试论工业建筑钢结构设计中轻钢和重钢的差异

沈夕渊

江苏兴港建设集团有限公司 江苏 张家港 215600

随着建筑事业的不断发展，钢结构建筑形式在工业厂房当中占据了重要地位，很多从业人员对钢结构的使用进行了深入研究，且分析两者之间存在的差异。文章在具体的分析过程当中，阐述两者本质上的差异，以及在工业建筑结构当中的使用。对于工业建筑而言，使用钢结构形式必不可少，具体使用过程当中科学的使用轻钢与重钢组合，才可以保证建筑的整体质量。

1.对工业建筑设计当中轻钢和重钢的认识

1.1 轻钢结构的认识

基于《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》当中的规定，针对轻钢的认识，轻钢结构是承重结构为单跨式结构或者是多跨实腹门式刚架结构，其中厂房行车的起吊重量小于等于20T，对单梁吊车起吊重量并没有限制,实际上单梁吊车的起重额最大数值不会超过5T，当配合进口电动的吊车起吊，起重额的数值能够达到10T。因此规范对于单梁吊方面，并没有提出明确的吨位限制。且门式刚架的檐口高度不大于18m,高宽比小于1，采用轻型屋面，也就是说满足规范标准的实腹门式刚架结构可以认定为轻钢结构。

除了单层工业厂房通常采用的门式刚架外，对轻钢结构类型的划分，也可按照受力构件截面的区分，比如冷弯薄壁型钢结构应属于轻钢结构,方钢管，圆管和小截面角钢等组成的结构也归属于轻钢结构范畴内，而且上述内容当中各种构件组成的格构式构件也被称为轻钢结构构件。

判断结构是否是轻钢结构，也可以通过一些参数指标进行具体的判定。比如轻钢结构的最大跨度不会超过36m，以及轻钢结构的含钢量限值为45～50kg/m2，如采用H型构件；钢板厚度通常不会超过12mm，厂房行车的起吊重量不会大于25T，另外每平米的工程造价，最大构件的重量，结构的最大跨度等数据实际判断过程中可以将这些数据作为主要判断依据。

1.2 重钢结构的特征

在各种规范与技术文件当中，针对重钢的概念并没有明确提出以及具体划分，人们当前对重钢一词的概念，主要是由于对轻钢结构的认识，以及通过轻钢而衍生出重钢这种与之对立的词性进行区分。重钢结构通常运用在大型建筑，高层建筑与厂房当中，比如大量冶金厂房、发电厂房等，由此可以看出，重钢是之于对轻钢结构概念提出来的一种能够区分的衍生概念，相对于轻钢结构，一般钢结构称为“普钢”。普通钢结构在现实生活当中的使用范围非常广，比如现实生活当中不同结构形式的钢结构的使用、以及钢与混凝土的混合结构等，都囊括在普钢结构领域内。之前我们阐述过通过数据与结构特征区分轻钢结构，这里简要阐述一下与轻钢结构相比重钢结构的特征：通常厂房行车起吊重量不低于25T，其吊车数量要两台以上；或者单位面积钢材的用量超过轻钢结构的限值，主要构件钢板厚度普遍大于12mm，在工业建设厂房当中的使用高度超过18m,或者结构开间超过9m。

在一些特殊的公共建筑当中，还有一类钢结构形式与轻钢和重钢有一定的区别，这在以下建筑当中使用比较普遍，比如大型展览会场、体育场所等使用的钢结构使用体系很难用上文所提到的轻钢结构和重钢结构的区分方法来判断。因为这一类建筑对空间跨度要求非常高，单位面积的用钢量可能属于轻钢结构的范畴，但是单个构件的截面尺寸确是和重钢结构相当，这些钢结构某几项数据符合轻钢结构的指标，但应属于重钢结构范畴，如果是非工业类建筑的区分，最好以结构类型进行划分为好。

2.轻钢与重钢在工业建筑当中的使用

2.1 结构分析

工业钢结构厂房基本上都采用轻型钢结构作为支撑性构件，比如当前使用最为频繁的热轧轻型型钢、圆及角钢，其中的维护结构大部分都采用轻质压型钢板或夹心板。在实际运用过程当中，普通厂房的建筑规模非常大，在具体使用过程当中，除了使用轻钢结构之外，也包括多层钢框架结构，或者带支撑的钢框架结构等。房屋主钢架结构是钢结构厂房设计当中需要设计人员重点考虑的问题，尤其是多层钢框架结构的设计，多层钢结构，结构设计十分复杂。在具体设计过程中，可以根据钢结构设计手册与钢结构设计规范进行具体的了解，按照其规范进行。

2.2 工程分析

某建筑钢结构设计，工业厂房跨度为30m、跨距7.2m,总面积为2160m2，在设计当中，主刚架采用焊接H型钢，钢梁划分为四段拼接，如果使用热轧H截面构件来作为屋面梁，因规格的限制，很难满足大跨度钢梁的截面需求。采用焊接H型钢的设计方式操作性非常强可以根据设计需求选择腹板和翼缘的尺寸，实用性极强，比如在此案例的车间设计当中就选择这种钢梁，使用PKPM程序的门式刚架模块设计建模，使用变截面焊接H型钢作为厂房柱，变截面焊接H型钢作为厂房梁。前期钢梁为等比例变截面设计，各段钢梁应力比不平均，部分钢梁截面浪费，经济性不佳，通过弯矩包络图调整钢梁截面，各段钢梁根据实际受力采用不同的变截面坡度，使得各段钢梁应力比接近，达到较好的经济性。

因此通过软件进行分析之后可知，梁跨中弯矩较小，可以减小腹板的高度，梁柱连接处弯矩较大应增加腹板高度，通过调整截面高度来达到具体要求，在这个过程中需要注意保证钢梁的平面内及平面外的稳定性。在具体的设计过程中，通过对软件提供数据进行具体分析，技术人员应尝试不同的截面组合，采取最高效的设计方案，保证结构安全性与稳定性的同时，同时降低钢材的使用量，整体上降低了施工成本。同时在设计过程当中，为了提高工作效率设计人员应该根据经验确定屋面梁高度，一般具体为跨度的10%～15%，大跨度梁由于需要承担更高的重量，因此需要使用轻钢来降低屋面的负荷，主刚架之间的支撑构件也采用轻钢构件进行连接。为保证建筑整体的稳定性与可靠性，满足竖向荷载及风荷载的承载力要求，主刚架的设计其实与重钢结构并无不同。在实际设计过程中，根据受力要求灵活搭配轻钢结构与重钢结构，合理控制钢材的用量。

2.3 工程节点

重钢与轻钢在节点连接上也有区别，节点设计在钢结构设计当中是非常重要的一环。在具体设计过程中轻钢结构的构件质量比较轻，材料厚度比较薄，而且整体承载能力也不高，因此轻钢结构连接多用普通螺栓连接，或者焊接的方式。对于普钢结构，因构件承载能力较强，因此节点受荷较大，在设计的时候通常都选择使用高强螺栓进行节点连接，可以有效传递节点间的弯矩和剪力，普通螺栓只是在安装时起到定位作用，并不参与最终的受力；普钢结构根据节点的支座要求选择不同的连接方式，铰接节点通常使用全螺栓连接，刚接节点可以选择全螺栓连接，全焊接连接，或者螺栓与焊接相结合的方式，无论是轻钢结构还是重钢结构，都是根据节点的受力情况选择合适的连接方式，这一原则是一致的，这种设计方式不仅仅节省建造成本，而且还可以保证工程师对于结构概念设计以及传力路径得到实现。

3.具体使用建议

钢结构厂房温度伸缩缝需要合理控制，钢材相较于混凝土对温度更加敏感，焊接温度变化引起的残余应力；温差变化引起的钢结构的弹性或塑性变形以及温度升高引起的钢材力学性能下降都是影响钢结构厂房性能的关键因素，影响到建筑结构的安全性。在具体设计过程中，针对钢结构厂房的设计，尤其是单层大跨度钢结构厂房，在设计方面需要考虑钢结构厂房的功能，选择规则合理的结构布置；合理的结构构件刚度，优化钢结构厂房当中的支撑系统布置，将柱间支撑尽量布置在建筑两端等措施来消除温度的影响。在实际施工当中，建筑施工当中的振动设备造成的结构主体稳定性、高位吊装，大跨度，轻钢屋面安装等是工程施工当中的难点；施工过程中还需要重视钢结构厂房的屋面部分，屋面的重点是做好厂房屋面防水工作。轻钢结构施工当中，还需要做好厂房保温设计、隔温设计，出于钢材本身的性能特征，钢材具备良好导热性能，以及轻钢结构本身的气密性较差的特点，钢结构厂房设计中需要对节点做好隔热处理，最大程度满足工艺和使用要求也可以降低温差变化对钢结构造成的影响，降低能源的消耗。温度的升高对于钢材的力学性能会造成很大的影响，一般情况下钢结构表面温度大于150摄氏度，则需要做好隔热、防火方案，比如可以使用钢结构件外包耐火砖，或者是使用混凝土等硬质防火材料来提高隔热性能；同时使用厚涂型防火涂料来完善防火设计。

结语：综上，我国处于可持续发展战略重要转折阶段，人们在建筑施工当中纷纷鼓励使用耗能低且效率高的新型环保材料，当前这些材料已经席卷市场，成为市场当中热点，在具体设计当中一定要全面多角度的分析考虑，选择合理的方式使用。