轻钢结构浅谈.docx

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轻钢结构浅谈

1.轻钢结构的特点

钢结构一般分为普通钢结构和轻钢结构，它们之间并无明显的界限。

其计算规则都是一样的。

所谓轻钢结构，一般是结构荷载较小，结构杆件也较小，构件壁厚较薄的一类结构，一般采用门式钢架、屋架和网架为主要承重结构。

正因为轻钢结构上作用的荷载较小，所以，使得结构效应产生的内力一般较小，这就使得结构的强度往往不成问题，而由于构件断面较小，截面惯性距较小，使得结构的刚度也随着减小，结构的整体和局部稳定成为在设计中必须引起重视的主要问题。

这就是轻钢结构自己的特点。

了解了这个特点，我们就可以采取相应的措施，比如可以采用增加支撑和拉条，以满足杆件的长细比要求，增设加劲肋以满足构件的局部稳定等。

2.门式刚架结构的特点

下面讲一下我们常见的门式刚架结构。

门式刚架轻型房屋，其结构一般由主骨架和支撑系统构成，主骨架包括：

1）主受力构件－门式刚架；2）墙架；3）檩条等；支撑系统包括：

1）刚架柱之间的垂直支承；2）刚架梁之间的水平支撑；3）刚性系杆、拉条；4）隅撑等；

从以上的构成可以看出，支撑系统占有很大的比例，这也是轻钢结构的特点。

门式刚架房屋上作用的荷载一般有：

竖向荷载（结构自重，雪荷载，积灰荷载，）和水平荷载（风荷载，吊车刹车力）,还有地震荷载（水平和竖向）。

由于轻钢结构自重较轻，所以对地震的反应也较轻，这一点对抗震非常有利。

3.门式刚架各构件的作用

门式刚架，建筑物上的各种荷载主要由它承担并将其传给基础，刚架与基础的连接有刚接和铰接两种形式，一般宜采用铰接，当水平荷载较大，房屋高度较高或刚度要求较高时，也可采用刚接。

刚架柱与斜梁为刚接。

刚架的特点是平面内刚度较大而平面外刚度很小，这就决定了它在水平荷载作用时，可承担平行与刚架平面的荷载，而对于垂直刚架平面的荷载却无能为力。

墙架，主要承担墙体自重和作用于墙上的水平荷载（风荷载），并将其间接传给主体结构。

檩条，承担屋面荷载，并将其传给刚架。

檩条还通过螺栓与每榀刚架连接起来，与墙架梁一起与刚架形成空间结构。

由于檩条和墙架梁之间都是由螺栓连接的，连接点近似于铰接，又由于檩条和墙架梁的长细比都较大，在平行于房屋纵向荷载的作用下，其传力刚度有限，所以有必要在屋面的各刚架之间设置一定数量的刚性系杆。

我们刚才说了，刚架平面外的刚度很小，这样，我们必须设置刚架柱之间的柱间支撑和刚架梁之间的水平支撑，使其形成具有足够刚度的结构；

由于檩条和墙架的平面外刚度小，所以，有必要设置拉条（增加支撑），以减小在这个方向的长细比；

对于刚架斜梁，一般是上翼缘受压，下翼缘受拉，上弦由于檩条相连，一般不会出现失稳，但当屋面风荷载吸力作用时斜梁下翼缘有可能变号受压从而失稳，因此，设置隅撑就十分必要了。

另外门式刚架与基础是通过地脚螺栓连接的，当水平荷载作用形成的剪力较大时螺栓就要承担这些剪力，我们一般不希望螺栓来承担这部分剪力，在设计时我们也没考虑它的作用，而是设置刚架柱脚与基础之间的剪力键来承担这部分剪力。

4.判断结构是否适合用轻钢结构

是否为轻钢，可以根据结构承受荷载的大小，以及结构类型来定的。

1、楼、屋面结构体系：

如果是钢筋混凝土楼、屋面板，荷载较大就不能用轻钢结构；2、吊车荷载：

如果有较大吨位的吊车就不符合轻钢结构的要求；3、结构体系：

要是建筑物为多层，或是比较高的单层结构也不宜按轻钢设计。

5.判断结构是否适合用轻钢结构

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102：

2002的适用范围

适用于主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或仅有起重量不大于20t的中、轻级工作制桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构。

6.钢材的分类

1、按建筑用途分类

碳素结构钢（普通及优质）、焊接结构用耐候钢（耐大气腐蚀钢）、高耐候性结构钢、桥梁用结构钢。

2、按化学成分的碳及合金元素分类

碳素钢：

低碳钢、中碳钢、高碳钢

合金钢：

低合金钢、中合金钢及高合金钢

3、按化学成分的硫及磷含量分类

普通钢：

S≤0.05%，P≤0.045%;

优质钢：

S≤0.045%，P≤0.04%;

高级优质钢：

S≤0.035%，P≤0.03%。

4、按炼钢炉炉种分类

平炉钢、氧气顶吹转炉钢、碱性侧吹转炉钢及电炉钢。

5、按浇注时脱氧程度及方法分类

沸腾钢、镇静钢、半镇静钢。

7.Q235及Q345钢的质量等级和保证项目

Q235钢的质量等级分为Ａ、B、C、D四级。

1、Q235A钢号的力学性能保证项目：

屈服点、抗拉强度及伸长率三项。

2、Q235的B、C、D级钢的力学性能保证项目：

有屈服点、抗拉强度、伸长率、冲击韧性、冷弯性能五项，其中冲击韧性的试验温度，对B、C、D级钢分别为200C、00C级－200C,D级试验温度属负温试验。

Q345钢的质量等级分为Ａ、B、C、D、E五级。

1、Q345A钢的力学保证项目：

屈服点、抗拉强度、伸长率和冷弯性能四项。

2、Q345的B、C、D、E级钢的保证项目:

有屈服点、抗拉强度、伸长率、冲击韧性及冷弯性能五项，其中冲击韧性的试验温度，对B、C、D、E级钢分别为200C、－200C级－400C,D、E级试验温度属负温试验。

8.材料

用于承重的冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢和钢板,应采用现行国家标准《碳素结构钢》GB／T700规定的Q235和《低合金高强度结构钢》GB／T1591规定的Q345钢。

门式刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用Q235B级或Q345A及以上等级的钢。

非焊接的檩条和墙梁等构件可采用Q235A钢。

门式刚架轻型房屋的檩条和墙梁宜采用本规程附录B规定的卷边Z形冷弯型钢或附录C规定的卷边槽形冷弯型钢。

9.优化目标

在进行轻钢结构设计时，应在确保结构安全的前提下，使结构的用钢量最省、造价最低。

这也就是我们采用优化设计方法的优化目标。

而在实际设计中，轻钢结构的用钢量和造价又是由结构杆件的截面尺寸决定的。

因此,我们的优化目标可以直接简化为如何选择经济合理的截面尺寸，使其在满足强度、刚度、稳定性等要求的前提下，截面面积最小。

10.优化方法

与网架钢结构的优化方法相似，门式刚架结构的优化方法也采用渐近满应力法，即门式刚架结构杆件通过多次计算分析选择修改其截面尺寸，使其达到或尽量接近满应力状态，直到门式刚架结构的全部杆件的截面尺寸不需修改为止，使门式刚架结构的用钢量最小，以达到造价最低的优化目标。

构件截面尺寸的修改，也就是截面尺寸的优化，其方法是选取的截面尺寸力求其在平面、出平面两个方向的截面抗弯抵抗力矩最大，而其截面面积最小，即在外荷载作用下，截面尺寸的选择既要能满足强度、稳定验算中构件材料的设计强度要求，又要使材料用量最省。

11.檩条的设计

檩条的形式及特点

1、实腹式檩条：

槽钢檩条、高频焊接轻型H钢檩条、卷边槽形冷弯薄壁型钢檩条、卷边Z形冷弯薄壁型钢檩条。

2、空腹式檩条：

由角钢的上下弦和缀板焊接组成。

3、格构式檩条：

平面桁架式、空间桁架式、下撑式檩条。

1、截面高度

实腹式檩条的截面高度H，一般取跨度的1/35~1/50；桁架式檩条的截面高度H，一般取跨度的1/12~1/20。

2、截面宽度

实腹式檩条的截面宽度B，由截面高度H所选的型钢规格确定，空间桁架式檩条上弦的总宽度B，取截面总高度的1/1.5~1/2.0

檩条荷载

1、恒荷载

屋面材料重量、支撑及檩条结构自重

2、活荷载

屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载和风荷载，当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取0.50KN/m2。

檩条的布置、连接与构造

檩条在屋架（刚架）上的布置和搁置

1、为使屋架上弦杆不产生弯距，檩条宜位于屋架上弦节点处，当采用内天沟时，边檩应尽量靠近天沟。

2、实腹式檩条的截面均宜垂直于屋面坡面，对槽钢和Z型钢檩条，宜将上翼缘肢尖（或卷边）朝向屋脊方向，以减小屋面荷载偏心而引起的扭距。

3、桁架式檩条的上弦杆宜垂直于屋架上弦杆，而腹杆和下弦杆宜垂直于地面。

4、脊檩方案：

一般应采用双檩方案，屋脊檩条可采用槽钢、角钢或圆钢相连。

檩条与屋面的连接

檩条与屋面应可靠连接，以保证屋面能起阻止檩条侧向失稳和扭转的作用，这对一般不需要验算整体稳定性的实腹式檩条尤为重要。

檩条与压型钢板屋面的连接，宜采用带橡胶垫圈的自攻螺钉。

檩条与刚架的连接

檩条端部与刚架的连接应能阻止檩条端部截面的扭转，以增强其整体稳定性。

1、实腹式檩条与刚架的连接处可设置角钢檩托，以防止檩条在支座处的扭转变形和倾覆。

檩条端部与檩托的连接螺栓应不少于2个，并沿檩条高度方向设置。

螺栓直径根据檩条的截面大小，取M12～M16。

2、桁架式檩条一般用螺栓直接与屋架上弦连接

檩条的拉条和撑竿

1、拉条的设置：

檩条的拉条设置与是否主要和檩条的侧向刚度有关，对于侧向刚度较大的轻型H型钢钢和空间桁架式檩条一般可不设拉条。

对于侧向刚度较差的实腹时和平面桁架式檩条，为了减小檩条在安装和使用阶段的侧向变形和扭转，保证其整体稳定性，一般需在檩条间设置拉条，作为侧向支撑点。

当檩条跨度≤4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条；当屋面坡度i＞1/10，檩条跨度＞4时，宜在檩条的跨中位置设置一道拉条；当跨度＞6m时，宜在檩条跨度三分点处各设一道拉条或撑竿，在檐口处还应设置斜拉条和撑竿。

拉条的直径为8－12mm，根据荷载和檩距大小取用。

2、撑竿的设置

檩条撑竿的作用主要是限制檐檩和天窗缺口处边檩向上或向下两个方向的侧向弯曲。

撑竿的长细比按压杆要求λ≤220，可采用钢管、方管或角钢做成。

目前也有采用钢管内设拉条的做法，它的构造简单。

撑竿处应同时设置斜拉条。

3、拉条和撑竿的连接

斜拉条与檩条腹板的连接处一般应予弯折，弯折的直段长度不宜过大，以免受力后发生局部弯曲。

斜拉条弯折点距腹板边距宜为10～15mm，如条件许可，斜拉条可不弯折，而采用斜垫板或角钢连接。

12.屋面支撑与柱间支撑的大小如何定

1、支撑的作用主要是保证结构体系成为空间体系，有足够的空间刚度，

2、支撑所受力主要是风载和地震作用，温度作用；

3、计算支撑内力时一般假定节点为铰接，并忽略偏心的影响，并且一般的支撑都是按拉杆考虑，所以，一般适宜双向布置。

1.屋面支撑

屋面支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比来选择。

交叉斜杆和柔性细杆按拉杆设计，可采用单角钢；非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角钢组成十字形或T形截面。

当屋架跨度较大、房屋较高且基本风压也较大时，杆件截面应按桁架体系计算出的内力确定。

计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。

2.柱间支撑

对厂房来说：

分为上层支撑和下层支撑

上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而引起较大的温度应力，支撑腹杆按柔性拉杆计算。

交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般用圆钢，较大时通常采用角钢或槽钢。

交叉斜杆常按拉杆设计，但为了提高厂房的纵向刚度，当吊车较大时，应按压杆设计。

13.隅撑的作用与设置

隅撑的作用主要是阻止梁的下翼缘及柱的内侧翼缘失稳。

并在设计计算中作为减少梁柱的平面外计算长度的最不利侧向支撑间的最大间距。

隅撑之所以要设，是因为刚架斜梁的受力的变化。

在恒荷载和活荷载等荷载组合作用下，一般的梁受力是上翼缘受压，下翼缘受拉，这样檩条与钢梁的有效连接为梁上翼缘的稳定提供了可靠的支撑。

所以一般情况下梁的平面外计算长度取两倍的檩条间距。

上翼缘的稳定可以保证。

但是在受到风吸力荷载作用时时，下翼缘受压，上翼缘受拉，这样下翼缘的稳定性没有可靠的平面外支撑，因此在梁的下翼缘上加设隅撑给钢梁的下翼缘提供支撑。

隅撑一边与梁的下翼缘连接，一边与檩条连接。

隅撑的做法可以详见门式刚架的规范。

14.隅撑的作用与设置

门刚6.1.6.4条规定，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撑，隅撑的另一端连接在檩条上。

门刚6.4.4.3条规定，当外侧设有压型钢板的实腹式刚架柱的内侧翼缘受压时，可沿内侧翼缘设置成对的隅撑，作为柱的侧向支承。

隅撑应按轴心受压构件设计

15.隅撑的作用与设置

研究表明，门式刚架的破坏和倒塌在很多情况下是由受压最大的翼缘屈曲引起的，而斜梁下翼缘与刚架柱的相交处压应力最大，是结构的关键部位。

本规程规定，“在檐口位置，刚架斜梁与柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处应各设置一道隅撑”，就是为了确保该处的稳定性。

此外，还规定在斜梁下翼缘受压区均应设置隅撑，其间距不得大于相应受压翼缘宽度的16（235/fy）1/2倍。

该规定便于执行，也便于施工质量检查。

若翼缘宽度较窄，理所当然地应使隅撑间距减小。

规程还特别规定，当斜梁下翼缘不设隅撑时，应采取保证刚架稳定的可靠措施，如设置刚性撑杆或加大截面等。

这就较好地保证了结构的安全。

至于柱的隅撑，应根据具体情况设置。

当柱高较大时，要求分段进行平面外稳定性验算，一道隅撑通常是不够的，此时一般应设几道隅撑。