热点职称论文：浅谈无比钢轻钢结构设计及其问题__墨水学术,论文

所属栏目：推荐论文发布时间：2011-02-25浏览量:106

副标题#e#摘要：文章首先从无比钢轻钢结构的性能特点及适用范围出发，通过研究普通钢结构的设计方法，提出了无比钢轻钢结构的设计思路，最后，对无比钢轻钢结构设计中遇到的几个问题予以分析，以期推动无比钢轻钢结构技术的发展和广泛应用。
　　关键词：无比钢轻钢；性能特点；结构设计；问题
　　
　　无比钢轻钢结构体系来源于加拿大，是一种新型的钢结构住宅体系，具有标准化程度高、空间布置灵活、抗震性能好、可工业化生产、建设周期短、环保和节能等特点，近20年来在北美等地得到了广泛应用，但主要应用于低层住宅。把无比钢轻钢结构体系引进到我国并用于多层住宅，完全符合国家产业政策，具有广泛的应用前景。
　　无比钢轻钢结构是由度锌不锈钢板冷弯成型后制成的轻型构件，被称为冷弯薄壁型钢结构。由于历史原因钢结构过去在我国一直被认为是工程造价高、设计和施工复杂的建筑结构体系，除特别重要的大型结构外普通建筑很少采用钢结构。我国大面积应用无比钢轻型钢结构是从20世纪80年代初开始，90年代国外的无比钢轻钢生产厂家将整套的结构体系推向我国市场，加之我国钢产量的提高极大地推动了轻钢结构在我国的发展。因此，切实深入地加强对无比钢轻钢结构的设计研究，对促进国家综合国力的发展非常重要。
　　1无比钢轻钢结构的性能特点及适应性
　　1.1无比钢轻钢结构的性能特点
　　无比钢轻钢结构与普通（传统）钢结构相比，除具有普通钢结构的自重较轻、材质均匀、应力计算准确可靠、加工制造简单、工业化程度高、运输安装方便外，还有以下特点：
　　（1）用钢更省，主框架钢材可省40%～50%。（2）轻钢结构的设计制作和安装已形成工业产品化、系列化、标准化的运行模式，效率更高，质量也更有保证。（3）设计程序化，生产联网自动化。现在有许多比较成熟的轻钢结构设计程序，如同济大学研制出的3D3S程序、中冶集团建筑研究总院开发的PS2000及阿依艾公司的SSDD等。
　　1.2无比钢轻钢结构的适用范围
　　据规程，吊车起重量不大于20t的轻中级（A1～A5）桥式吊车或3t悬挂式起重机（有需要并采取可靠技术措施时允许不大于5t）。不适用于有强烈侵蚀性介质的环境。多层钢结构房屋的顶层采用了门式刚架及其屋时，但应作整体分析，并作抗震计算。
　　2无比钢轻钢结构设计思路
　　对于无比钢轻钢结构的设计思路可以参考普通钢结构的设计思路，包括结构选型与布置、构件截面积的初步预算、结构分析、构件设计、节点设计等，具体如下：
　　2.1结构选型与布置
　　在无比钢轻钢结构设计的整个过程中，结构选型与布置阶段尤为重要。对一些难以做出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。
　　结构选型时，应考虑各建筑物各自不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。而屋面覆盖跨度较大的建筑物中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢—混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。
　　结构布置要根据体系特征、荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的要刚度均匀、力学模型清晰、尽可能限制较大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。柱间抗侧支撑的分布应均匀，其形心要尽量靠近侧向力（风震）的作用线，否则应考虑结构的扭转。
　　2.2构件截面的初步预算
　　主要是梁和柱的截面预算。对不同的结构，规范中对截面的构造要求也有很大的不同。如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题，在普钢规范和轻钢#p#副标题#e#规范中的限值有很大区别。此外，构件截面形式的选择没有固定要求，结构工程师应根据构件的受力情况，合理选择安全经济美观的截面。
　　2.3结构分析
　　对于无比钢轻钢结构的分析，可参照普通钢结构的结构分析，即线性弹性分析，条件允许时考虑P-Δ、p-δ等。采用塑性设计方法进行无比钢轻钢结构的设计计算时，可用有限元分析法，以更精确地分析结构。对于典型的结构或者简单的结构，可先查阅相关的技术标准手册，再用手算进行分析。对于更复杂的结构，则需建立相应的数学模型，运用相关的程序，并仔细分析。比如，从加拿大引进的无比钢专利，其结构设计程序软件采用的是欧美技术规范，较为成熟。
　　2.4构件设计
　　在构件设计中，现行的规范是用弹塑性方法来验算截面的，这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可将验算时通不过的构件，从给定的截面库里选择大一级的构件。并自动重新分析验算直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它大大减少了工程师的工作量。但是，在应用软件的优化功能时应注意如下两点：
　　（1）做构件的截面验算时，计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。目前的程序还不能完全解决这个问题。所以，对于节点连接情况复杂或变截面的构件，设计师应该对其逐个检查。
　　（2）预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待：第一，强度不满足通常加大组成截面的板件厚度，抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪强度不满足则加大腹板厚度；第二，变形超限通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，既不经济也不美观。
　　2.5节点设计
　　节点设计应按实际受力情况而定，有时或由于计算内力不清楚或设计者考虑不周，型钢连接均采用等强连接。虽然这种连接方式可以保证安全，但却非常浪费材料，工程造价比较高。如根据其实际受力情况选节点，将会有较大节约效果。加拿大无比钢专利，其连接结构柱体管的构件即满足了柱管的抗弯要求，同时可支撑水、电管线在墙体内柱体间任意位置穿行可支撑，无需加挂支撑构件，这无疑大大减少了构件和人工成本，构件的标准化，对用材的损耗、每条支柱的受力平衡起了很大的作用，也降低了建筑物的综合成本。
　　3无比钢轻钢结构设计中需注意的问题
　　随着我国经济技术飞速发展，建筑技术水平的提高，轻钢结构厂房建筑日益得到普及。但目前轻钢结构的设计不如普通钢筋混凝土结构那样成熟，各个钢结构厂家在许多问题的处理上都不尽相同，下面对无比钢轻钢结构设计中遇到的几个问题作一探讨。
　　3.1荷载计算
　　根据规范，建筑结构的内力一般按结构静力学方法进行弹性分析，超静定结构，可采用塑性分析。采用塑性分析的结构中，构件截面允许有塑性变形发展。
　　框架结构中，梁与柱的刚性连接应符合受理过程中梁柱间交角不变的假定，同时连接应具有充分的强度承受交汇构件端部传递的所有最不利内力。梁柱铰接时，应使连接具有充分的转动能力，且内有效的传递横向剪力与轴心力。梁与柱的半刚性连接只具有有限的转动刚度，在承受弯矩的同时会产生相应的交角变化，在内力分析时，必须预先确定连接的弯矩—转角特性曲线，以便考虑连接变形的影响。框架结构一般采用一阶弹性分析。
　　3.2钢材的选择
　　根据规程，承重结构原则上应采用Q235B级或Q345B级以上钢材制作。实际上，当构件的最大应力满足了Q345的要求，而变形却已经超限。调整构件的截面尺寸，直至变形能够满足要求，这时构件最大应力也许就已小于Q235的容许应力了，因此，采用Q235更为可行。
　　比如，加拿大无比钢专利的建筑结构采用的柱与梁均为不锈钢板材卷成的小方管通过构件用不锈钢螺丝#p#副标题#e#锚成一体，每两根柱间每隔80cm加一根不锈钢方管支柱，相当于用不锈钢方管通过构件锚成的火柴盒结构，具有极强的抗风压和地震的作用。美国的福罗里达州的飓风曾把当地所有住宅摧毁，而只有3座无比钢结构的住房结构毫无损坏就是极好的例证。如建筑物楼层不超过4层，无需其他型钢作梁或柱的支撑。
　　3.3构造要求
　　钢结构的构造应便于制作、运输、安装、维护并使结构受力简单明确，减少应力集中，避免材料三向受拉。以受风荷载为主的空腹结构，应尽量减少受风面积。另外，结构应根据其形式、组成和荷载的不同情况，设置可靠的支撑系统。
　　根据规程，作无比钢轻钢结构设计时，常用屋面坡度小于10°屋面应为压型钢板，外墙除压型板外也可用砌体跨度宜为9～36m（不是限定），国内最大72m；柱高度一般不超过12m，不应大于18m；柱距应与跨度匹配，常用6～9m。运用无比钢专利技术建造高层建筑物时，每隔6层楼用型钢加固柱体，解决了无比钢技术无法盖高层建筑的难题。
　　3.4塑性设计
　　根据规范，采用塑性设计的结构或构件，按承载能力极限状态设计时，应采用荷载的设计值，考虑构件截面内塑性的发展以及由此引起的内力重分配，用简单塑性理论进行内力分析。按正常使用极限状态设计时，采用荷载的标准值，并按弹性理论进行计算。
　　轻钢结构允许采用塑性设计，但仅适用于不直接承受动力荷载的固定梁、连续梁以及由实腹构件组成的单层和二层框架结构。采用塑性设计的结构或构件，按承载能力极限状态设计时，应采用荷载设计值，考虑构件截面内塑性的发展及由此引起的内力重分布，用考虑p-Δ效应的塑性铰理论或简单的塑性铰理论进行内力分析。按塑性设计时，钢材和连接的强度设计值应按规程的有关条款规定的数值乘以折减系数0.9。
　　3.5应力蒙皮效应
　　压型钢板在作为轻钢结构体系围护结构的同时，还可以承受围护结构平面内的载荷，即具有平面内的抗剪能力，称为应力蒙皮效应。压型钢板能够参与整体结构体系的共同工作，增强结构的整体刚度，减少结构的侧移，为与它相连的构件（如梁柱、檩条等）提供有效的侧向约束作用，从而可以减少或取消一部分支撑构件，甚至还能够减小构件的截面面积。由此可见，考虑压型钢板的应力蒙皮效应有着明显的经济意义。但是由于屋面板抗剪性能和板与构件螺栓连接性能的资料尚不充分，因此规范中规定，无比钢轻钢结构设计中不宜考虑应力蒙皮效应。
　　4结论
　　无比钢轻钢结构建筑将成为结构发展的一个重要方向，具有巨大的潜力和广阔的应用前景。但由于业主和设计单位对无比钢轻钢结构建筑还不是很熟悉，对其多方面的优越性能还不是十分了解，存在着转变观念的问题，这是阻碍无比钢轻钢结构发展的一大障碍。无比钢轻钢结构设计的能力来自于大量的工程经验和理论基础。目前的无比钢结构设计主要用于多层和高层的住宅，其技术规范是欧美的规范，我国还没有标准规范。这就需要结构设计人员不断充实钢结构设计思维，学习先进的设计理念，突破传统结构约束，来不断适应新形势的要求，对钢结构的设计做出创新。
　　
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