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现代轻钢结构建筑及其在我国的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-02-26  来源:中国塔吊网  作者:[db:作者]  浏览次数:1012
核心提示:  钢结构体系、多层框架结构体系、薄壁折皱拱壳屋面体系。对于无吊车的工业和民用建筑,轻型钢结构的钢材用量一般为20-50kg/m2,主要取决于结构形式、跨度、柱距和活荷载的大小,预制装配式轻钢房屋建筑

  钢结构体系、多层框架结构体系、薄壁折皱拱壳屋面体系。对于无吊车的工业和民用建筑,轻型钢结构的钢材用量一般为20-50kg/m2,主要取决于结构形式、跨度、柱距和活荷载的大小,预制装配式轻钢房屋建筑体系诞生于本世纪初,主要用于车库,采用钢波纹板屋面和墙面,二十年代出现了定型化生产的厂房。二战期间轻钢房屋建筑迅速发展,多用于快速建设战地飞机库,战后重建对工业厂房的大量需求,进一步刺激了轻钢房屋的发展。四十年代出现门式刚架结构,六十年代开始大量应用彩色压型板、Z型条、保温墙板和屋面板。目前轻钢结构已成为发达国家的主要建筑结构型式,例如,英国新建的非居住类房屋建筑中,90%的单层和60%的多层房屋都采用轻钢结构。目前我国的钢产量己达1亿吨,普通碳素钢质量可靠,价格平稳,供应充足,镀锌及彩色钢板性能优良,在轻钢结构的设计、制作和安装方面已积累了成功的经验,各类焊接、冷成型、压型板等轻钢生产线上百条,已经制定了门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:98)和相应的设计手册。目前国内的一些多层厂房开始采用上述结构,而多层住宅体系的发展为多层轻型房屋钢结构应用提供了巨大潜在市场。采用组合梁可实现提高结构刚度,减小结构尺寸,增加建筑使用空间。腹板开洞梁可为设备管道提供通行空间,但在孔洞周围要设加劲肋,提高抗剪能力。楼屋盖次梁采用圆形或六边形蜂窝梁,在不增加用钢量的前提下可使梁高增加70%,组合桁架可使跨度进一步加大。

  多层轻型房屋钢结构设计的依据为钢结构设计规范(GB 17-88),中国工程建筑标准化协会组织编制的轻型房屋钢结构设计规程正在报批中,按空间刚架分析设计,无柱间支撑按有侧移框架设计,柱截面采用H形或箱形,梁为工形实腹梁,主梁和柱间刚接或铰接,主次梁间宜铰接;组合楼盖可采用压型钢板或预制板叠合楼盖。楼层梁宜按组合梁设计,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。

  采用蜂窝梁即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,但有国内外试验研究资料可供设计。柱间支撑、墙面支撑和屋面支撑传递吊车纵向力及应按抗风、抗震和构造要求设计。

  新型压型钢板密肋组合楼盖支承在梁的加宽下翼缘(Slimdek),梁肋之间可布置设备管道,梁板总体结构高度仅300mm,也改善了梁的防火性能,但需要解决梁的抗扭设计问题。

  2.3冷弯薄壁型钢结构体系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、桁架等,只有少量作为结构构件在中、小跨门式刚架(无吊车),单、多层住宅,别墅,货架、等建筑中推广应用。由于冷弯薄壁型钢结构体系多采用组合楼盖,轻质围护和隔断,现场施工干作业、全螺栓拼装,具有安装简便,搬运重量轻、仅需小型起重设备等优势,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四六层住宅,自重极轻、安装简便。英国生产的镀锌冷弯薄壁型钢别墅,完全手工安装,施工仅需一星期,并在牛津建成的三层住宅示范房中进行了保温、隔声、温湿度、耗能等建筑物理性能的长期观测,以证明它的优越性。冷弯薄壁型钢住宅建设研究己列入欧州的重点研究项目,并陆续开发了各类样品房,目前已进入批量化商业生产阶段。

  冷弯薄壁型构件主要由。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(矩)管型,并可形成各种折皱和卷边、拼成I形或T形提高截面刚度和承载力。框(刚)架梁和柱可采用双C或四C槽钢组成I、T形截面。承重结构为平面框架,布置柱间支撑保证整体稳定性,楼层采用主次梁体系,组合楼盖。不上人屋面采用条和压型钢板,内墙为轻质隔断,外墙采用轻质保温板。

  冷弯薄壁型钢结构的设计依据为冷弯薄壁型钢结构技术规范(GB18- 87)'按平面或空间框架结构分析,门式刚架多采用铰接柱脚,框架梁柱连接多为铰接或半刚接,次梁多为C型或Z型钢。

  冷弯薄壁型钢在轻钢住宅建筑中应用在国内外发展很快,主要采用镀锌C型钢,并进行了各种荷载条件下的结构试验,通过建造样品房,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。

  2.4薄壁钢板拱壳屋面结构体系大跨度金属折皱拱形屋面是90年代初从美国引进的一种新型建筑结构形式,是一种采用彩色钢板现场滚压成型的屋面结构体系,具有无梁、无柱、无铆钉螺栓,施工速度快,用钢量省,集承重与围护结构于一体的优势,广泛用于厂房、仓储、商业、农业和机库建设,最大跨度可超过40m. 3国内轻型钢结构发展存在的主要问题3.1设计方法轻型钢结构是近几年在国内才发展起来的新型结构形式,由于宣传力度不够,未得到广泛认同,工程应用多集中在东南沿海地区,且主要用于中小型工业建筑,公共建筑和商业建筑中应用较少,设计人员也没有充分认识到轻型钢结构的优越性。在设计轻型钢结构时,设计人员钢结构知识和概念陈旧,缺乏相关知识培训,对轻钢结构设计不熟悉,且受传统钢结构设计思想束缚,导致设计用钢量比国外同类结构高。此外我国对轻型钢结构的理论和试验研究尚不够深入,例如如何考虑结构的整体稳定、空间作用、蒙皮效应等,国外己有成熟的规范,国内尚无可靠的设计依据。一些工程的制作和安装技术还停留在手工操作阶段,从而制约了轻型钢结构的推广和应用。

  计算机辅助设计、计算机辅助绘图、计算机辅助制造技术还处于初级阶段,国内尚无公认的成熟专业化轻钢设计软件,国外已实现计算机三维建模分析、设计、绘图和辅助集成制造一体化,在节点设计、构件详图标准化,信息系统管理、工程量、造价自动计算,材料表生成等方面已全部计算机化。计算机成图自动化,减少了尺寸计算错误,设计与制作加工集成,实现无图纸下料加工,在制作和加工方面国内外有相当大的差距。

  3.2结构钢材国内的结构钢材仍以Q235为主,宽厚镀锌钢板短缺,大截面冷弯型钢市场供货较少;而国外主体结构钢材多采用高强钢,冷轧彩板、镀梓或镀铝锌钢板也采用高强钢材。

  轻钢结构的突出特征是主体和围护结构均采用薄钢板加工制作,结构的耐久性、防火和防腐是轻钢结构设计中必须考虑的关键技术问题。目前国内的通行做法是采用防锈漆,并且要定期重刷,结构的维护工作量相当大,而且对非外露的部位重新刷漆也很困难,国外现在主要采用镀铝锌钢板或不锈钢板解决轻钢的防锈问题,采用专利涂层墙板和屋面板以解决结露和积尘问题。

  3.3构造处理在构造处理方面也还存在着彩色压型钢板耐久性、钢结构防火和节点连接方面的问题。国外在公共建筑中大量采用钢结构,应用外露弧形构件、蜂窝梁和钢管结构来表现建筑艺术,大面积采用保温型玻璃围护结构加强建筑物的通透性和自然采光率,符合节能和环保原则。

  轻型钢结构由主、次结构,屋面、墙面维护结构等根据组合而成,在建筑构造处理、建筑配件选用等方面目前大多由各生产厂家自行处理,其工程质量往往难以保证。建筑构造处理问题,不仅牵扯建筑使用功能,而且如果处理不当,还会影响建筑物的结构安全,曾经发生过柱间支撑设置不当,而导致结构在台风中倒塌的事故,应尽快组织编制通用的轻型钢结构标准图集,以规范轻型钢结构的构造处理。

  3.4施工安装在加工、制作和安装方面,除个别新建生产线外,大多数生产线工艺落后、加工精度低,施工单位良莠不齐,半路出家,缺少必要专用设备和技术培训,安装工期和质量都难以保证,工程事故时有发生,也无法体现轻钢结构速度快的优势。欧洲国家已起动钢结构教育计划,面向高等教育和职业教育,组织了20多个国家的400多位钢结构专家进行编著,历时六载,目前己有40多个国家引进了这套教学资料。

  轻钢结构的设计、制作和安装是专业性很强的技术工作,对从业人员的教育程度、专业水平和操作技能要求相当高,并非普通工人经过简单培训就能胜任,需要经过多年的工程实践和经验积累才能胜任。我国的钢结构施工与验收规范不仅对制作和安装工艺及质量控制做出了明确规定,而且严格规定了对焊接人员的考核和资格认证的要求。从事轻钢结构设计、制作和安装的人员和单位必须具备国家技术监督部门和资质认证机构颁发的资质证明,才能保证工程质量,避免工程事故。

  减少轻钢结构设计、制作和安装的中间环节是提高工程质量,保证工期的重要措施,国外的轻钢公司为客户提供从工程可行性研究到项目后期维修的全方位服务。轻钢结构工程涉及的部门很多,一个项目的管理效率直接影响着工程的质量和效益。因此各部门间的信息交流、工艺配合和技术协调是保证项目质量的关键,应根据客户的要求提供轻钢结构的规划、设计、制作、安装和维修实行工程总承包一条龙服务,根据工程的实际情况合理配备人力和设备资源,合理调配资金投入和利益收入,实行项目统一管理,在保证质量和工期的前题下也可为公司带来最佳的经济效益。

  4国内轻型钢结构的研究和发展趋势4.1工程应用方面我国曾在70年代提倡过门式刚架钢结构,但受钢材限制和传统设计理论约束,并未得到推广。改革开放以后,深圳上海等地率先引进国外设计和制造的门式刚架轻型钢结构,发现其十分轻巧,比按我们传统的做法用钢量少的多得多,从而逐渐摈弃了钢结构贵的观念。

  由于历史的原因,我国钢结构大多应用于重型冶金厂房、大跨度桥梁和大跨度公共建筑,归口管理部门也由原冶金工业部负责。随着钢结构,特别是轻钢结构在民用建筑中的大量应用,作为主管的建设部也意识到必须规范建筑钢结构市场和发展民族建筑钢结构,1996成立在中国建筑金属结构协会下设立了建筑钢结构委员会,鼓励和推动钢结构的应用,组织制定了轻钢结构设计规程,2000年又成立了建设部与冶金局的钢材应用协调组,以指导、协调工程中钢结构及钢材的应用。

  我国钢产量己超过1亿吨,建筑钢材供应充足。国家在政策方面鼓励建筑行业积极采用钢结构,以促进建筑市场的健康发展,缓解钢材积压,为冶金工业提供产品市场。在国外建筑行业以成为钢材的主要消耗市场(20%30%)。

  近年来我国粮食和棉花大丰收,急需储藏空间,兴建钢结构仓库是一个有效途径。新建的高新技术生产企业,如现代化食品加工、轻纺、电子产品、制药和高科技农业项目,对生产和工作环境要求高,基本上都倾向于采用轻钢结构。另外港口和海关仓库,铁路沿线的货运仓库,也逐步采用了轻型钢结构。

  现在钢材供应充足,价格较低,轻钢结构已不再是造价比混凝土贵的结构型式。其用钢量一般在2050kg/m2,综合造价已和混凝土结构持平,且多数情况下还低于传统的钢筋混凝土结构,并具有施工快、建筑美观的竞争优势。

  越来越多的建设单位已开始认识到轻钢结构的优越性,逐渐成为工业建筑首选结构型式,在多层民用建筑也已得到了认同。

  4.2轻钢住宅体系研究轻钢住宅包括承重结构体系、施工和安装技术研究、新型围护结构体系研究、承重结构和围护结构的连接方法和相互作用研究。

  轻钢住宅体系研究的主要问题是合理楼盖和墙板体系研究应用。有效的连接方式应能体现干作业、施工速度快的优势,还要考虑外墙和屋面保温隔声,内部装修的方便与灵活等因素,需要开发新型墙体材料以及高效、节能环保的新型装配式楼盖体系。多层轻型钢结构住宅建筑中,最常用的为混凝土预制板与现浇楼盖相结合的组合楼盖结构体系,由于工业建筑一般无需精装修,外露压型钢板不妨碍使用功能要求,公共建筑可以通过吊顶和外包把压型钢板隐藏在内部,但是压型钢板作为住宅建筑的墙板和屋面板就不是一种合适的选择。

  在平面布置上要求提供大开间,便于住户灵活分割,如何提高整体刚度,在不影响使用的前提下合理布置支撑体系也是需要解决的问题。

  此外为推动我国轻钢住宅体系的发展,发展形成专业化的轻型钢结构工程大型企业,完善硬件与软件,建立品牌轻钢房屋体系,形成商品化和规模化,以占领市场。

  4.3设计方法和理论研究轻钢结构屋面和墙面围护结构在风力作用下的整体稳定性,己成为人们曰渐关注的技术难题。屋面板和条、墙板和墙梁相互作用分析,以及构件整体稳定性分析的实用设计方法、节点半刚性的理论与试验研究,也是需要进一步关注的课题。

  多层建筑采用何种结构体系以保证结构整体刚度和抗震性能,如何考虑空间整体作用,也是尚未完全解决的难题。

  4.4软件开发随着轻钢结构应用的日益广泛,计算机辅助设计技术发挥了越来越重要的作用,国内许多单位和设计部门都开发了专用和通用的钢结构设计软件。这些软件具有三维建模、结构静动力分析、非线性稳定分析、构件的优化设计、典型节点构造等功能,有些还可自动生成结构平立面图和构件施工图、零件大样和材料表等27.国外的软件公司也看好中国工程设计的潜在市场,大举推销各种汉化版的分析和设计软件,各种软件都配有型钢截面库、节点构造库,能与AutoCad自动连接对施工图进行修改。

  目前的发展趋势是使软件的适用性更强、应用范围更广,以便分析设计出更复杂的结构型式。焊接和热轧钢结构、冷弯薄壁钢结构、组合结构的混合应用对设计软件提出了更高的要求。现代化钢结构制作加工厂始采用计算机辅助集成制造技术,新的设计软件应实现设计和制作一体化,软件开发应从建筑结构设计领域扩展到工程的制作安装,开发人员不仅要熟悉钢结构的设计方法,也要精通制作安装的操作和运行,开发高效控制加工过程的软件。

  5结束语轻型钢结构在我国己进入了快速发展时期,已在工业建筑中得到了广泛的应用,轻钢住宅已成为轻型钢结构应用的新领域和增长点,但与国外的发展水平相比,无论是在建筑、结构设计,还是在制作安装技术方面,我们都有很大差距,需要对结构设计理论和设计方法进行深入研究,需要对从业人员进行技术培训,需要开发新型围护结构和承重结构体系,使轻型钢结构真正成为综合经济效益高、具有竞争优势的结构体系。

 
 
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