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輕鋼結構綠色建筑設計特點全面解析

  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。

  輕鋼結構行業及其適用范圍

  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。

  一.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。

  二.主要優點

  ⑴施工周期短:輕鋼結構的******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或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。

  鋼結構一般分為普通鋼結構和輕鋼結構,它們之間并無明顯的界限。其計算規則都是一樣的。所謂輕鋼結構,一般是結構荷載較小,結構桿件也較小,構件壁厚較薄的一類結構,一般采用門式鋼架、屋架和網架為主要承重結構。正因為輕鋼結構上作用的荷載較小,所以,使得結構效應產生的內力一般較小,這就使得結構的強度往往不成問題,而由于構件斷面較小,截面慣性距較小,使得結構的剛度也隨著減小,結構的整體和局部穩定成為在設計中必須引起重視的主要問題。這就是輕鋼結構自己的特點。了解了這個特點,我們就可以采取相應的措施,比如可以采用增加支撐和拉條,以滿足桿件的長細比要求,增設加勁肋以滿足構件的局部穩定等。

  A.門式剛架結構的特點

  下面講一下我們常見的門式剛架結構。門式剛架輕型房屋,其結構一般由主骨架和支撐系統構成,主骨架包括:1)主受力構件-門式剛架;2)墻架;3)檁條等;支撐系統包括:1)剛架柱之間的垂直支承;2)剛架梁之間的水平支撐;3)剛性系桿、拉條;4)隅撐等。

  從以上的構成可以看出,支撐系統占有很大的比例,這也是輕鋼結構的特點。

  門式剛架房屋上作用的荷載一般有:豎向荷載(結構自重,雪荷載,積灰荷載,)和水平荷載(風荷載,吊車剎車力),還有地震荷載(水平和豎向)。由于輕鋼結構自重較輕,所以對地震的反應也較輕,這一點對抗震非常有利。

  B.判斷結構是否適合用輕鋼結構

  是否為輕鋼,可以根據結構承受荷載的大小,以及結構類型來定的。1、樓、屋面結構體系:如果是鋼筋混凝土樓、屋面板,荷載較大就不能用輕鋼結構;2、吊車荷載:如果有較大噸位的吊車就不符合輕鋼結構的要求;3、結構體系:要是建筑物為多層,或是比較高的單層結構也不宜按輕鋼設計。

  C.《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102:2002的適用范圍

  適用于主要承重結構為單跨或多跨實腹門式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或僅有起重量不大于20t的中、輕級工作制橋式吊車或3t懸掛式起重機的單層房屋鋼結構。

  D.門式剛架各構件的作用

  門式剛架,建筑物上的各種荷載主要由它承擔并將其傳給基礎,剛架與基礎的連接有剛接和鉸接兩種形式,一般宜采用鉸接,當水平荷載較大,房屋高度較高或剛度要求較高時,也可采用剛接。剛架柱與斜梁為剛接。剛架的特點是平面內剛度較大而平面外剛度很小,這就決定了它在水平荷載作用時,可承擔平行與剛架平面的荷載,而對于垂直剛架平面的荷載卻無能為力。

  墻架,主要承擔墻體自重和作用于墻上的水平荷載(風荷載),并將其間接傳給主體結構。

  檁條,承擔屋面荷載,并將其傳給剛架。檁條還通過螺栓與每榀剛架連接起來,與墻架梁一起與剛架形成空間結構。

  由于檁條和墻架梁之間都是由螺栓連接的,連接點近似于鉸接,又由于檁條和墻架梁的長細比都較大,在平行于房屋縱向荷載的作用下,其傳力剛度有限,所以有必要在屋面的各剛架之間設置一定數量的剛性系桿。我們剛才說了,剛架平面外的剛度很小,這樣,我們必須設置剛架柱之間的柱間支撐和剛架梁之間的水平支撐,使其形成具有足夠剛度的結構;由于檁條和墻架的平面外剛度小,所以,有必要設置拉條(增加支撐),以減小在這個方向的長細比;對于剛架斜梁,一般是上翼緣受壓,下翼緣受拉,上弦由于檁條相連,一般不會出現失穩,但當屋面風荷載吸力作用時斜梁下翼緣有可能變號受壓從而失穩,因此,設置隅撐就十分必要了。

  另外門式剛架與基礎是通過地腳螺栓連接的,當水平荷載作用形成的剪力較大時螺栓就要承擔這些剪力,我們一般不希望螺栓來承擔這部分剪力,在設計時我們也沒考慮它的作用,而是設置剛架柱腳與基礎之間的剪力鍵來承擔這部分剪力。

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