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轻钢结构绿色建筑设计特点全面解析

  自进入20世纪90年代以来,我国钢结构建筑的发展十分迅速,特别是一些代表城市标志性高层建筑的建成,为钢结构在我国的发展揭开了新的一页。如世界第三高的上海88层、高420m的金茂大厦业已竣工,现已投入运营。据称世界第一高度的上海浦东环球金融中心,95层高460m,建筑面积为31万m2,现正在加紧建设中。由外商投资的大连总统大厦,正在加紧筹建之中,共95层,据称建成后其高度将名列世界前茅。

  轻钢结构的发展则更是如火如?#20445;?#29305;别在工业厂房的建设中则更为?#35813;汀?#20174;钢结构制造加施工企业数量的大幅增长就可窥见一斑,如上海市的钢结构制造和施工单位已由原来的几十家一下子发展到现在的400多家,单上海的宝钢地区就有近百家的钢结构制造厂。大好?#38382;?#19979;,如?#25105;?#21183;利导,抓好设计和施工质量,这是当前一个十分迫切的问题。本文拟就轻钢结构的优点、材料选择和设计中的注意点、塑性设计?#26696;?#26495;屈曲后强度的利用和蒙皮效应等作一概略介绍,利于读者对轻钢结构有一个比较全面的了解。

  轻钢结构行?#23548;?#20854;适用范围

  所谓轻钢结构通常是指?#19978;?#21015;钢材所构成的结构:①冷弯薄壁型钢结构;②热轧轻型钢结构;③焊接或高频焊接轻型钢结构;④轻型钢管结构;⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。

  一.适用范围

  根据我国目前情况来看,这种结构由于其用度广、优势明显,已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以?#26696;?#23618;建筑中的非承重构件等。对单层工业厂房而言,通常以H型钢,采用焊接连接作为梁柱,以C形或Z形轻钢板作檩条,屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层,上面可浇混凝土,压型钢板既可作为钢筋,必要时也可以再配钢筋。墙面围护也可采用单层或夹层压型钢板,夹层板内部可充填各种保温层。

  二.主要优点

  ⑴施工周期短:轻钢结构的******优点是所有构件均可以由工厂制作现场拼接安装,对一般规模较小的工业厂房仅需45d至2个月,而若采用钢筋混凝土建筑则要8~12个月左右。

  ⑵综合经济效益好:由于施工周期短,可以提前投入使用,提前获取投?#24066;?#30410;;更由于采用色彩鲜艳的彩色压型钢板,美观华丽,改善了周边环境的动态感;因为建筑物本身的自重轻,一般情况下不需要做桩基,可以节省投资;由于采用?#21496;?#33519;已烯泡沫夹心板或单板加保温棉等措施后,使保温、隔热和隔章等效果良好。彩色钢板是以镀锌为基板又用硅酮作为表面,经两除两烘加工而成,耐久性也较好,根据目前我国的市场价格,轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构,当厂房的跨度越大?#20445;?#20854;优?#32856;?#20026;明显,这?#24425;?#23427;赖以竞争的一大优势。

  ?#24378;?#38663;性能好:由于钢结构属于柔性结构、自重轻,因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度,极有利于抗震。我国是一个多地震区国家,在地震区建筑中应多多推广应用钢结构,必可大大减少地震灾害和人员伤亡。唐山地震的惨痛教训应予记起。目前,天津市已正式启动轻钢结构住宅。

  ⑷宜于拆卸搬迁:一旦业主?#36816;?#36896;厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化,则整个建筑可在很短时间内拆迁,损失极小,而所有这些是钢筋混凝土建筑所无法具备的。

  正是由于轻钢结构的诸多优点,而?#23452;?#30528;近年来防火、防腐新产品的不断出现,已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点,使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。

  钢结构一般分为普通钢结构和轻钢结构,它们之间并无明显的界限。其计算规则都是一样的。所谓轻钢结构,一般是结构荷载较小,结构杆件也较小,构件壁厚较薄的一类结构,一般采用门式钢架、屋架和网架为主要承重结构。正因为轻钢结构上作用的荷载较小,所以,使得结构效应产生的内力一般较小,这就使得结构的强度往往不成问题,而由于构件断面较小,截面惯性距较小,使得结构的刚度也随着减小,结构的整体和局部稳定成为在设计中必须引起重视的主要问题。这就是轻钢结构自己的特点。了解了这个特点,我们就可以采取相应的措施,比如可以采用增加支撑和拉条,以满足杆件的长细比要求,增设加劲肋以满足构件的局部稳定等。

  A.门式刚架结构的特点

  下面讲一下我们常见的门式刚架结构。门式刚架轻型房屋,其结构一般由主骨架和支撑系统构成,主骨架包括:1)主受力构件-门式刚架;2)墙架;3)檩条等;支撑系统包括:1)刚架柱之间的垂直支承;2)刚架梁之间的水平支撑;3)?#25307;?#31995;杆、拉条;4)隅撑等。

  从以上的构成可以看出,支撑系统占有很大的比例,这?#24425;?#36731;钢结构的特点。

  门式刚架房屋上作用的荷载一般有:竖向荷载(结构自重,雪荷载,积灰荷载,)和水平荷载(风荷载,吊车刹车力),还有地震荷载(水平和竖向)。由于轻钢结构自重较轻,所以对地震的?#20174;?#20063;较轻,这一点对抗震非常有利。

  B.?#21368;?#32467;构是否适合用轻钢结构

  是否为轻钢,可以根据结构承受荷载的大小,以及结构类型来定的。1、楼、屋面结构体系:如果是钢筋混凝土楼、屋面板,荷载较大就不能用轻钢结构;2、吊车荷载:如果有较大吨位的吊车就不符合轻钢结构的要求;3、结构体系:要是建筑物为多层,或是比较高的单层结构也不宜?#36766;?#38050;设计。

  C.《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002的适用范围

  适用于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?#38477;?#36710;或仅有起重量不大于20t的中、轻级工作制桥?#38477;?#36710;或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构。

  D.门式刚架各构件的作用

  门式刚架,建筑物上的各种荷载主要由它承担并将其传给基础,刚架与基础的连接有刚接和铰接两?#20013;问劍?#19968;般宜采用铰接,当水平荷载较大,房屋高度较高或刚度要求较高?#20445;?#20063;可采用刚接。刚架柱与斜梁为刚接。刚架的特点是平面内刚度较大而平面外刚度很小,这就决定了它在水平荷载作用?#20445;?#21487;承担平行与刚架平面的荷载,而对于垂?#22791;?#26550;平面的荷载却无能为力。

  墙架,主要承担墙体自重和作用于墙上的水平荷载(风荷载),并将其间接传给主体结构。

  檩条,承担屋面荷载,并将其传给刚架。檩条还通过螺栓与每榀刚架连接起来,与墙架梁一起与刚架形成空间结构。

  由于檩条和墙架梁之间都是由螺栓连接的,连接点近似于铰接,又由于檩条和墙架梁的长细比都较大,在平行于房屋纵向荷载的作用下,其传力刚度有限,所以有必要在屋面的各刚架之间设置?#27426;?#25968;量的?#25307;?#31995;杆。我们刚才说了,刚架平面外的刚度很小,这样,我们必须设置刚架柱之间的柱间支撑和刚架梁之间的水平支撑,使其形成具有足够刚度的结构;由于檩条和墙架的平面外刚度小,所以,有必要设置拉条(增加支撑),以减小在这个?#36739;?#30340;长细比;对于刚架斜?#28023;?#19968;般是上翼缘受压,下翼缘受拉,上弦由于檩条相连,一般不会出现失稳,但当屋面风荷载吸力作用时斜?#21512;?#32764;缘有可能变号受压从而失稳,因此,设置隅撑就十分必要了。

  另外门式刚架与基础是通过地脚螺栓连接的,当水平荷载作用形成的剪力较大时螺栓就要承担这些剪力,我们一般不希望螺栓来承担这部分剪力,在设计时我们也没考虑它的作用,而是设置刚架柱脚与基础之间的剪力键来承担这部分剪力。

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