轻型房屋钢结构体系及特点

一、门式刚架钢结构体系
　　我国于1999年颁布实施了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102：98)，这为门式刚架结构在我国的普及推广奠定了坚实的技术基础，使其成为近几年发展快的一种新型轻钢结构。门式刚架轻型房屋钢结构体系采用门式刚架作为主承重结构，压型钢板为围护结构，设计上一方面允许腹板局部失稳，并利用腹板的屈曲后强度，另一方面通过改变腹板的高度将刚架的梁柱做成变截面形式，以适应结构弯矩内力的分布规律，因此可较同等条件下的普钢结构节约钢材10%~20%。目前在我   式刚架结构的设计、制作、安装技术已趋成熟，每年新增建筑面积近2000000㎡，应用范围包括各类轻型工业厂房，体育场馆、娱乐场所等公共建筑，仓库及储运设施，超市、零售和商业服务等。
　　在我   式刚架结构设计的主要依据有《钢结构设计规范》(GBJ17-88)，《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GBJ18-87)和们式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102：98)等。典型的门式刚架结构体系由基础，主刚架，墙梁，檩条，屋面板，墙面板，抗风柱，屋面支撑，柱间支撑等组成。具体结构型式可以是单脊、多脊，单跨、多跨、高低跨，或单坡、双坡，陡坡、缓坡、平坡、曲面屋面，跨内也可设单个或多个摇摆柱。刚架构件多采用焊接工形实腹截面，板厚一般在16mm以下，腹板高厚比较大，允许腹板局部失稳并按截面特性验算构件的强度和稳定性，变截面构件多通过改变腹板高度来实现截面变化。空腹或格构梁柱构件在工程中也有应用。刚架的梁柱节点和斜梁的现场拼接节点常采用螺栓端板连接，可以是外伸式或平齐式，考虑到平齐式端板连接刚度较小，鉴于半刚性连接在我国还没有合适的计算方法，建议采用外伸式端板连接，而且应有足够的端板厚度(20mm以上)，以节点的刚度。檩条或墙梁采用C或Z形冷弯薄壁型钢镀锌檩条或黑檩条，檩(梁)距1.5~2.5m，多采用普通螺栓与主刚架连接，可采用简支或连续体系，檩条(墙梁)端部可加隅撑，既可提高檩条墙梁)的承载力，也可加强横梁立柱)的侧向稳定性。在风荷载较大地区，要进行檩条及墙梁在风吸力作用下的稳定性分析。支撑的布置原则与普钢厂房屋架)类似，屋面和柱间支撑常采用由张紧的圆钢组成的柔性支承，有吊车厂房的下柱支撑则需设计成刚性支承。屋面板、墙板可采用单层或双层夹芯板、复合板或加保温层的单层板，并通过自攻螺钉或扣件与檩条及墙梁相连。
　　门式刚架属于平面受力体系，非常适宜于跨度在18~36m之间、柱距7~9m、平面尺寸狭长的建筑，这使其成为大规模现代化工业厂房结构形式。目前这种结构在我国的实际工程中大跨度已达72m，厂房单体大建筑面积超过了7.5万㎡。
　　二、多层房屋钢结构体系
　　多层房屋钢结构体系具有比钢筋混凝土结构施工劳动强度低、施工的优越性，因此在一些发达，二至八层公共或居住建筑主要采用轻型钢框架结构。框架梁、柱主要采用热轧或焊接H型钢或方、圆钢管，整个结构的用钢量在40~50kg/㎡之间，在很多情况下具有比混凝土结构   的经济指标。多层房屋钢结构主要应用有住宅，多层工业厂房，学校、医院、办公、娱乐等公共建筑，超市、零售、百货等商业建筑，以及旧建筑加层、改扩建工程等。
　　目前我国除正在编制中的《轻型房屋钢结构设计规程》外，尚无这类结构的技术规程。现阶段的设计依据仍为《钢结构设计规范》、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》。典型的多层房屋钢结构体系由基础，框架梁柱，墙梁，檩条，屋面板，墙面板，屋面支撑，柱间支撑，楼层次梁，压型钢板楼盖等组成。承重结构一般柱距在6~12m之间，既可按平面框架也可按空间框架设计，   时布置柱间支撑来整体稳定性、减小侧向位移。楼层采用主次梁体系及压型钢板组合楼盖或预制板加现浇板叠合楼盖。主梁和柱间刚接或铰接，主次梁间宜铰接。采用蜂窝梁既能提高截面利用率也为设备管道提供通过空间，关于蜂窝梁的设计和计算，国内尚无明确规定，但有试验研究资料可供设计参考。楼板与钢梁间通过抗剪栓钉连接，可提高梁的刚度和承载力。当楼层梁按组合梁设计时，栓钉等抗剪件的数量和大小应按受力要求布置，如不考虑组合作用，可按构造要求布置栓钉等抗剪件。新型压型钢板密肋组合楼盖支承在梁的加宽下翼缘(Slimdek)上，梁肋之间可布置设备管道，梁板总体结构高度仅300mm，但需要解决梁的抗扭设计问题。不上人屋面可采用檩条和压型钢板。内墙为轻质隔断，外墙采用压型钢板或其它轻质墙体结构。柱间支撑、墙面支撑和屋面支撑传递各类纵向荷载作用，应按抗风、和构造要求设计。
　　目前国内的一些多层厂房及超市开始采用上述结构。而多层住宅钢结构体系的必将为多层轻型房屋钢结构的应用提供巨大的潜在市场。
　　三、冷弯薄壁型钢结构体系
　　冷弯薄壁型钢主要由0.5~3.5mm厚普通钢板或镀锌钢板经冷压或冷弯而成，基本形状为C形、Z形和方管(矩形)，并可形成各种折皱和卷边、拼成I形或T形，以提高截面刚度和承载力。冷弯薄壁型钢过去多用做屋面、隔断和围护结构的单体构件，如檩条、墙梁、山墙架，钢屋架、析架等，只有少量作为结构构件在中、小跨度门式刚架(无吊车)、货架中。而今在很多和地区采用冷弯薄壁型钢作为承重骨架的结构被越来越多地用到单、多层住宅，别墅建筑中，形成了冷弯薄壁型钢新型结构体系。
　　冷弯薄壁型钢结构体系的框(刚)架梁、柱一般采用双C或四C槽钢组成的I及T形截面。承重骨架为平面框架，需布置柱间支撑整体稳定性。楼层采用主次梁体系及组合楼盖。不上人屋面则采用檩条和压型钢板。内墙为轻质隔断墙，外墙则用轻质保温板。由于冷弯薄壁型钢结构体系构件较小，构件之间全部采用螺栓连接，且施工现场多为干作业，以此其具有安装简便，搬运重量少、仅需小型起重设备、施工等优势，在低层住宅方面具有很大的发展潜力。香港已建成多栋全部采用高强镀锌冷弯薄壁型钢的四一六层住宅。英国生产的镀锌冷弯薄壁型钢别墅，在手工安装的条件下施工仅需一个星期，并通过了保温、隔声、温湿度、耗能等建筑物理性能的长期观测检验。冷弯薄壁型钢住宅建设研究已列入欧州   研究项目，并陆续了各种样品房，目前已进入批量化商业生产阶段。
　　冷弯薄壁型钢结构体系在我国的发展刚刚起步，其现阶段的设计依据主要为《冷弯薄壁型钢结构技术规范》。目前我国有关单位采用镀锌C型钢，建造了一批冷弯薄壁型钢结构样品房，并进行了各种荷载条件下的结构试验，对楼(屋)盖和墙板的振动与隔声、保温与结露等建筑物理性能进行了综合测试。
　　四、金属拱型波纹屋盖结构体系
　　金属拱型波纹屋盖结构是一种用彩色钢板现场滚压成型的屋盖结构体系。将成卷的彩色钢板压制圆弧拱型槽板，需经过两道成型工艺：步将钢板轧成U形或梯形波纹直槽板，步通过在直槽板下部轧出横向小波纹而将直槽板轧成拱型槽板。拱型槽板的曲率大小就是靠板上横向小波纹的深浅来调整的。若干这样的拱型槽板经过锁边连接并吊装就位后便形成整个屋盖结构。屋盖的保温功能靠内部喷覆的保温材料来实现。金属拱型波纹屋盖结构集承重与围护功能于一体，具有无梁无檩、板件之间锁边连接不需栓焊、   性能好、施工、用钢量省等优点，可广泛用于厂房、仓库、商场和机库、军营建设。
　　金属拱型波纹屋盖结构构件冷压成型需要专门的成型设备，90年代初我国通过从美国引进成型设备而引进了这种结构，目前国内已有多个厂家了拥有自主知识产权的成型机组，这种机构的施工单位也不到十年的时间内从无到有，发展到目前的100多家，国内每年新增这种结构的建筑面积近百万平方米。
　　目前，我国《金属拱型波纹屋盖结构技术规程》丑在编制过程中，在规程颁布实施前均没有这乖结构的统一设计方法。国内很多设计及施工单位对k种结构设计和施工中存在的问题认识不足，因此相乡工程事故时有发生。
　　从结构形式看，金属拱型波纹屋盖结构主要采用圆弧拱体系，有落地和非落地两种形式，且多为无窗封闭式屋盖。这种结构所要研究的主要问题是拱壳的整体稳定性和局部稳定性分析。由于这是一种薄壁拱壳结构，其内力分布状态和变形特征对缺陷极为敏感，工程实践表明，截面折皱虽然加强了局部稳定性，但对整体失稳影响很大，特别是受半跨雪载作用下的整体稳定问题   为突出。此外拱脚推力对下部结构也提出了   高的要求，拱形屋盖与下部结构的相互作用也对拱的稳定性有很大影响。总之，这种结构的设计和分析计算理论还有待进一步研究和完善。