新型轻钢结构设计原理探讨

新型轻钢结构设计原理探讨

胡昔云张芳丁录永

四川宜宾职业技术学院

摘要：新型轻钢结构是一种构件采用较薄板件，设计时考虑板件局部屈曲后的后继强度的钢结构体系，该结构相对其他现有结构较有优势，主要体现为重量轻、延性好、美观轻巧、分隔灵活多变、制作方便、工厂制作、工地施工、周期短、造价低。目前国际上新型轻钢结构颇具市场潜力，发展较快。文章主要介绍了轻钢结构的设计的一些分类和设计要点，通过对轻钢门式刚架、屋面结构、刚架结构、刚架节点和柱脚设计的设计分析进行新型轻钢结构的设计原理探讨。

关键词：轻钢结构；设计原理

引言

新型轻钢结构设计是一个严谨的工作体系，通过特定的条件假定和公式运算构件，使整个结构能满足承载力及使用需求下能经济化高校节能化。新型轻钢结构设计是按设计原理对整个结构按全过程进行有序地计算、设定、验算、安装、调试的一个系统化行为。近年来，随着全球经济技术的高速发展及一体化的进程加快，市场需求变得多样化，结构设计技术难度和复杂程度不断提高。这样在原有传统新型轻钢结构设计的基础上，结构设计也有了一定的发展与变化。

1轻钢结构一般概念

1.1简述轻型钢结构

结构构件采用较薄板件，设计时考虑板件局部屈曲后的后继强度的钢结构体系。

1.2轻型钢结构的特点

结构方面特点有重量轻、延性好；建筑方面有美观轻巧、分隔灵活多变的特点；施工方面主要是制作方便、工厂制作、工地施工、周期短。造价：相对较低。

1.3应用

单层建筑的应用有厂房、车间、仓库、展览厅、加层建筑等；多层建筑的应用主要有办公楼、住宅、售楼部等；其他还有雨蓬、雕塑等。

2轻钢门式刚架

2.1门式刚架的特点及结构布置

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、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1~A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构的设计、制作和安装。

2.2结构组成及特点

组成：主次结构、围护和支撑系统等。特点：主体结构为单跨或多跨实腹式刚架；梁柱刚接，柱脚铰接或刚接，梁、边柱弯矩较大，中柱以承受轴力为主；梁、柱截面以焊接H形截面为主，通常分段变截面，强度利用充分，与屋架结构相比，占建筑高度小；梁、柱等工厂制作，工地安装，构件和围护结构高度等系列化，施工速度快；屋面（墙面）由冷弯薄壁型钢檩条（墙梁）加压型钢板、保温棉等组成，减小构件尺寸，降低基础造价；风、雪荷载影响较大，地震作用可忽略。

2.3应用：单层工业厂房、仓库、机库、展览馆等。

2.4结构形式和布置

结构形式考虑生产工艺、吊车吨位及建筑尺寸等因素选取。按跨数选分单跨、双跨、多跨；按屋面坡脊数则有单坡、双坡、多坡；按截面形式有两类：等截面、变截面。结构布置包括柱网、温度区段、支撑体系等布置；

3屋面结构设计

3.1檩条设计

3.1.1截面形式，一般设计为简支构件，为主刚架构件提供平面外支撑（上翼缘受压）。

实腹式：热轧工字钢、槽钢、高频焊接轻型H型钢（荷载较大屋面）、冷弯薄壁卷边槽钢（C形）、Z形钢（压型钢板轻型屋面）；桁架式：大柱距，包括平面桁架、空间桁架。

3.1.2布置，檩条受弯扭共同作用，减小对剪力中心的偏心矩；C形、Z形檩条宜将上翼缘肢尖（或卷边）指向屋脊；屋脊檩条采用双檩，在1/3高度处用圆管或钢管拉结；檩条跨度由柱距决定，等间距布置并考虑天窗、采光带等，跨度4~6m设一道拉条，6~9m设两道；边缘檩条应与天沟匹配。

3.1.3连接，一般通过檩托与刚架斜梁连接，包括钢板檩托、角钢檩托。檩条与檩托采用普通螺栓连接，沿檩条高度方向布置，为便于安装，檩条开长圆孔。计算檩条时，不考虑隅撑作为檩条的支撑点。

3.1.4荷载，永久荷载：自重；可变荷载：检修荷载、积灰荷载和雪荷载；屋面坡度<15°，仅计风吸力；屋面坡度>15°，同时有风吸和风压。

3.1.5内力计算，无拉条—跨中设1根拉条—跨度1/3处各设1根拉条

3.1.6验算

（1）强度—按双向受弯构件（2）稳定性（3）刚度（4）檩条容许挠度

3.2墙梁

应考虑设置门窗、挑檐、雨篷等构件和围护材料要求；侧墙采用压型钢板作围护面层时，墙梁宜布置在刚架柱外侧，间距按墙板规格，计算确定。

3.3拉条和撑杆

3.3.1拉条，实腹式檩条之间设置，分为直/斜拉条，仅受拉力，一般采用直径8~16mm圆钢。提供侧向支撑、减小沿屋面坡度方向的跨度。减小施工和使用期间侧向变形和扭转。

3.3.2撑杆，主要受压，圆管、方管或角钢，长细比不大于200。提供侧向支撑、减小沿屋面坡度方向的跨度；减小施工和使用期间的侧向变形和扭转。

3.3.4布置，拉条一般设在离檩条上翼缘1/3高度处；檩条跨度l<6m，中间加一道拉条；檩条跨度大于6m，三分点处各加一道拉条；天窗两侧檩条之间设置斜拉条和直撑杆；撑杆和拉条共同受力，限制屋脊、檩条和天窗边檩条的侧向弯曲。

3.4刚架设计

3.4.1荷载及荷载组合

（1）永久荷载（2）可变荷载（3）地震作用

荷载效应组合原则：屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，取其中较大值；积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中较大值同时考虑；施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；多台吊车组合，应符合《荷规》规定；考虑地震作用时，风荷载不与地震作用同时考虑。

4刚架结构设计

4.1刚架内力分析

平面内：边柱为压弯构件，中柱以受压为主，梁为受弯构件；平面外：靠支撑体系，刚架结构梁、柱可为变截面，允许板件腹板屈曲，利用腹板屈曲后强度，需保证板件满足宽厚比要求，并确定有效截面，按有效宽度计算截面几何特性。

4.1.1工字形截面板件宽厚比

4.1.2腹板有效宽度取值

分两种腹板全部受压和腹板部分受拉时，受拉区全部有效，受压区有效宽度

4.1.3刚架梁、柱强度计算以构件边缘最大压应力达到钢材屈服强度作为临界状态，不考虑塑性发展的影响，一般按弹性理论设计。考虑各种荷载组合的最不利内力，对初选截面梁、柱按压弯构件进行验算。

4.1.4柱底铰接楔形变截面柱整体稳定计算，刚架平面内和刚架平面外分别计算。

4.1.5楔形变截面斜梁计算

坡度不超过1：5时，轴力很小，按压弯构件计算强度和平面外稳定。实腹式斜梁平面外计算长度取侧向支撑点间距。

4.1.6隅撑

当梁下翼缘受压时，靠近上翼缘侧向支撑对下翼缘侧向变形约束作用很小，工程中采用在受压翼缘两侧布置隅撑作为斜梁侧向支撑。隅撑一般选单根等边角钢，按轴心受压构件设计

单面连接单角钢压杆稳定计算，不用换算长细比采用对f进行折减。

5刚架节点和柱脚设计

拼为便于施工和节约成本，刚架梁一般采用分段制作和运输，现场接，端板连接是门刚最经济的连接形式，仅需少量螺栓连接，加快施工进度，但柱的倾斜会引起安装困难。

5.1梁柱节点

5.1.1节点形式

斜梁与柱节点形式：端板横放、端板竖放和端板斜放。端板构造形式：外伸式、平板式。

5.1.2梁与端板焊接连接

5.1.3端板螺栓

采用承压型或摩擦型高强度螺栓连接，高强度螺栓直径根据需要选用M16~M24。檩条和墙梁与刚架斜梁和柱的连接通常采用M12普通螺栓。

计算原则：端板连接应按所受最大内力设计，当内力较小时，应按能够承受不小于较小被连接截面承载力的一半设计。由于抗滑移系数影响因素多，宜适当增加螺栓个数。

5.2斜梁拼接

屋脊节点：解决屋面坡度变化。梁拼接节点：便于长梁的运输和选用变截面梁，节点宜设置在弯矩较小的位置。

5.3柱脚节点

门式刚架一般采用外露式柱脚，分类：外露式铰接柱脚、柱截面较小时采用一对锚栓；柱截面较大时采用两对锚栓；柱翼缘与底板间采用全熔透坡口对接焊缝；柱腹板及加劲肋与底板间采用双面角焊缝；外露式刚接柱脚。

结语

设计原理的应用与创新已经成为设计发展的瓶颈问题。然而由于我国轻钢结构体系应用覆盖尚不够广泛，技术创新进度缓慢，在国际竞争变得愈加白炽化的今天，要如何推进我国的新型轻钢结构设计行业发展。文章就一些常见轻钢结构设计原理进行了分析以供探讨。

参考文献：

[1]何孝军，王珊.轻型钢结构体系[J].科技资讯，2007（32）.

[2]凌飞.轻钢结构建筑体系与构造技术问题[J].建设科技，2013（16）.

[3]沐方中.单、多层轻钢结构设计的思路与探讨[J].工业建筑，2010（S1）.

[4]沈祖炎.房屋钢结构设计[D].中国建筑工业出版社，2008

[5]马人乐.建筑钢结构设计第2版[D].同济大学出版社，2011