浅谈轻型钢结构房屋设计

摘要：轻型钢结构在我国已被广泛使用，但在设计与施工中有些问题仍需重视, 笔者结合多年从事轻钢结构设计的经验，讨论了轻钢结构的支撑系统、节点构造、屋面荷载取值等问题，并提出几点体会和设计建议，希望对同行有所帮助。

关键词：轻型钢结构；房屋设计；荷载；支撑；稳定；安全

轻型刚架以其诸多的优点逐渐成为很普及的结构形式，然而由于发展的时间相对较短，很多问题在设计和加工过程中有许多容易被忽略，这就导致了结构的不合理性甚至可能导致结构的不安全性。改进建议如下：

一、吊车梁的设计

关于吊车梁制动析架的设置,我们可以见到一些轻型钢结构厂房, 其跨度在24米以内,且吊车为5t―20t,吊车梁的跨度为6m到8m,有相当一部分也设了制动析架更甚者有跨度,吊车仅3t,吊车梁跨度也设制动析架。根据我们的设计经验,类似以上吊车吨位和跨度的轻钢厂房可不设制动析架,首先是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中规定轻钢厂房只能设中、轻级工作制桥式吊车起重量不大于20t。只要满足吊车梁的强度和变形以及构造要求,在横向水平刹车力的作用下能满足吊车梁的侧向稳定,当有必要时可适当加大吊车梁上翼缘的宽度,以保证其稳定性.不设吊车制动析架还可减少制造和安装工作量,降低造价。

二、主钢构材质的选择

轻型刚架以其诸多的优点逐渐成为很普及的结构形式，然而由于发展的时间相对较短，在设计和加工过程中有许多容易被人们忽略的地方，导致了结构的不合理性甚至不安全性。

关于轻型刚架材质问题,在建设单位的招标文件上,经常见到要示刚架材质为Q345，而且这种要求高强度材料的标书也越来越多,建设单位认为材质的设计强度越高就越省钢材,就会降低工程造价。这种认识有局限性，并不是普遍规律。因为刚架的结构设计,不仅要进行强度设计，同时还要进行刚度设计及稳定性设计，而影响设计的因素也比较复杂。例如，高度、风载、跨度、地震烈度、静载、是否有吊车、吊车吨位等等都有所影响。所以，材料强度越高就越省钢，这种认识是很不全面的。一般来说，非地震区的建筑风载较小且跨度较大时，其构件内力较大，这是强度控制,材质强度高会降低用钢量,从而使建筑物造价下降；当抗震设防烈度较高且风载较大时,往往是变形较大由刚度控制,材质强度再高,也需保持足够的构件截面,才能够有足够的刚度以满足变形要求,这时材质强度高反而建筑物造价会提高,造成不必要的浪费。

三、抗风柱的设计

抗风柱作为端排刚架支点,限制了刚架梁的垂直变形,与中排刚架垂直变形不一致。实际即使抗风柱对端排刚架不起支撑作用,端排刚架垂直变形与中排刚架垂直变形也不一样,因为端排刚架荷载与中排刚架荷载不同。另外檩条与刚架梁连接是铰接,边跨檩条两端沉降允许有差值,屋面板也能适应边跨檩条两端沉降差值。

四、屋面板及檩条的设计

屋面板和檩条的设计,现在通常是檩条等间距布置，檩条对屋面板是等跨支座,例跨度15m以上的刚架多为双坡，每坡屋面板在7.5m 以上。根据檩条布置,屋面板多按5跨等跨连续梁设计,其结果是屋面板端跨的跨中弯矩比中跨的跨中弯矩大很多,按端跨跨中弯矩选用屋面板,则中跨屋面板不能充分发挥作用。对檩条的线荷载又以屋面板的第二支座反力为依据,第二支座反力是5跨连续板中反力最大的支座, 以此反力设计檩条,此时只有屋面板第二支座的檩条能充分发挥作用,中跨支座檩条承载力富裕很多,不能充分发挥作用。为此建议檩条采用不等跨布置,檩条的布置在屋面板端跨处间距减少而中跨处间距放大使屋面板的端跨弯矩和中间跨弯矩比较接近,或由于檩条不等跨布置使屋面板支座反力比较接近,这样能充分发挥屋面系统的材料性能, 降低单位用钢量, 降低造价。

五、雪荷载的选用

有的设计软件在输入荷载时,对雪载只按均布荷载输入，没有考虑到建筑结构荷载规范(GBJ9-87)中屋面积雪分布系数，常常遇到的单跨双坡屋面和双跨双坡屋面以及高低跨相邻的屋面，不考虑雪载分布不均匀系数，给设计带来很大不方便，也可能造成不安全。尤其是在黑龙江高寒地区，雪载很大，是屋面结构的主要控制荷载，有的设计者认为只要是程序计算就没问题，其实有的程序也有不完善之处，在高寒地区设计时要注意屋面积雪的不均匀系数，尤其是有的高低跨相邻的建筑物，即便程序中没考虑雪载不均匀系数,也应自行调整,以保证结构安全。

六、端排刚架的设计

通常不单独设计轻型钢结构的端排刚架,尽管端排刚架的刚度及荷载与中排刚架不同,往往也不单独设计,施工图与中排刚架一样。抗风柱对端排刚架也不起支撑作用,只抗水平侧力并承担端墙自重。实际抗风柱作为端排刚架的支点,可以减小其钢梁和钢柱断面,也可减小型钢翼缘的尺寸或板厚此时在构造上端排柱外皮与中排柱外皮齐。端排刚架承受屋面半载及端墙自重荷载端排刚架的中间支柱抗风柱承受风荷载通过横梁和撑杆传给屋面系统，此方案可减少用钢量。但当考虑扩建时端排架与中排架应相同。抗风柱作为端排刚架支点，限制了刚架梁的垂直变形，与中排刚架垂直变形不一致。实际即使抗风柱对端排刚架不起支撑作用，端排刚架垂直变形与中排刚架垂直变形也不一样，因为端排刚架荷载与中排刚架荷载不同。另外攘条与刚架梁连接是铰接,边跨擦条两端沉降允许有差值,屋面板也能适应边跨攘条两端沉降差值。

七、面板及镶条的设计

现在通常在屋面板和攘条的设计时，采用攘条等间距布置,擦条对屋面板是等跨支座。例如，跨度以上的刚架多为双坡,每坡屋面板在以上。根据攘条布置,屋面板多按跨等跨连续梁设计,其结果是屋面板端跨比中跨的跨中弯矩大很多，按端跨跨中弯矩选用屋面板，则中跨屋面板不能充分发挥作用。对攘条的线荷载又以屋面板的第支座反力为依据，第支座反力是跨连续板中反力最大的支座,以此反力设计攘条, 此时只有屋面板第支座的擦条能充分发挥作用,中跨支座攘条承载力富裕很多,不能充分发挥作用。为此建议擦条采用不等跨布置擦条的布置在屋面板端跨处,间距减少而中跨处间距放大使屋面板的端跨弯矩和中间跨弯矩比较接近,或由于擦条不等跨布置使屋面板支座反力比较接近,这样能充分发挥屋面系统的材料性能,降低单位用钢量,从而降低造价。

一般工程的屋面系统用钢量占总用钢量的比例较大, 所以这样处理效果较好。擦条采用不等跨布置,相应的攘托布置不等距, 擦条拉杆长度也会不等，只要认真施工,是可以满足设计要求的。

参考文献：

1，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，北京中国计划出版社，2002

2，GB50017―2003《钢结构设计规范》

3，GB50009―2001《建筑结构荷载规范》