輕鋼結構設計的幾點問題

王璞

【摘要】目前輕鋼結構在我國已經廣泛使用，并且已經積累了一定的結構設計經驗，這讓我國結構型式具有更大的選擇性與創新性。本文從建筑結構的角度出發，針對輕鋼結構的基本理論，對輕型門式鋼架結構設計過程中遇到的幾點問題進行探討與思考，對于輕鋼結構更好地設計及創新，具有一定的借鑒價值。

【關鍵詞】輕鋼結構；設計問題；探討

一、輕鋼結構設計概述

輕鋼結構是一種新型的鋼結構，具有更大的應用靈活性與廣泛性。具體而言，輕鋼結構是指在傳統普鋼結構的基礎上，通過對普通鋼結構的深入研究，對其結構在實際應用中所存在的一些弊端與缺陷，通過相應的技術措施加以改造與創新，從而讓這種鋼結構的自重更輕，性能更加優越。

在我國鋼結構行業發展過程中，輕鋼結構在早期就已經有了界定，主要表現為以圓鋼、小角鋼等制造的鋼結構，但從現代工業發展的觀念來看，輕鋼結構早已不再局限于簡單的幾類，而是又研發了更多的輕鋼結構型式。輕鋼結構制造采用的鋼材也是從傳統的型材中得到的，但它與普鋼結構具有很大的差異。輕鋼結構采用的主要有熱軋H型鋼、薄壁型鋼及T型鋼等。不僅如此，輕鋼結構設計本身的理論與普鋼也是不同的。下面以《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》和《鋼結構設計規范》為例，對輕鋼結構與普鋼結構的差異性進行簡單闡述。

首先輕鋼結構與普鋼結構設計在荷載取值方面具有一定的差異性，重點表現在對風荷載與屋面荷載的考慮方面；其次在結構設計分析方法上存在差異性，這個差異性主要體現在鋼結構計算長度確定與結構局部穩定性方面；最后輕鋼結構設計與普鋼結構相比，其限制條件存在很大的不同，這方面主要體現在結構變形以及長細比計算方面。我國在《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中對輕鋼結構具有明確的規定，超過此規定的鋼結構則不再屬于輕鋼結構，輕鋼結構在設計過程中需要按照相應的技術規程進行工作開展，這樣才能確保設計的合理性。

二、輕鋼結構設計的幾點問題

1.活荷載取值

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》規定“對受荷水平投影面積大于6m2的鋼架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取不小于0.3KN/㎡?！睂κ芎伤酵队懊娣e大于60m2的鋼架構件，現在常用的設計方法是，屋面活荷載計算，計算鋼架時一般取0.3KN/ m2，計算檁條時一般取0.5KN/m2。與美國規范相比，作為安全儲備的活荷載取值為0.3～0.5KN/㎡，為美國規范0.6～1.0KN/m2的1/2左右。

隨著全球氣候異常性的出現，像大雪及大風等惡劣天氣，這種情況下會使得輕鋼結構存在不安全因素，再加上門式鋼架本身截面小、重量輕，假如活荷載取值不合理，則很容易給輕鋼結構帶來更大的安全隱患。因此輕鋼結構活荷載取值的大小，應依據項目的實際情況而定，并且需要綜合考慮各種因素。合理的活荷載取值才能進一步確保輕鋼結構的穩定性。通常來看，如輕鋼結構施工所在地區冬季幾乎無雪，建筑功能變化可能性很小，像一些民用建筑及倉庫等，則活荷載可取0.3KN/m2；相反如地區性冬季下雪很頻繁，建筑物結構內需要進行吊裝，并且以后功能發生改變的可能性較大，像一些廠房，對于這種活荷載在實際中增加的可能性很大，因此在進行活荷載取值的時候，其數值不宜小于0.5KN/m2。

在實際中還存在著一些其它情況，像雪荷載大于活荷載的情況下，則在進行輕鋼結構設計活荷載取值時則不能單純地按照過程直接取值，而應將雪荷載與恒荷載或其他可變荷載進行組合后并與系數1.25進行相乘，這樣計算取值的目的主要是考慮到屋面積雪的不均勻性；假如在實際中還存在公用專業管線置于鋼架上，在進行設計時還應將懸掛荷載一起考慮到具體的設計過程中去，因此公用專業荷載的大小及位置應盡可能準確。在實際中主鋼架計算時如無法準確提供有關荷載的狀況下，則按照活荷載+不小于0.4KN/m2的懸掛荷載進行計算取值為宜。

2.風荷載體型系數取值

對于風荷載體型系數取值的問題，可以參照的規范存在有兩類，一類是《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》，另一類是《建筑結構荷載規范》，這兩種規范在實際中具有不同的適用性。門式鋼架技術規程中設計到的風荷載體型系數主要適合范圍為低矮的房屋建筑，其主要特征是梁上的風荷載敏感性較大，這個方面主要是從美國金屬房屋制造的《低層房屋體系手冊》中借鑒的。而結構荷載規范中涉及的風荷載體型系數則是對于高而窄的建筑結構而言的，這種體型中柱的風荷載敏感性較大。具體而言在實際的輕鋼結構設計中按照哪種規范進行相關體型系數的選取，則需要依據實際情況而定。（1）當跨高比L/H不大于4時，門式鋼架結構的計算應按《建筑結構荷載規范》選用。（2）當跨高比L/H不大于4時，門式鋼架結構的計算應按《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》附錄A選取選用。

3.輕鋼門式剛架的柱腳設計

柱腳按其與基礎的連接方式不同，分為鉸接和剛接兩種。前者主要承受軸力，后者用于承受軸力和彎矩。如柱腳采用鉸接，柱頂位移、應力較大，為控制柱頂位移和應力要增大梁柱斷面，增加用鋼量，如果柱腳設計成剛接截面，柱子的計算長度系數是鉸接情況下的0.8倍左右，柱頂位移和柱子應力小很多。在我們弄清楚此條規范編制的原因和力學原理后，筆者認為柱腳設計成鉸接還是剛接，不光看有無吊車還要看房屋的高度和風荷載的大小，如果房屋的高度較大而風荷載也較大，就是無吊車，也應設計成鋼接。

柱腳的作用是把柱下端固定并將柱內力傳給基礎。由于混凝土的強度遠比鋼材低，所以，必須把柱腳底板放大，以增加與基礎的接觸面積。鋼柱腳底板距基礎邊緣最小距離我國規范上沒有相關規定。但在設計中應根據荷載大小進行相應的放大，防止基礎柱腳的破壞。

三、結束語

輕鋼結構設計考慮的因素較多，其設計理念與普鋼設計相比要更具創新性與嚴格性，因此對于輕鋼結構設計應給予重視，綜合考慮不斷完善優化設計。

參考文獻

[1]門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程 CECS 102：2002.北京：中國計劃出版社，2003.

[2]鋼結構設計規范 GB 50017-2003.北京：中國計劃出版社，2003.