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[摘要]针对轻钢骨架住宅的特点，通过分析概念设计、结构体系选型与结构布置，对轻钢骨架住宅的设计原理、设计方法进行了介绍，并总结了我国轻钢骨架住宅发展所面临的问题，分析了它的发展前景。
[关键词]轻钢结构结构设计设计分析
中图分类号：TU392.5 文献标识码：TU 文章编号：1009―914X（2013）31―0462―02
1概述
近年来，随着我国经济的快速发展，人民的生活水平日益提高，居住要求也随之提高，低、多层轻型钢结构住宅的发展必将具有很好的优势和广阔的发展前景。但是，总的来说我国轻型钢结构住宅的发展正处于起步阶段，实际设计和施工还存在不少问题，因此，建立适合我国国情的设计体系和施工工艺是至关重要的。
1.1轻钢住宅体系的优点
轻型钢结构住宅是指以轻型冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高频焊接型钢、薄钢板、薄壁钢管、轻型热轧型钢及以上各构件拼接、焊接而成的组合构件等为主要受力构件，大量采用轻质围护隔离材料的单层和多层住宅。与传统的混凝土结构和砌体结构房屋相比轻钢结构住宅具有明显的特点与优势。
1）自重轻，强度高，抗震性能好，综合经济效益高；
2）建筑造型简洁、丰富、美观、现代感强烈；
3）生产和使用过程中能耗低，污染少，是一种绿色环保结构；
4）施工速度快，建设工期短，工业化程度高；
1.2结构体系选型
在进行低、多层轻钢住宅结构设计时，应根据使用要求，合理选择结构体系，目前使用比较多的结构体系是框架结构体系、框架支撑结构体系和轻钢龙骨结构体系。
1）框架结构体系
框架结构体系受力明确，是一种典型的柔性结构体系，其抗侧移刚度仅由框架来提供，若刚度满足要求时，则构件在强度方面也能满足承载力要求。其使用灵活，制作安装简单，因为受力体系全部采用钢构件，所以施工速度快，但为抵抗侧向力所需梁柱截面较大，一般可用于6层一下的多层建。在设计时一般可按平面或者空间刚架进行计算。通常情况是刚架的纵向柱距比横向柱距（跨度）小，楼层垂直荷载主要传给横向刚架。这样按平面刚架计算时，横向刚架承受垂直荷载和水平荷载（风，地震力等）。而纵向刚架则仅承受较小的垂直荷载和水平荷载。
2）框架支撑结构体系
框架支撑结构体系是框架结构的一种延伸，为了增强结构的侧向刚度，减小层间位移，在框架的基础上增加支撑，从而提高了结构的整体刚度，增强了抵抗水平荷载和地震作用的能力。这种体系为多重抗侧体系，而且梁柱节点，柱脚节点可设计成铰接，半刚接，施工构造简单，基础主要承受轴力，体型较小，因此，是一种很受欢迎的结构体系。
3）轻钢骨架结构体系
从目前国外已经应用的轻钢骨架结构体系来看，它主要分为：冷弯薄壁型钢格构式结构体系和热轧型钢组成的龙骨结构体系。冷弯薄壁型钢格构式结构体系的主要承重结构是将工厂预制的冷弯薄壁C型、Z型钢在施工现场用螺栓连接形成结构骨架，再封上墙板、楼板、屋面板形成的整体住宅，主要在低层住宅中应用。热轧型钢龙骨结构体系的结构构件的尺寸可做到比较小，也可将结构构件隐藏到墙体内部，有利于建筑布置和室内美观，其次是省去了梁柱刚接所带来的许多焊接以及高强螺栓连接费用。
1.3结构布置
在选择好结构体系后，合理的结构布置也是至关重要的。结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。采用轻钢龙骨结构体系时，应保证水平龙骨和竖向龙骨相互对应，确保竖向荷载的传递路线，使其在自身平面内形成铰接框架体系。
2轻钢骨架住宅的设计
轻钢骨架主住宅在欧洲及北美地区已经大量使用，并且已经具有了完善的设计表格，其设计、施工都相当简单、便捷。但是在我国，轻钢骨架住宅正处在初期推广阶段，其设计方法以参考国外的规范及设计表格为主。笔者在此试图利用我国现有的设计规范、规程（4）以及国内试验研究成果对轻钢龙骨住宅进行合理、安全的设计。
2.1概念设计
由于我国轻钢结构发展正处于起步阶段，非专业人员对轻钢住宅的认识比较浅，现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，大部分结构设计体系还不够完善，可参考的资料也比较少，因此在轻钢结构设计过程中做好概念设计就非常重要了。合理的结构概念设计主要要做好一下几点：
1）从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验获取合理的设计思想；
2）从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施，有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系；
3）有效地利用材料，尽可能的节约材料；
4）有效的进行构思、比较与选择，使所得结构方案易于手算、概念清晰、定性正确，避免结构分析阶段的繁琐运算；
2.2 低层轻钢骨架房屋受力特征分析
轻钢骨架结构体系是一种密梁密柱轻钢结构体系，梁柱截面为由薄壁冷弯镀锌方管用V型连接件组成的桁架结构。从受力特征上看，轻钢骨架房屋属于剪力墙结构体系。传统的剪力墙是由混凝土浇筑或由单块砌块砌筑而成；而轻钢骨架中的剪力墙是由龙骨、夹板及螺钉连接而成，通过螺钉的连接，保证了龙骨与夹板的共同作用。在这个体系中，墙体是承受竖向和水平荷载的主要部分，很难弄清楚在承受竖向荷载或是水平荷载的过程中，蒙皮和桁架梁各分担了多大比例，但是蒙皮效应保证了水平承载力和刚度，是体系的承载力提高。
轻钢骨架房屋的连接均为柔性连接，每个连接点、每个构件，允许的变形能力都足够大，由于连接点的数目很多，单个连接点的失效对结构的整体性能是微乎其微的，这样使得结构在地震及其它特殊荷载作用下，倒塌的概率很低。
2.3 轻钢骨架房屋设计过程分析
2.3.1设计原则
1）结构必须有足够的强度、刚度和稳定性，整个结构安全可靠；
2）结构方案尽可能节约钢材，减轻钢结构重量，保证房屋经济实用；
3）在可能条件下，尽量注意美观，特别是外露结构，有一定建筑美学要求；
4）保证各平面内骨架结构体系的相互对应，确保竖向荷载的传递路线；
5）地震荷载采用底部剪力法进行计算；
2.3.2设计方法
1）桁架梁的设计：
在目前的实际工程应用中，桁架梁（图1）的上下弦冷弯薄壁矩形管截面型号一般有40×40mm（宽×高）、40×60mm和40×80mm三种，厚度为0.8～2.0mm；V型连接件有大、中、小三种，厚度一般为0.8～1.2mm，宽度分别为45mm、40mm、35mm，翼缘高分别为20mm、18mm、15mm；由他们可以组成不同的梁高和墙厚，梁高一般都在240mm～360mm范围内。桁架梁布置间距可根据梁跨及荷载大小等因素综合确定，一般为400～600mm。桁架梁的极限承载力较小，在进行设计时，应加密布置，且尽量考虑楼板与梁的组合作用，增加构桁架梁的横向约束点，加大受压上弦杆的截面型号。桁架梁在竖向荷载作用下的挠度较大，竖向抗弯刚度较小，设计时应适当放宽梁刚度的限制数值[2]。
图1轻钢桁架梁
2）墙体的设计：
墙体是轻钢龙骨结构中承受竖向和水平荷载的主要部分。墙体由若干片柱、方柱、蒙皮、抗拉钢带及上、下C型导轨等构成。图2为墙体示意图。片柱是墙体中主要受力构件，其间距可根据蒙皮尺寸、墙体高度及荷载大小
[关键词]轻钢结构结构设计设计分析
中图分类号：TU392.5 文献标识码：TU 文章编号：1009―914X（2013）31―0462―02
1概述
近年来，随着我国经济的快速发展，人民的生活水平日益提高，居住要求也随之提高，低、多层轻型钢结构住宅的发展必将具有很好的优势和广阔的发展前景。但是，总的来说我国轻型钢结构住宅的发展正处于起步阶段，实际设计和施工还存在不少问题，因此，建立适合我国国情的设计体系和施工工艺是至关重要的。
1.1轻钢住宅体系的优点
轻型钢结构住宅是指以轻型冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高频焊接型钢、薄钢板、薄壁钢管、轻型热轧型钢及以上各构件拼接、焊接而成的组合构件等为主要受力构件，大量采用轻质围护隔离材料的单层和多层住宅。与传统的混凝土结构和砌体结构房屋相比轻钢结构住宅具有明显的特点与优势。
1）自重轻，强度高，抗震性能好，综合经济效益高；
2）建筑造型简洁、丰富、美观、现代感强烈；
3）生产和使用过程中能耗低，污染少，是一种绿色环保结构；
4）施工速度快，建设工期短，工业化程度高；
1.2结构体系选型
在进行低、多层轻钢住宅结构设计时，应根据使用要求，合理选择结构体系，目前使用比较多的结构体系是框架结构体系、框架支撑结构体系和轻钢龙骨结构体系。
1）框架结构体系
框架结构体系受力明确，是一种典型的柔性结构体系，其抗侧移刚度仅由框架来提供，若刚度满足要求时，则构件在强度方面也能满足承载力要求。其使用灵活，制作安装简单，因为受力体系全部采用钢构件，所以施工速度快，但为抵抗侧向力所需梁柱截面较大，一般可用于6层一下的多层建。在设计时一般可按平面或者空间刚架进行计算。通常情况是刚架的纵向柱距比横向柱距（跨度）小，楼层垂直荷载主要传给横向刚架。这样按平面刚架计算时，横向刚架承受垂直荷载和水平荷载（风，地震力等）。而纵向刚架则仅承受较小的垂直荷载和水平荷载。
2）框架支撑结构体系
框架支撑结构体系是框架结构的一种延伸，为了增强结构的侧向刚度，减小层间位移，在框架的基础上增加支撑，从而提高了结构的整体刚度，增强了抵抗水平荷载和地震作用的能力。这种体系为多重抗侧体系，而且梁柱节点，柱脚节点可设计成铰接，半刚接，施工构造简单，基础主要承受轴力，体型较小，因此，是一种很受欢迎的结构体系。
3）轻钢骨架结构体系
从目前国外已经应用的轻钢骨架结构体系来看，它主要分为：冷弯薄壁型钢格构式结构体系和热轧型钢组成的龙骨结构体系。冷弯薄壁型钢格构式结构体系的主要承重结构是将工厂预制的冷弯薄壁C型、Z型钢在施工现场用螺栓连接形成结构骨架，再封上墙板、楼板、屋面板形成的整体住宅，主要在低层住宅中应用。热轧型钢龙骨结构体系的结构构件的尺寸可做到比较小，也可将结构构件隐藏到墙体内部，有利于建筑布置和室内美观，其次是省去了梁柱刚接所带来的许多焊接以及高强螺栓连接费用。
1.3结构布置
在选择好结构体系后，合理的结构布置也是至关重要的。结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀，力学模型清晰，尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。采用轻钢龙骨结构体系时，应保证水平龙骨和竖向龙骨相互对应，确保竖向荷载的传递路线，使其在自身平面内形成铰接框架体系。
2轻钢骨架住宅的设计
轻钢骨架主住宅在欧洲及北美地区已经大量使用，并且已经具有了完善的设计表格，其设计、施工都相当简单、便捷。但是在我国，轻钢骨架住宅正处在初期推广阶段，其设计方法以参考国外的规范及设计表格为主。笔者在此试图利用我国现有的设计规范、规程（4）以及国内试验研究成果对轻钢龙骨住宅进行合理、安全的设计。
2.1概念设计
由于我国轻钢结构发展正处于起步阶段，非专业人员对轻钢住宅的认识比较浅，现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性，大部分结构设计体系还不够完善，可参考的资料也比较少，因此在轻钢结构设计过程中做好概念设计就非常重要了。合理的结构概念设计主要要做好一下几点：
1）从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验获取合理的设计思想；
2）从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施，有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系；
3）有效地利用材料，尽可能的节约材料；
4）有效的进行构思、比较与选择，使所得结构方案易于手算、概念清晰、定性正确，避免结构分析阶段的繁琐运算；
2.2 低层轻钢骨架房屋受力特征分析
轻钢骨架结构体系是一种密梁密柱轻钢结构体系，梁柱截面为由薄壁冷弯镀锌方管用V型连接件组成的桁架结构。从受力特征上看，轻钢骨架房屋属于剪力墙结构体系。传统的剪力墙是由混凝土浇筑或由单块砌块砌筑而成；而轻钢骨架中的剪力墙是由龙骨、夹板及螺钉连接而成，通过螺钉的连接，保证了龙骨与夹板的共同作用。在这个体系中，墙体是承受竖向和水平荷载的主要部分，很难弄清楚在承受竖向荷载或是水平荷载的过程中，蒙皮和桁架梁各分担了多大比例，但是蒙皮效应保证了水平承载力和刚度，是体系的承载力提高。
轻钢骨架房屋的连接均为柔性连接，每个连接点、每个构件，允许的变形能力都足够大，由于连接点的数目很多，单个连接点的失效对结构的整体性能是微乎其微的，这样使得结构在地震及其它特殊荷载作用下，倒塌的概率很低。
2.3 轻钢骨架房屋设计过程分析
2.3.1设计原则
1）结构必须有足够的强度、刚度和稳定性，整个结构安全可靠；
2）结构方案尽可能节约钢材，减轻钢结构重量，保证房屋经济实用；
3）在可能条件下，尽量注意美观，特别是外露结构，有一定建筑美学要求；
4）保证各平面内骨架结构体系的相互对应，确保竖向荷载的传递路线；
5）地震荷载采用底部剪力法进行计算；
2.3.2设计方法
1）桁架梁的设计：
在目前的实际工程应用中，桁架梁（图1）的上下弦冷弯薄壁矩形管截面型号一般有40×40mm（宽×高）、40×60mm和40×80mm三种，厚度为0.8～2.0mm；V型连接件有大、中、小三种，厚度一般为0.8～1.2mm，宽度分别为45mm、40mm、35mm，翼缘高分别为20mm、18mm、15mm；由他们可以组成不同的梁高和墙厚，梁高一般都在240mm～360mm范围内。桁架梁布置间距可根据梁跨及荷载大小等因素综合确定，一般为400～600mm。桁架梁的极限承载力较小，在进行设计时，应加密布置，且尽量考虑楼板与梁的组合作用，增加构桁架梁的横向约束点，加大受压上弦杆的截面型号。桁架梁在竖向荷载作用下的挠度较大，竖向抗弯刚度较小，设计时应适当放宽梁刚度的限制数值[2]。
图1轻钢桁架梁
2）墙体的设计：
墙体是轻钢龙骨结构中承受竖向和水平荷载的主要部分。墙体由若干片柱、方柱、蒙皮、抗拉钢带及上、下C型导轨等构成。图2为墙体示意图。片柱是墙体中主要受力构件，其间距可根据蒙皮尺寸、墙体高度及荷载大小