42高立明-浅谈当前轻钢结构设计与施工.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 浅谈当前轻钢结构设计与施工 高立明 （北京市顺义建筑工程公司，北京101300） 提 要 本论文论述了当前轻钢结构在设计和施工阶段存在的一些常见的设计和施工误区。进而论述了轻钢结构在国内市场的应用和前景分析。 关健词 轻钢结构设计，施工安装； 目前，制约我国结构发展和推广应用的最大问题是设计力量薄弱。这里不仅是结构设计工程师对钢结构设计不熟悉，国内建筑师对于钢结构也缺乏应用的了解。这样，在方案的初设计阶段往往便把钢结构排除在外，习惯性地选择自己所熟悉的砖混或混凝土结构思路上，这样便失去了通过结构方案的变化寻求创新的可能。另外，在采用钢结构的设计中，常存在节点构造粗糙、与砖混结构部分衔接不好、外立面交接处理生硬等问题。 随着国内外的钢结构新技术、新产品不断地被引出和应用，人们对钢结构旧的观念逐渐转化，目前经济发达地区新建工业厂房已基本采用钢结构取代钢筋混凝土结构，成熟的钢结构建筑作品不断出现，会增强投资者和建设者的信心，把钢结构作为一种认真考虑的选择，大胆地进行尝试。钢结构的市场需求将越来越大，轻钢结构住宅体系产业化极具潜力，在使用功能、设计、施工以及综合经济方面具有优势，是今后推广应用钢结构的一个重要领域。 钢结构建筑是建筑领域中较先进的建筑技术，代表着先进的生产力。因此应坚定不移地加以提倡和推广。 1 轻型钢结构的概念 轻钢结构是指这样一种结构围护结构自重轻，承重结构截面小，标准化、自动化、机械化快速制作安装，采用新结构钢材、新结构体系。它分为一般轻型和超轻型钢结构。一般轻型钢结构主要采用薄钢板焊接截面或冷变薄壁型钢构件，典型的结构体系为门式刚架，也可采用轧制型钢板截面。超轻型钢结构主要采用压型钢板，冷弯薄壁构件和圆钢为承重构构件，典型的结构体系是褶皱拱桥屋面。 _______________________________ 高立明，男，1971.9出生，工学学士，工程师 2 当前轻钢结构设计和施工存在的一些问题 随着门式刚架轻型房屋钢结构技术规程公布以来，这几年，这类轻钢结构工程得到快速发展，规程起了很大推动作用，但也陆续听到一些令人不安的情况。近年来冬雨水较大，降雪较多，有些地方雪特别大，结构压坏恐怕很难避免，但有的地方雪不大房子也有垮的，漏水的更多，有些厂房是设计选材存在缺陷而导致屋顶漏水解决不了，不是雨水，是冷凝水。另外，也看到一些工程，有的框架梁太细，令人担心，遇到大风大雪很可能出问题。有的骨架立起来稳定性不够，没有支撑，说装上墙板就好了，好像有了墙板就可以不要支撑。现在排架多起来，用钢筋混凝土柱、轻钢屋架梁，造价较低，但有的严重不合规定。现在是市场驱动，有些企业搞承包能省就省，尽量压低造价，管它是否符合规定，有的连规定也不清楚。结合了解到的一些情况，就轻钢结构房屋设计施工中的问题，作一个总结，抛砖引玉，在以后设计和施工过程尽量做到有章可循。 3 轻钢结构在设计阶段须注意的一些问题 3.1 轻钢结构屋面活荷载取值框架荷载取0.3kN/m2已经沿用多年，但有些设计为了过于追求降低工程造价，有克扣荷载的做法。这是危险的做法，应特别注意，决不允许在有限的活荷载中“挖潜力”。屋面结构，包括屋面板和檩条，其活荷载要提高到0.5kN/m2。钢结构设计规范规定不上人屋面的活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2的可乘折减系数0.6。轻钢结构刚架一般符合此条件，所以可用0.3kN/m2，与钢结构设计规范保持一致。国外这类，要考虑0.15-0.5N/m2的附加荷载，而我们无此规定，遇到超载情况，就要出安全问题。现在有的框架梁太细，檩条太小，明显有克扣荷载情况。 3.2 屋脊垂度要控制框架斜梁的竖向挠度限值一般情况规定为1/180，除验算坡面斜梁挠度外，是否要验算跨中下垂度过去不明确，现在了解到，美国是计算的。他们作框架分析，一般是将构件分段，用等截面程序计算，每段都要计算水平和竖向位移，不能大于允许值，等于要验算跨中垂度。跨中垂度反映屋面竖向刚度，刚度太小竖向变形就大。有的结构坡度本来就小，脊点下垂后引起屋面漏水，是漏水的原因之一。有的工程由于屋面竖向刚度过小，第一榀刚架与山墙间的屋面出现斜坡，使屋面变形。现在新规程做个规定，刚架侧移后，当山尖下垂对坡度影响较大时（例如使坡度小于1/20），要验算山尖垂度，以便对屋面刚度进行控制。而这些问题往往被设计所忽视。 3.3 钢柱换混凝土柱少数单位设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接。多高层建筑中，钢梁与墙的连接也是如此。因为混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很差，在外力作用下很容易松动和破坏。还有的单位，在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。应当指出，砼柱加钢梁作成排架是可以的，但将刚架的钢柱换成砼柱，而钢梁不变，是不行的。由于连接不同，构件内力也不同，目前有的工程斜梁很细，可能与此有关。建筑结构是一门科学，如果不按科学办事，是要吃苦头的。国家现在执行建筑法，实行强制性条款，违反其中一项，出了工程事故，是要面临严重后果的。 3.4 檩条计算不安全。檩条计算问题较大。檩条要是冷弯薄壁构件，受压板件或压弯板件的宽厚比大，在受力时要屈曲，强度计算应采用有效宽度，对原有截面要减弱，不能象热轧型钢那样全截面有效。有效宽度理论是在冷弯薄壁型钢构件技术规程中讲的，有的设计人员恐怕还不了解，甚至有些设计软件也未考虑。但是，设计光靠软件不行，还要能判断。软件未考虑的，自己要考虑。再有，设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略钉孔减弱。这种减弱，一般达到6-15，对小截面窄翼缘的梁影响较大。刚架整体分析采用的是全截面，如果强度计算不用净截面，实际应力将高于计算值。规程3.1.7条规定“结构构件的受拉强度应按净截面计算，受压强度应按有效截面计算，稳定性应按有效截面计算，变形和各种稳定系数均可按毛截面计算”。曾有人问，这条规定是什么意思这是钢结构的基本概念问题。有的单位看到国外资料中檩条很薄，也想用薄的。国外檩条普遍采用高强度低合金钢，但我国低合金钢Q345的冲压性能不行，只有用Q235的。国外是按有效截面计算承载力的。如果用Q235的，又想用得薄，计算时还不考虑有效截面，荷载稍大时檩条就要垮。认为檩条只是围护结构放松标准，这在目前设计是一个错误的想法。 4 轻钢结构在施工阶段须注意的一些问题 4.1 柱子有的刚架在大风时柱子被拔起，这是实际中常出现的事故。主要原因不是刚架计算失误，而且设计柱间支撑时，未考虑支撑传给柱脚的拉力。尤其是房屋纵向尺度较小时，只设置少量柱间支撑来抵抗纵向风荷载，支撑传给柱脚的拉力很大，而柱脚又没有采取可靠的抗拔措施，很可能将柱子拔起，因此，在风荷载较大的地区刚架柱受拉时，在柱脚应考虑抗拔构造，例如锚栓端部设锚板等。 4.2 没有柱间支撑这种情况最近较多，需要大声疾呼，这样不行。蒙皮作用虽然各国都在研究，但没有任何一本规范允许不设支撑。蒙皮作用的影响因素太多，并非在任何情况多能发挥作用。特别是柱间支撑，受力较大，绝不能省略。蒙皮作用最多只能视为一种刚度储备。 4.3 端板合不上，端板连接是结构的重要部位。由于加工要求不严格，腹板与端板间夹角又小，有的工程两块端板完全对不上，合不起来。强行用螺栓拉在一起，仍留下很宽缝隙，严重影响工程质量。这是验收规范严禁的。 4.4锚栓不铅直，框架柱柱脚底板水平度差，锚栓不铅直，柱子安装后不在一条直线上，东倒西歪，使房屋外观很难看，这种情况不少。锚栓安装应坚持先将底板用下部调整螺栓调平，再用用无收缩砂浆二次灌浆填实，最近在上海讨论轻钢施工验收规程，不少专家强调了这种方法。 4.5 保温材料吸水超重，有些房屋雪不大就垮了，究其原因，是屋面防水施工太差，雪融化后水逐渐渗入，为保温材料所吸收。今年冬季落雪次数多，延续时间较长。屋面的设计荷载很小时，当吸水量达至一定程度，超过了结构的承载能力，就要倒塌。 4.6 保温材料胡乱安装，保温材料一般采用玻璃棉，其厚度根据热功计算确定。正规做法是采用背面带铝箔隔汽层的玻璃棉，有的不用铝箔，用牛皮纸，不清楚牛皮纸是否可作隔汽层，如果可以，也比不用任何隔汽层好。防止冷凝水向室内滴水，是房屋的使用要求之一。有人以为铝箔只是为了美观，或承受拉力，实际上它的主要作用是作隔汽层。承受悬挂时的拉力还可以用玻璃纤维布或钢丝网。现在看到有些工程，玻璃棉不用任何隔汽层。另外，当采用内层钢板吊顶时，不是将保温卷材压在檩条上，而是为了施工方便，将保温材料剪断，放在檩条之间的吊顶上，形成冷桥。某工程在这样处理的同时，又将吊顶钢板搭接方向弄反。加之，冬季混凝土地坪施工作业时，将周边门窗关闭，由于室内外温差大，大量水汽在屋顶凝集，由吊顶钢板搭接处流下，形成了“外面不下里面下”的状况，使工程不能交工。经验告诉我们，当保温卷材有隔汽层并保持接缝处密封时，卷材是干燥的，无隔汽层时卷材是湿的。在水份的长期浸泡下，随着时间的推移，保温棉将被逐渐压实，最终失去应有的保温作用，因此安装方法是否对头，关系很大。 5 结束语 相对于其它形式而言，钢结构建筑可以极大程度地超越结构的束缚，创造多种形式的空间和形象，产生轻盈、灵巧、通透的效果。另外，斜线、曲线的钢结构建筑中作为一种常见的造型手段创造出许多新奇、优美的建筑形象。其强大的造型潜力是砖混结构形式建筑所难以企及的。 钢结构建筑形象取决于结构形式与构造节点等的精细加工工艺，这有赖于建筑师、结构工程师和机械工程设计师的统一协作，有机结合。另外，钢结构建筑往往暴露设备，这些暴露的设备会成为建筑内部、外部形象的组成部分，且设备管线与主体结构及墙体穿插交执着处都需要对其构造进行精细设计，这便要求建筑师同设备工程师密切协作。唯如此，钢结构建筑才能达到较高水准。福斯特曾提出“设计开发“的概念，有丰富的含义，它包含了建筑师的独特要求，专业工厂对构件特定的工艺性加工，各专业的协同配合，对建筑全方位的开发设计。现代工业文明和物质成果在这里得到充分地应用，建筑学的内涵大大丰富了。这即是对传统建筑的观念变革，又是传统建筑学精髓的延续，正是靠着这种精神，世界建筑才得以如今天这样绚丽多彩。 总体上讲，轻钢建筑技术先进，综合经济效益优良，市场拓展前景看好，在国内属于朝阳产业，相信随着我国经济的发展，轻钢结构建筑必将在我国工厂、住宅、桥梁、体育场馆等等方面获得更大范围的应用和发展。 参 考 文 献 [1] 汪正容建筑分项施工标准手册.中国建筑工业出版社.2002.1 [2] 中国钢结构协会建筑钢结构施工手册 [3] 王元清等现代轻钢结构建筑及其在我国的应用.建筑结构学报.