钢结构设计的探讨—以多层轻钢结构设计为例

摘?要：本文通过两个案例的分析，阐述了多层轻钢结构的发展和设计需求以及其在建筑业中应用的优势。为建筑业的发展提供参考。

关键词：多层轻钢；轻钢结构；结构设计

1?引言

我国建筑业的高速发展促进了许多新型轻型屋面材料得到开发，越来越多先进的建筑材料在建筑业中得到应用，也促进了轻钢结构在建筑业中的应用。轻钢结构是一种年轻而极具生命力的钢结构体系，轻钢结构以其抗震性、抗风性、耐久性、保温性、隔音性、健康性、舒适快捷及环保等优势广泛应用于一般工农业、商业、服务性建筑。

2?多层轻钢工业厂房体系和结构布置特点

2.1?结构体系

多层轻钢工业厂房因为高度低和层数少多为框架一支撑结构和纯钢架结构。根据实际情况选择结构体系，可以降低钢的用量，并且满足工艺要求。

2.1.1?纯框架结构

鉴于工艺设计中管线布置和机械设备摆放等限制，柱间不能设置支撑，故选择纯框架结构。纯框架结构由工字型梁和十字型柱（H型柱）或箱型柱构成。纯框架结构每个部分的刚度分布均匀，平面布置灵活，且延性较大，自振周期长，具有良好的抗震性，可以为工程提供足够的室内空间。

2.1.2?框架一支撑结构

框架一支撑结构与纯框架结构对比，具有简单的节点形式、用钢量少和侧移刚度大的特征。框架一支撑结构一般为X型，也有八字型、人字型和门型支撑，由工字型梁柱构成。横向承重体系是框架一支撑结构的主要承重体系，空间连系作用依靠楼板与次梁，柱和纵向联系梁铰接。设置支撑柱间的同时还应设置屋盖横向支撑，支撑设在第二开处或两端，构成几何不变体系，以便整体刚度的提高。在屋面可以选取柔性拉杆支撑结构，柱间则要应用刚性圆钢管作为支撑。横向纵向都需布置支撑的情况是在8度设防地区的情况下。

2.2?围护结构

在多层轻钢型厂房中，彩色涂层的压型钢板和夹芯金属板取代了传统多层厂房的砌体围护墙体。这种轻型围护结构具有保温隔热效果好、自重轻、容易安装和美观的外表的特点，采用轻型围护结构可以降低对基础的要求和大幅度减轻结构的自重。

屋面结构一般选取z型冷弯薄壁型或大断面的C型钢檩条体系，板跨与钢架间距决定檩条的尺寸，以1~2m的等间距在屋脊和檐口布置，增加房屋的纵向刚度，为主钢架平面提供外约束，纵向水平力得到传递。檩条高度一般为140~250m，有些则可以达到300m，厚度为1.5~3.0mm。当钢架间距大于9m时，则需要选择桁架式。Z型为连续檩条，C型为简支，钢架与檩条的连接可以采用檩托。

墙梁同样选取Z型或C型冷弯薄壁型钢，板跨（墙距）与钢架间距（跨度）决定墙梁的尺寸，以1~3m的间距在门窗洞口上下布置，增加房屋的纵向刚度，为主钢架平面提供外约束，纵向水平力得到传递。当间距大于9m时，则要考虑设置墙架柱以便降低墙梁钢架间距。

3?设计方法与基本要求

3.1?设计方法

在地震烈度大于6度的地区中，要考虑水平地震对结构布置均匀的多层轻钢厂房的作用，故一般用底部剪力法计算。多层厂房如果其结构布置对称则可以简化为平面框架模型进行计算，而复杂的结构则要建立空间框架模型再计算。

增大梁刚度的方法考虑楼板的组合作用是结构计算普遍采用的方法。对组合梁刚度评价有三种方法：平均刚度法，等价截面惯性矩法，Newmark方程法。平均刚度法是把正弯矩区组合截面的刚度K+与负弯矩区纯钢构件的截面刚度K一的平均值作为组合梁的等价截面刚度。一般选择平均刚度法作为实际工程中的评价方法。

4?具体工程实例

4.1?某工业厂房工程

4.1.1?工程背景

某工业厂房，主体四层，局部三层，宽度15m（6.5m+8.5m），柱距7m，全长63.5m，建筑面积3600m2。屋面采用BHP压型钢板保温屋面系统，首层窗台以下为240粘土砖墙，其余外墙面采用BHP压型钢板保温墙面系统，内墙为60ram厚，保温壁板。屋面支撑采用圆钢20mm柔性支撑，柱间采用Φ114x3.0圆管支撑。楼面活荷载为3.5kN/m2，恒荷载为4.0kN/m2；屋面活荷载0.5kN/m2，恒荷载0.5kN/m2：基本风压0.35kN/m2；设计地震烈度为7度，Ⅱ类场地。

4.1.2?计算方法

结构分析通过融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型软件包有限元分析软件ANSYS来完成计算，内力分析和结构自振周期的计算采用三维梁单元，四节点三维壳单元，质量单元，二力杆单元。组合楼盖的空间联系作用是空间计算模型要考虑的要素。

4.13?计算分析

此案例中采用横向的承重体系，其中梁柱均为等截面。在不改变梁截面形式，只改动钢架柱的情况下，采用框架一支撑体系和纯框架体系进行比较。框架一支撑结构同时建立空间和平面两种模型图，纯框架结构建立空间模型。

表1?框架一支撑体系的两种计算模型比较

横向主自振周期

（s） 风荷载作用下最大层间位移

（mm） 地震作用下最大层间位移

（mm）

平面模型 1.847 7.404 4.436

空间模型 1.153 6.951 8.655

从表1可以获知框架一支撑体系平面模型和空间模型主要结构刚度指标的数据，可以得出：

（1）框架一支撑可以减少结构横向自振周期，刚度得到增强，有重要的空间连系作用。

（2）平面模型低估了地震的作用力，在地震的作用下，结构的层间位移偏小为49%。

所以，当多层轻钢厂房在地震烈度大于等于7度时的地区时，应该通过建立空间模型进行计算。

表2给出两种体系空间模型的主要计算结果。可以看出：

（1）在支撑作用下，框架一支撑在纵向有较大的刚度；

（2）纯框架结构与框架一支撑体系对比，在工字型柱横向具有较大惯性矩的情况下，框架一支撑体系的刚度大，自振周期小，侧向位移小。