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摘 要：介绍了轻钢结构的优势，结合设计经验，从概念，构造等方面指出了门式刚架的方案要点
关键词：轻钢结构，材料的选取，用钢量分析
中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：
1.轻钢结构的优势
轻钢结构实际就是门式刚架体系，这种结构体系造价低，用钢省，安装快捷，制作简便，施工周期短，商品化程度高，而且其造型美观，适用性广，在建筑市场上具有很强的竞争力。近年来在轻工业厂房的设计中得到很好的应用，已成为钢结构行业乃至整个建筑业中发展最快的结构类型，用以替换传统的钢筋混凝土柱和钢屋架结构，取得了巨大的社会效应和经济效益。
传统的轻钢制作方式，采用机械和手工方式进行组合、装焊，自动化程度不高、工艺流程不连贯，因而生产效率低，远不能满足建筑轻钢结构飞速发展的需要。但随着行业的发展，现多家钢构企业都已针对轻钢结构设计的自动化钢结构生产流水线，占地面积小、布局紧凑、流程合理，充分体现了高速、高效和高精度生产的特点，取得了满意的实际效果。由于钢结构制造技术与设计理论的日臻完善，实腹式单跨刚架的跨度国内最大的达83m，国际上实腹式门式刚架的跨度最大达150m。这是传统钢结构无法比拟的，也充分体现了现代轻钢结构的优势。
2.方案的改进
第一，用预涂层彩色压型钢板代替传统的预制混凝土屋面板。輕钢屋面采用的彩色压型钢板厚度一般为0.4~1mm（常规使用不大于6mm），自重在4~6kg/m2之间，而传统的中波石棉瓦自重在20 kg/m2 左右，两者相差达到200%以上；
第二，用冷弯薄壁型钢檩条代替传统的角钢、槽钢和工字钢檩条。轻钢结构的檩条一般都用厚度小于3mm的卷板冷弯而成。材料自重比传统钢结构轻80~120%；
第三，用H型钢屋架代替三角形或梯形屋架。虽然自重与三角形或梯形屋架相比基本持平，但由于制作工艺简单，焊接劳动强度大为降低。特别是使用热轧成型H钢效果更为明显，不仅省掉90%以上的焊接工作量，而且几乎不会出现致命的焊缝缺陷。这就使得总的制造成本降低，因此得到普遍的应用。
可见，采用压型钢板轻型屋面和墙面，其本身重量既轻亦使支承它的结构也轻，同时，由于屋面与檐檩，脊檩(以及中间檩条)和墙面牢固连接，檩条又与刚架牢固连接，因而屋面压型钢板可视为起应力蒙皮作用的隔板，从而提高刚架结构的整体刚度，有效减小结构的实际位移，亦因此使檩条和墙梁及其隅撑可作为刚架构件受压翼缘的侧向支承点。
刚架采用变截面，基本上按弯矩图形的变化以及施工方便来改变腹板高度和厚度以及翼缘尺寸(上下翼缘可用不同截面，相邻单元的翼缘也可采用不同截面)，充分做到材尽其用。加之采用轻质屋面，刚架构件以及檩条可以做得很轻，因而有很好的经济性。这个问题的提出不仅涉及技术问题，而且也是一个经济问题。在轻钢结构的设计中，设计院的同仁总认为把屋架断面设计成变截面，让断面跟弯矩图尽量吻合，这样就能把用钢量降到最低。当然，用钢量节省的目的是达到了，但造价是不是也降低了？去年年底到今年，钢材价格上涨很多，其中，钢板涨得更是厉害，钢板的市场价格达到4000元/t以上，超过热扎成型H钢（成型钢）约300~400元/t之间。这时候，选用变截面，钢材成本加上焊接费用将达到5000元/t 以上，也就是说，每t成本将比成型钢多出1300~1400元。有些情况下，就是将成型钢用钢量偏大的因素考虑进去，每一榀钢架的造价，仍是变截面钢架大大超过成型钢制作的钢架。综上所述，究竟是选用变截面钢架还是成型钢钢架，不是一概而论，要进行具体的技术经济分析，才能真正做到降低成本的目的。
3.构造的要点
门式刚架结构也可以看作是由四个杆件，即两个柱，一个横梁和大地组成的矩形结构。没有吊车的单跨厂房，通常用2～4粒螺栓将柱脚与基础相连，此时可将柱脚与基础(大地)的连接视为铰接。厂房内不可能用斜拉杆，因此柱与屋面必须做成刚接，否则便成了可变体系。
沿厂房纵向，也要考虑结构的稳定。在厂房纵向，各门式刚架之间通常在檐口处用刚性系杆铰接相连。如果不用柱间支撑，在水平荷载作用下，结构在纵向是可变体系。因此通常做法是在厂房两头的第一柱间加上交叉的拉杆支撑，荷载通过刚性系杆传至支撑再传至基础。当厂房较长时，在中间跨或相应的跨处也宜布置柱间支撑以免传力路线大长而使结构的纵向刚度不足。一般地，使用交叉拉杆支撑的间距又宜大于50m。
也许有人会提出沿厂房纵向亦可做成刚节点。可以这样做，但一般不这样做，并不是由于刚节点施工麻烦，而主要是用钢问题。如果要将结构在两个方面(横向和纵向)做成刚接，H形截面可能不再能使用。如前所述，H形截面在弱轴方向的强度和刚度都太小，比其强轴方向小十几倍至几十倍。因此要用到箱形截面或管形截面。
以上图为例，由于使用支撑，对柱在纵向强度和刚度没有特别要求，采用H型钢截面250×300×8×6，每米用钢量为44.8kg。若取消支撑，采用箱形截面250×300×8×6，每米用钢量为58.2kg，与H型钢截面相比，每米用钢量增加30％。
4. 结构钢牌号的选用误区
有的业主和设计院认为：钢结构最好选用Q345，他们认为强度越高越好，不仅安全，而且节省材料用钢量。本人认为这种认识有片面性。钢结构的设计不是只考虑强度，而且也要考虑刚度、整体稳定性及局部稳定性。
轻钢结构之所以为轻钢结构，它的主要表现就是自重轻及跨度大。在设计选材时，不仅强度要满足条件，而且同时要满足刚度条件。小荷载及大跨度的情况下，强度不是选型的控制因素，而挠度（刚度）才是真正的制约条件。挠度的计算公式均表现为：
nqkl4
Δ= ———— ≤（Δ）
mEI
其中：n、m为整数，qk为标准均布荷载，l跨度，E弹性模量（Q235和Q345均为206×103N/mm2），I惯性矩，（Δ）允许挠度。
可见，钢材的强度在这里不起任何作用。可见，在小荷载及大跨度的情况下，选用Q235为宜。反之，大荷载小跨度则选用Q345为宜。
5. 结语
作为工程技术人员，不仅要注意技术问题，也要注意经济问题。这样才能使设计出来的轻钢结构达到安全、经济、合适的水平。以上是对钢结构设计的一点总结和理解，难免有不妥之处，在今后的设计中应不断总结，使我们得设计更经济合理，为推广轻钢结构尽绵薄之力。
参考文献
【1】CECS 102:98《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》
【2】GB50009—2012《建筑结构荷载规范》
【3】GB50017—2003 《钢结构设计规范》
【4】《轻型房屋钢结构应用技术手册》中国建筑工业出版社
关键词：轻钢结构，材料的选取，用钢量分析
中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：
1.轻钢结构的优势
轻钢结构实际就是门式刚架体系，这种结构体系造价低，用钢省，安装快捷，制作简便，施工周期短，商品化程度高，而且其造型美观，适用性广，在建筑市场上具有很强的竞争力。近年来在轻工业厂房的设计中得到很好的应用，已成为钢结构行业乃至整个建筑业中发展最快的结构类型，用以替换传统的钢筋混凝土柱和钢屋架结构，取得了巨大的社会效应和经济效益。
传统的轻钢制作方式，采用机械和手工方式进行组合、装焊，自动化程度不高、工艺流程不连贯，因而生产效率低，远不能满足建筑轻钢结构飞速发展的需要。但随着行业的发展，现多家钢构企业都已针对轻钢结构设计的自动化钢结构生产流水线，占地面积小、布局紧凑、流程合理，充分体现了高速、高效和高精度生产的特点，取得了满意的实际效果。由于钢结构制造技术与设计理论的日臻完善，实腹式单跨刚架的跨度国内最大的达83m，国际上实腹式门式刚架的跨度最大达150m。这是传统钢结构无法比拟的，也充分体现了现代轻钢结构的优势。
2.方案的改进
第一，用预涂层彩色压型钢板代替传统的预制混凝土屋面板。輕钢屋面采用的彩色压型钢板厚度一般为0.4~1mm（常规使用不大于6mm），自重在4~6kg/m2之间，而传统的中波石棉瓦自重在20 kg/m2 左右，两者相差达到200%以上；
第二，用冷弯薄壁型钢檩条代替传统的角钢、槽钢和工字钢檩条。轻钢结构的檩条一般都用厚度小于3mm的卷板冷弯而成。材料自重比传统钢结构轻80~120%；
第三，用H型钢屋架代替三角形或梯形屋架。虽然自重与三角形或梯形屋架相比基本持平，但由于制作工艺简单，焊接劳动强度大为降低。特别是使用热轧成型H钢效果更为明显，不仅省掉90%以上的焊接工作量，而且几乎不会出现致命的焊缝缺陷。这就使得总的制造成本降低，因此得到普遍的应用。
可见，采用压型钢板轻型屋面和墙面，其本身重量既轻亦使支承它的结构也轻，同时，由于屋面与檐檩，脊檩(以及中间檩条)和墙面牢固连接，檩条又与刚架牢固连接，因而屋面压型钢板可视为起应力蒙皮作用的隔板，从而提高刚架结构的整体刚度，有效减小结构的实际位移，亦因此使檩条和墙梁及其隅撑可作为刚架构件受压翼缘的侧向支承点。
刚架采用变截面，基本上按弯矩图形的变化以及施工方便来改变腹板高度和厚度以及翼缘尺寸(上下翼缘可用不同截面，相邻单元的翼缘也可采用不同截面)，充分做到材尽其用。加之采用轻质屋面，刚架构件以及檩条可以做得很轻，因而有很好的经济性。这个问题的提出不仅涉及技术问题，而且也是一个经济问题。在轻钢结构的设计中，设计院的同仁总认为把屋架断面设计成变截面，让断面跟弯矩图尽量吻合，这样就能把用钢量降到最低。当然，用钢量节省的目的是达到了，但造价是不是也降低了？去年年底到今年，钢材价格上涨很多，其中，钢板涨得更是厉害，钢板的市场价格达到4000元/t以上，超过热扎成型H钢（成型钢）约300~400元/t之间。这时候，选用变截面，钢材成本加上焊接费用将达到5000元/t 以上，也就是说，每t成本将比成型钢多出1300~1400元。有些情况下，就是将成型钢用钢量偏大的因素考虑进去，每一榀钢架的造价，仍是变截面钢架大大超过成型钢制作的钢架。综上所述，究竟是选用变截面钢架还是成型钢钢架，不是一概而论，要进行具体的技术经济分析，才能真正做到降低成本的目的。
3.构造的要点
门式刚架结构也可以看作是由四个杆件，即两个柱，一个横梁和大地组成的矩形结构。没有吊车的单跨厂房，通常用2～4粒螺栓将柱脚与基础相连，此时可将柱脚与基础(大地)的连接视为铰接。厂房内不可能用斜拉杆，因此柱与屋面必须做成刚接，否则便成了可变体系。
沿厂房纵向，也要考虑结构的稳定。在厂房纵向，各门式刚架之间通常在檐口处用刚性系杆铰接相连。如果不用柱间支撑，在水平荷载作用下，结构在纵向是可变体系。因此通常做法是在厂房两头的第一柱间加上交叉的拉杆支撑，荷载通过刚性系杆传至支撑再传至基础。当厂房较长时，在中间跨或相应的跨处也宜布置柱间支撑以免传力路线大长而使结构的纵向刚度不足。一般地，使用交叉拉杆支撑的间距又宜大于50m。
也许有人会提出沿厂房纵向亦可做成刚节点。可以这样做，但一般不这样做，并不是由于刚节点施工麻烦，而主要是用钢问题。如果要将结构在两个方面(横向和纵向)做成刚接，H形截面可能不再能使用。如前所述，H形截面在弱轴方向的强度和刚度都太小，比其强轴方向小十几倍至几十倍。因此要用到箱形截面或管形截面。
以上图为例，由于使用支撑，对柱在纵向强度和刚度没有特别要求，采用H型钢截面250×300×8×6，每米用钢量为44.8kg。若取消支撑，采用箱形截面250×300×8×6，每米用钢量为58.2kg，与H型钢截面相比，每米用钢量增加30％。
4. 结构钢牌号的选用误区
有的业主和设计院认为：钢结构最好选用Q345，他们认为强度越高越好，不仅安全，而且节省材料用钢量。本人认为这种认识有片面性。钢结构的设计不是只考虑强度，而且也要考虑刚度、整体稳定性及局部稳定性。
轻钢结构之所以为轻钢结构，它的主要表现就是自重轻及跨度大。在设计选材时，不仅强度要满足条件，而且同时要满足刚度条件。小荷载及大跨度的情况下，强度不是选型的控制因素，而挠度（刚度）才是真正的制约条件。挠度的计算公式均表现为：
nqkl4
Δ= ———— ≤（Δ）
mEI
其中：n、m为整数，qk为标准均布荷载，l跨度，E弹性模量（Q235和Q345均为206×103N/mm2），I惯性矩，（Δ）允许挠度。
可见，钢材的强度在这里不起任何作用。可见，在小荷载及大跨度的情况下，选用Q235为宜。反之，大荷载小跨度则选用Q345为宜。
5. 结语
作为工程技术人员，不仅要注意技术问题，也要注意经济问题。这样才能使设计出来的轻钢结构达到安全、经济、合适的水平。以上是对钢结构设计的一点总结和理解，难免有不妥之处，在今后的设计中应不断总结，使我们得设计更经济合理，为推广轻钢结构尽绵薄之力。
参考文献
【1】CECS 102:98《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》
【2】GB50009—2012《建筑结构荷载规范》
【3】GB50017—2003 《钢结构设计规范》
【4】《轻型房屋钢结构应用技术手册》中国建筑工业出版社