫切的問(wèn)題。本文擬就輕(qīng)鋼結(jié)構的優(yōu)點(diǎn)，材料選(xuǎn)擇(zé)和(hé)設(shè)計中的(dí)注意(yì)點(diǎn)，塑性(xìng)設計及(jí)腹(fù)板(bǎn)屈曲後強度的(dí)利(lì)用和蒙(mēng)皮效應(yīng)等(děng)作一(yī)概(gài)略(lüè)介紹，利於(yú)讀(dú)者(zhě)對(duì)輕鋼(gāng)結(jié)構(gòu)有(yǒu)一個(gè)比較全(quán)麵的了解。
輕(qīng)鋼(gāng)結構行業及其適(shì)用(yòng)範(fàn)圍
所(suǒ)謂輕(qīng)鋼結構通常是指由下(xià)列(liè)鋼(gāng)材所構成的結構(gòu)：①冷(lěng)彎(wān)薄(báo)壁型鋼結構(gòu);②熱軋(yà)輕型鋼(gāng)結構;③焊接或高(gāo)頻(pín)焊(hàn)接輕型(xíng)鋼結構(gòu);④輕(qīng)型鋼管(guǎn)結(jié)構(gòu);⑤板(bǎn)壁較薄(báo)的焊接組(zǔ)合(hé)梁及(jí)焊接(jiē)組合柱而(ér)構成(chéng)的結構(gòu)。
一(yī).適(shì)用範圍(wéi)
根(gēn)據(jù)我國目前情況(kuàng)來看，這(zhè)種(zhǒng)結構由於其(qí)用度(dù)廣，優勢明顯，已大量(liáng)應用於(yú)單(dān)層(céng)工業廠房，多層工(gōng)業廠房，辦(bàn)公樓以及高層(céng)建(jiàn)築中(zhōng)的非承(chéng)重構件(jiàn)等(děng)。對單層工(gōng)業廠房而言(yán)，通常(cháng)以H型(xíng)鋼(gāng)，采用(yòng)焊接連(lián)接作為(wéi)梁柱(zhù)，以(yǐ)C形或(huò)Z形輕鋼板(bǎn)作檁條(tiáo)，屋蓋係(xì)統或樓麵係(xì)統(tǒng)用壓(yā)型彩(cǎi)色鋼(gāng)板作麵(miàn)層(céng)，上麵(miàn)可澆(jiāo)混(hùn)凝土，壓型鋼(gāng)板既可作為(wéi)鋼筋(jīn)，必要(yào)時(shí)也(yě)可以(yǐ)再(zài)配(pèi)鋼(gāng)筋(jīn)。牆(qiáng)麵(miàn)圍(wéi)護也可采(cǎi)用單(dān)層或夾層(céng)壓型鋼(gāng)板(bǎn)，夾(jiā)層板(bǎn)內(nèi)部(bù)可(kě)充(chōng)填(tián)各種保溫層。
二(èr).主(zhǔ)要(yào)優點
⑴施(shī)工周(zhōu)期(qī)短：輕鋼結(jié)構的(dí)zui大優(yōu)點(diǎn)是所(suǒ)有(yǒu)構(gòu)件均可以由工廠製作現場拼接安裝，對一(yī)般規(guī)模(mó)較(jiào)小的(dí)工業廠房僅需(xū)45d至2個(gè)月(yuè)，而若(ruò)采(cǎi)用鋼筋(jīn)混(hùn)凝(níng)土建築(zhù)則(zé)要8～12個(gè)月(yuè)左(zuǒ)右。
⑵綜合經濟效(xiào)益好(hǎo)：由(yóu)於(yú)施工周期(qī)短，可以提前投入使(shǐ)用，提(tí)前(qián)獲取投(tóu)資(zī)效益(yì);更(gēng)由於采用色彩(cǎi)鮮豔的(dí)彩色壓型(xíng)鋼(gāng)板(bǎn)，美觀華(huá)麗，改善(shàn)了周邊環境的動態(tài)感;因為建築物本身的(dí)自(zì)重輕，一(yī)般(bān)情(qíng)況(kuàng)下(xià)不需要(yào)做樁(zhuāng)基，可(kě)以節省投資(zī);由於采(cǎi)用(yòng)了(liǎo)聚苯已(yǐ)烯(xī)泡(pào)沫(mò)夾心板或單板(bǎn)加保溫(wēn)棉(mián)等措(cuò)施(shī)後(hòu)，使(shǐ)保溫(wēn)，隔熱(rè)和隔章等效(xiào)果良好(hǎo)。彩色(sè)鋼板(bǎn)是以(yǐ)鍍(dù)鋅(xīn)為基(jī)板(bǎn)又用(yòng)矽(guī)酮(tóng)作為表(biǎo)麵，經兩除(chú)兩(liǎng)烘加工而成，耐久(jiǔ)性也較好(hǎo)，根據目前(qián)我(wǒ)國(guó)的(dí)市場(cháng)價格，輕(qīng)鋼結(jié)構的(dí)造價已經低於(yú)鋼(gāng)筋混(hùn)凝土(tǔ)結構(gòu)，當廠房的(dí)跨(kuà)度越大(dà)時，其(qí)優(yōu)勢更(gēng)為(wéi)明顯，這也是它賴(lài)以競爭的一大(dà)優(yōu)勢。
⑶抗震性能(néng)好(hǎo)：由(yóu)於(yú)鋼(gāng)結構(gòu)屬於柔(róu)性(xìng)結構，自(zì)重(zhòng)輕(qīng)，因而(ér)能有效(xiào)地(dì)降(jiàng)低(dī)地震響(xiǎng)應及(jí)災害影(yǐng)響程度，極(jí)有(yǒu)利於(yú)抗震(zhèn)。我國是(shì)一個(gè)多地震區國(guó)家(jiā)，在地(dì)震區建築(zhù)中(zhōng)應(yīng)多多(duō)推廣(guǎng)應(yīng)用鋼結構，必可大(dà)大減少地(dì)震災害(hài)和人員傷(shāng)亡。唐(táng)山地(dì)震的慘痛(tòng)教訓應予記起(qǐ)。目前，天津市已(yǐ)正式啟(qǐ)動(dòng)輕鋼(gāng)結構住宅。
⑷宜(yí)於拆卸搬(bān)遷：一(yī)旦業主對所造(zào)廠址不滿意或(huò)外(wài)界環(huán)境(jìng)發(fā)生意(yì)想(xiǎng)不(bù)到的(dí)變化(huà)，則整個(gè)建(jiàn)築可在很(hěn)短時間內拆(chāi)遷，損(sǔn)失(shī)極小(xiǎo)，而所有這些是(shì)鋼(gāng)筋混(hùn)凝土(tǔ)建(jiàn)築所無法具(jù)備的。
正是由於輕鋼(gāng)結構的(dí)諸(zhū)多優(yōu)點(diǎn)，而且(qiě)隨著近年來(lái)防火(huǒ)，防腐(fǔ)新產(chǎn)品(pǐn)的(dí)不斷出現(xiàn)，已較好地解決了(liǎo)輕(qīng)鋼結構(gòu)抗腐蝕性(xìng)差的(dí)缺點，使得它(tā)在(zài)工業(yè)廠(chǎng)房以(yǐ)及民用設(shè)施中獲得了(liǎo)廣泛(fàn)的應用。
鋼結構(gòu)一(yī)般分為普通鋼結(jié)構(gòu)和(hé)輕鋼結(jié)構，它(tā)們(mén)之間並(bìng)無明(míng)顯的界限。其(qí)計(jì)算規則都(dū)是一樣(yàng)的(dí)。所(suǒ)謂(wèi)輕(qīng)鋼(gāng)結構，一般是(shì)結構(gòu)荷載(zǎi)較小(xiǎo)，結構(gòu)杆件(jiàn)也(yě)較(jiào)小，構件壁厚(hòu)較(jiào)薄(báo)的一(yī)類(lèi)結構，一般(bān)采用(yòng)門(mén)式(shì)鋼架(jià)，屋架和網(wǎng)架(jià)為主要承重結構。正(zhèng)因為輕鋼(gāng)結(jié)構上作(zuò)用(yòng)的(dí)荷載(zǎi)較小，所(suǒ)以，使得(dé)結構效應(yīng)產生(shēng)的(dí)內(nèi)力一般較小，這就(jiù)使得(dé)結(jié)構的強度往往(wǎng)不(bù)成問(wèn)題，而(ér)由(yóu)於(yú)構件(jiàn)斷(duàn)麵較(jiào)小，截麵(miàn)慣性距(jù)較小(xiǎo)，使(shǐ)得結構的(dí)剛度(dù)也隨(suí)著(zhuó)減小，結(jié)構的整(zhěng)體和局(jú)部穩(wěn)定(dìng)成為(wéi)在設計(jì)中(zhōng)必須(xū)引起重(zhòng)視(shì)的(dí)主(zhǔ)要問題。這就是輕(qīng)鋼結(jié)構自己的特點。了(liǎo)解(jiě)了這個(gè)特點(diǎn)，我們(mén)就可以采取相(xiāng)應的(dí)措(cuò)施，比(bǐ)如(rú)可(kě)以采用增加支(zhī)撐和拉條(tiáo)，以(yǐ)滿足(zú)杆(gān)件的(dí)長(cháng)細比要(yào)求(qiú)，增設(shè)加(jiā)勁肋以滿足(zú)構件的(dí)局部(bù)穩(wěn)定等(děng)。
A.門(mén)式剛架結構的特點
下(xià)麵講(jiǎng)一下我們常見的門(mén)式剛架結構(gòu)。門式剛(gāng)架(jià)輕(qīng)型房(fáng)屋，其結(jié)構(gòu)一般由(yóu)主骨(gǔ)架和支(zhī)撐係(xì)統構成，主骨(gǔ)架包括：1）主受(shòu)力構(gòu)件(jiàn)-門式剛架;2）牆架;3）檁條等(děng);支(zhī)撐(chēng)係(xì)統(tǒng)包括：1）剛架柱之(zhī)間的(dí)垂(chuí)直支承;2）剛架梁(liáng)之間的水(shuǐ)平支撐;3）剛(gāng)性係(xì)杆(gān)，拉(lā)條;4）隅撐(chēng)等。
從(cóng)以上(shàng)的構成可(kě)以(yǐ)看(kàn)出，支撐係(xì)統占(zhān)有(yǒu)很大的(dí)比(bǐ)例(lì)，這(zhè)也(yě)是(shì)輕鋼(gāng)結(jié)構(gòu)的(dí)特點。
門(mén)式(shì)剛架房(fáng)屋(wū)上(shàng)作用的荷(hé)載一(yī)般有：豎向荷載（結構(gòu)自重(zhòng)，雪荷載，積灰荷(hé)載，）和水平(píng)荷載（風荷(hé)載，吊車刹(chà)車力）,還(huán)有地(dì)震荷(hé)載(zǎi)（水平(píng)和豎(shù)向）。由(yóu)於(yú)輕鋼結構自重較(jiào)輕(qīng)，所以對(duì)地(dì)震(zhèn)的(dí)反應也(yě)較(jiào)輕(qīng)，這一點對(duì)抗震非(fēi)常有利。
B.判斷結構是否(fǒu)適合用輕鋼結構(gòu)
是否為輕鋼，可以(yǐ)根(gēn)據結(jié)構承受荷(hé)載的(dí)大(dà)小，以及(jí)結(jié)構類(lèi)型(xíng)來定的。1，樓，屋麵結(jié)構體係：如果是鋼筋混(hùn)凝土(tǔ)樓(lóu)，屋(wū)麵板(bǎn)，荷載較大就(jiù)不(bù)能用輕(qīng)鋼結構(gòu);2，吊車荷載：如(rú)果有較大(dà)噸位的(dí)吊(diào)車就(jiù)不符(fú)合(hé)輕(qīng)鋼結構的要(yào)求(qiú);3，結(jié)構(gòu)體係：要是(shì)建(jiàn)築物為(wéi)多(duō)層(céng)，或(huò)是比較(jiào)高(gāo)的單(dān)層(céng)結(jié)構(gòu)也不宜按(àn)輕鋼設計。
C.《門式(shì)剛(gāng)架輕型房屋鋼(gāng)結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》CECS102：2002的適用範(fàn)圍
適(shì)用(yòng)於主要承重結(jié)構(gòu)為(wéi)單跨或多(duō)跨(kuà)實腹(fù)門(mén)式(shì)剛(gāng)架(jià)，具有輕(qīng)型(xíng)屋蓋和輕型外牆(qiáng)，無橋(qiáo)式吊(diào)車或僅(jǐn)有起重量不(bù)大(dà)於20t的(dí)中，輕(qīng)級(jí)工作製(zhì)橋式吊車或(huò)3t懸(xuán)掛式起重(zhòng)機(jī)的(dí)單(dān)層房(fáng)屋(wū)鋼結(jié)構。
D.門式(shì)剛(gāng)架(jià)各(gè)構(gòu)件的作用
門式(shì)剛(gāng)架，建(jiàn)築物上的各種荷載主要由它承擔並將其(qí)傳給基(jī)礎，剛架與(yǔ)基礎(chǔ)的(dí)連(lián)接(jiē)有剛(gāng)接和鉸接兩(liǎng)種形式(shì)，一般宜采用鉸(jiǎo)接，當(dāng)水平荷載較大(dà)，房屋高度較(jiào)高或剛度(dù)要求(qiú)較(jiào)高(gāo)時(shí)，也(yě)可(kě)采(cǎi)用剛接。剛架(jià)柱(zhù)與(yǔ)斜(xié)梁為剛接。剛架的特點(diǎn)是平(píng)麵內剛(gāng)度較(jiào)大而(ér)平麵外(wài)剛度(dù)很(hěn)小，這(zhè)就決(jué)定(dìng)了它(tā)在水(shuǐ)平荷(hé)載作用時(shí)，可承擔平行與(yǔ)剛(gāng)架平(píng)麵的荷(hé)載，而對(duì)於垂直剛架(jià)平(píng)麵的荷(hé)載卻(què)無(wú)能為(wéi)力(lì)。
牆架，主要承(chéng)擔(dān)牆(qiáng)體自重和作(zuò)用於牆(qiáng)上(shàng)的水(shuǐ)平荷載（風荷(hé)載），並將(jiāng)其(qí)間(jiān)接(jiē)傳給主體結(jié)構(gòu)。
檁條，承擔屋(wū)麵荷(hé)載(zǎi)，並將其傳給剛(gāng)架。檁(lǐn)條還通(tōng)過螺栓(shuān)與每(měi)榀(pǐn)剛架(jià)連(lián)接起來，與牆架(jià)梁一(yī)起與(yǔ)剛架(jià)形成(chéng)空(kōng)間結(jié)構(gòu)。
由於檁條和(hé)牆架梁之間(jiān)都是(shì)由螺栓(shuān)連接的(dí)，連(lián)接點近似於鉸(jiǎo)接(jiē)，又由於檁條和(hé)牆架梁(liáng)的(dí)長細(xì)比都較(jiào)大(dà)，在平行於房屋縱向(xiàng)荷載的(dí)作用下，其傳(chuán)力(lì)剛度有限(xiàn)，所(suǒ)以(yǐ)有(yǒu)必(bì)要在屋麵(miàn)的(dí)各(gè)剛(gāng)架之間(jiān)設置一定數量(liáng)的剛性係杆。我們剛(gāng)才(cái)說了，剛(gāng)架平(píng)麵外(wài)的(dí)剛度很小，這樣，我們(mén)必須(xū)設(shè)置(zhì)剛架柱(zhù)之(zhī)間的柱間(jiān)支(zhī)撐(chēng)和(hé)剛(gāng)架梁(liáng)之(zhī)間的水(shuǐ)平支(zhī)撐，使(shǐ)其形成具有足夠剛度(dù)的(dí)結構(gòu);由於(yú)檁(lǐn)條(tiáo)和牆架(jià)的平麵外(wài)剛度(dù)小(xiǎo)，所(suǒ)以(yǐ)，有必要設置(zhì)拉條（增加支撐），以(yǐ)減小(xiǎo)在(zài)這個方(fāng)向的(dí)長(cháng)細比(bǐ);對(duì)於剛架斜梁(liáng)，一般(bān)是上翼緣受(shòu)壓(yā)，下翼緣受拉，上弦由於檁條相連，一般(bān)不會出現失(shī)穩，但當(dāng)屋麵(miàn)風荷載(zǎi)吸力作(zuò)用(yòng)時(shí)斜(xié)梁(liáng)下翼緣(yuán)有(yǒu)可(kě)能變(biàn)號(hào)受壓從(cóng)而失穩(wěn)，因此，設(shè)置隅(yú)撐(chēng)就十分必要(yào)了(liǎo)。
另外(wài)門(mén)式(shì)剛(gāng)架(jià)與基(jī)礎是通過(guò)地(dì)腳螺栓(shuān)連(lián)接(jiē)的，當水(shuǐ)平荷載作用形(xíng)成的(dí)剪(jiǎn)力(lì)較(jiào)大時螺(luó)栓就要承擔(dān)這些剪(jiǎn)力，我們一般(bān)不(bù)希望螺栓來(lái)承擔這部分剪力，在(zài)設計時我(wǒ)們也(yě)沒考慮(lǜ)它的(dí)作用，而是設置剛架柱(zhù)腳與基(jī)礎之間的剪力(lì)鍵來(lái)承(chéng)擔這部分(fēn)剪力(lì)。
