轻钢结构设计中常见问题的探讨

2011-08-15王洁

山西建筑 2011年29期

王洁

随着我国建筑业的高速发展，诸多先进的建筑技术陆续应用于建筑业中。轻钢结构因其诸多优点，作为一种新型的建筑结构形式，已广泛地被应用到建筑工程中。许多的建筑结构因其建筑跨度较大，并且无大吨位的吊车等承载结构而特别适合采用轻钢结构的设计形式。同时，许多新型轻型屋面材料的问世，进一步推动了轻钢结构在建筑业中的应用。相对于混凝土结构，轻钢结构存在三大优势:1)因轻钢结构自重较轻，一般跨度设计较大，有明显的经济效益;2)轻钢结构中所有施工构件可在厂房内自动化生产，节省了施工周期，有明显的时间效益;3)可依据具体需要而设计出造型独特，美观大方的独特设计形式。伴随着轻钢结构的迅猛发展，一些设计工作中存在的典型问题也越发突出，具体问题如下。

1 钢材选用

设计中通常根据构件功能不同而选择不同的钢材。例如，门式刚架、吊车梁、焊接的檩条及墙梁等构件宜采用 Q235B或Q345A及以上等级的钢材。非焊接的檩条和墙梁等构件可采用Q235A等较低强度钢材。钢材的选用还应根据具体实际情况考虑以下几个方面:

1)依据经济性选用钢材。通常Q235钢与Q345钢的差价在700元/t左右。一些研究表明，一般的无吊车刚架结构，其柱距在6 m～9 m之间，并且其跨度在15 m～27 m之间时，从经济角度考虑宜选用Q345，则结构整体用钢量可降低16%～28%。在设计工作中，构件截面以强度进行控制设计时，应优先选用Q345较高强度钢材;构件截面以刚度进行控制设计时，应优先选用Q235钢。

2)依据设计荷载采用不同钢材。例如，直接承受动荷载的构件，考虑结构共振等动力效应，一般采用 Q235.B，Q235.C，Q235.D及Q345钢。直接承受静荷载或间接承受动荷载的构件则可选用Q235.B，Q235.B·F。

3)依据施工温度采用不同钢材。例如，施工过程中，工作温度通常低于－20℃ 时，宜选用Q235.C或Q235.D等钢材;工作温度高于－20℃时，可选用Q235.B等钢材。

2 结构尺寸设计

轻钢结构的诸多设计因素都会对结构的经济效应产生影响，例如，跨度、柱距、檩距、结构檐口高度、屋面坡度、构件截面形式等因素。一般的设计中，设计人员在考虑结构经济性的基础上，重点放在构件应力比的控制上，而忽视以上提到的诸多影响因素。研究表明，从结构的经济效应出发，常规门式刚架的合理跨度范围在18 m～30 m之间，吊车吨位较大时的合理跨度在24 m～30 m;无吊车或吊车吨位较小时的合理跨度在18 m～21 m。常用门式刚架的合理柱距一般为7 m～9 m，当无吊车或吊车吨位较小时的合理柱距可取8 m～9 m;当吊车吨位较大时的合理柱距可取7 m。因此，轻钢结构应当根据具体使用要求同时考虑各种影响因素，在结构截面强度或刚度控制下，充分考虑经济效应的基础上进行相应的设计工作。

3 柱脚设计

轻钢结构中柱脚采用铰接还是刚接形式应该根据具体工程情况，综合考虑房屋高度、风荷载大小、有无吊车、吊车吨位大小和工作情况及土质情况等因素进行设计。一般设计要求中，工业厂房并且内有5 t以上桥式吊车时，柱脚宜采用刚接;门式刚架柱脚与基础宜采用铰接。

4 支撑设计

支撑系统设计是整个轻钢结构设计的关键，假如支撑系统未能形成完整的传力路线，则部分结构构件就不能发挥作用，造成浪费。一般支撑系数设计错误如下:

1)屋面支撑设置压杆。一般屋面支撑只承受拉力作用，所以屋面支撑多采用施加预拉力的圆钢。此时，在屋面支撑设置压杆构件，其压杆实际不起任何作用，无法传递水平力。一般设计中，轻钢结构中压杆要单独设置。若檩条能够满足压杆的设计要求(压杆轻度和长细比)，则可以用檩条替代压杆。

2)通长压杆设置位置不当。纵向通长压杆是整个支撑系统的重点部位，厂房内通过纵向通长压杆将厂房纵向连成整体，将各道屋面支撑或柱间支撑连接为整体受力结构。假如生搬硬套设计规范中的要求，则有可能造成通长压杆的设计不当，造成受力不均或无法传力等情况，造成不必要的浪费等。

5 拉条设置

拉条是轻钢结构中的辅助构件，其作用主要为:承受檩条侧向力、减小檩条侧向变形、对檩条起到侧向支撑作用、减小檩条的计算长度等。其中，拉条的力学传递机理如下:

通常双坡对称结构屋面内，在屋脊处设置拉条构件，将屋脊檩条连接起来，使两侧拉条的受力互相平衡。此时，拉条会对檩条产生垂直于屋面向下的合力。在一般设计中，屋脊檩条由于其承受的屋面荷载面积较小，所以与其他檩条相比其受力较小，但如果考虑了拉条对其产生的垂直力，则应对屋脊檩条的受力情况进行单独计算。

轻钢规程(CECS 102∶2002)第6.3-5条中指出“当檩条倒向檐口时应在檐口布置斜拉条与撑杆”。另外，依据力学原理，在如下情况时在檐口需要布置斜拉条与撑杆:1)因为拉条只能承受拉力，将拉条作为檐口和屋脊檩条的侧向支撑点时，檩条无论如何受力变形都被拉条拉住，拉条此时可能同时承受拉、压力。这样的设计形式在檩条兼作屋面支撑的压杆和计算檩条在风吸力作用下的稳定性时是非常重要的。2)当屋面采用“钢丝网+铝箔+玻璃棉+彩钢板”时，安装时需将钢丝网张紧，在檐口处则会对檩条产生沿屋面向上的拉力，易将檩条拉弯，此时也应在檐口设斜拉条和撑杆。