高善婕

（天津市化工设计院，天津 300193）

1 轻型钢结构建筑体系

轻型钢结构建筑体系不仅仅指由圆钢，角钢和薄壁型钢组成的结构，它具有更广泛的内容和含义。目前，薄壁型钢桁架结构，实腹式和格构式截面刚架结构和屋面体系为网架或网壳结构的工业和民用建筑是轻钢结构的主要代表形式，其次，多层房屋轻型钢结构建筑体系也正在日本和美国崛起。轻钢结构中，轻有两层含义，一是指自重轻，二是指经济效益好。以房屋建筑结构为例，屋盖采用轻型屋面材料和结构体系每单位面积的用钢量指标，是判断和衡量是否为轻型钢结构建筑体系的两个重要因素；对其它结构形式，主要视用钢量而定。

一般而言，对于中小跨度的工业建筑，轻型刚架结构体系较为经济。对于大跨度或超大跨度的工业厂房和民用建筑，则选择屋盖体系为网架结构或网壳结构的轻钢结构更具有优越性。因此，轻型钢结构研究和开发的主要结构形式包括：单跨或多跨刚架结构体系；薄壁型钢桁架结构体系；轻型房屋钢网架或网壳结构体系；多层房屋轻型钢结构建筑体系。

2 大跨度门式刚架结构设计

2.1 荷载的分析及合理取值

首先，根据所处的地理位置选择当地的抗震设防烈度、风荷载、雪荷载。其次，根据使用情况和结构构成选取楼面及屋面的恒荷载、活荷载。再有，选取合理的恒荷载、活荷载分项系数。对可能出现的危险，要留足够大的安全系数，并进行最不利的荷载组合。

2.2 梁、柱截面的预估

当建筑结构体系布置结束后，需对重要构件截面作初步估算，特别是指梁、柱、支撑等的断面尺寸的预估。根据荷载与支座情况，钢梁截面高度通常在跨度的1/20～1/50 之间选择。翼缘宽度可根据梁间侧向支撑的间距按l/b 限值确定，这样可避免钢梁整体稳定的复杂计算。在截面高度和翼缘宽度确定后，板件厚度可按规范中局部稳定的构造要求判定。柱截面按长细比预估，通常为50＜λ＜150，简单选择值在100 附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H 型钢截面等。

2.3 变形缝间距的规范要求

轻型房屋钢结构的温度区段长度应按下列要求规定：①纵向温度区段变形缝间距不大于300 m；②横向温度区段变形缝间距不大于150 m。这是规范的基本要求，解释为：当有计算依据时，温度区段长度要求可以适当放宽。温度区段超限，可以通过增加支撑来约束温度应力，使温度应力均匀分配到各个柱基础，从而保证厂房的整体稳定不被破坏。

2.4 失稳的控制

2.4.1 设计过程中需注意的问题

建筑体系的稳定不但要考虑整个体系，同时还要对组成体系的单体构件进行受力分析。目前，公司应用软件大多进行的是平面计算，很少能进行空间计算。虽然有的软件能进行空间计算，但因使用过程复杂，不易上手，所以未能广泛地应用。由于不进行空间整体分析，就不能简单地确定稳定情况，所以必须设计必要的支承构件，确保足够的平面外支撑。

2.4.2 施工过程中的失稳问题

大跨度钢结构的设计很重要，但施工工序同样重要，不当的施工流程会造成致命的后果，有时不单单是财产损失，甚至会付出生命的代价。所以，施工中要注意以下几点：

（1）钢结构焊接。对于施工单位首次焊接的钢种，一定要进行焊接工艺评定，并制定相应的焊接工艺。严格把好接头装配质量关。接头的装配质量包括：坡口质量、根部间隙、对口错边量等几个方面。焊接过程中为减少焊接应力，防止产生焊接裂纹，应严格按照标准规定要求对焊接部位进行预热，在整个焊接过程中应随时加热以保证焊缝道间温度，并一次焊完一条焊缝，在焊接完成后，应及时按标准要求进行后热。对设计及国家规范要求探伤的焊缝，应对每条焊缝按比例要求进行无损探伤。焊缝完成后质检人员要及时按设计和 GB50205 等标准要求进行外观检查和无损检验，不合格部分及时通知焊工返修。

（2）钢结构安装质量控制。安装前，施工单位应对构件的产品合格证、设计文件与预拼装记录进行检查，并复验记录构件的尺寸。钢结构的变形、缺陷超出允许偏差时，应进行处理。钢结构安装前，应编制详细的测量和矫正工艺，厚钢板的焊接应在焊接安装前进行模拟产品结构的工艺试验，编制相应的施工工艺。对拼装好的屋架应预设一定的起拱度。钢结构吊装就位后，应对构件定位轴线、标高等设计要求控制点进行测量，并做好标记，对吊装对接接头质量进行焊前检查。安装好临时支撑及钢索以使钢屋架在施工过程中安全稳定。

2.4.3 维护、使用过程中的失稳问题

在工业车间的使用过程中，由于误操作、雨雪和热辐射常常造成承重构件的失稳。在物流车间，车辆频繁操作，司机不小心会误撞柱子，由于轻钢结构跨度大、重量轻、柱子截面小，很容易导致柱子移位，进而造成车间垮塌。有效的办法是设置护栏，对重要通道的柱子进行保护，以避免对柱子造成伤害。屋面天沟设置不当，屋面坡度过缓会造成排水不畅，特别是下雪天，雨雪白天不能及时排走，晚上结了冰冻在屋面上，第二天又接着下雪，就会造成屋面雪荷载过大，导致屋面檩条发生弯曲，屋面板出现缝隙，发生漏水，严重的还会造成屋面梁垮塌，引发安全事故。

2.4.4 扫雪操作不当

连续大雪会使屋面荷载增加明显，有时候还会达到设计强度界限。业主急于减少屋面强度，便盲目让人扫雪，由于扫雪区域顺序不合理会造成不利情况发生，进而引发屋面坍塌。

3 钢结构的特点

3.1 结构自重轻。钢结构一般由压型金属保温板、保温层及檩条等材料组成，屋面、墙面的质量都很轻。用钢量一般为30 kg/m2左右。

3.2 施工周期短。钢结构的工厂化制作，使工程质量易于保证，施工时间短。

3.3 空间设置灵活。门式刚架采用金属压型板封闭，因而柱网布置不受模数制约，柱距大小可以根据使用要求来确定。

3.4 截面尺寸小。同等的受力条件，所需钢结构梁柱的截面只有混凝土构件的1/2 左右，极大地节约了空间，更好地满足使用的空间要求，从而也降低了建筑成本。

4 如何做好钢结构的设计

4.1 荷载取值准确

严格按规范办事，屋面结构竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取0.5 kN/m2。《门式刚架技术规程》规定，不上人屋面的活荷载为0.5 kN/m2，同时当构件的荷载面积大于60 m2时可乘折减系数0.6，取0.3 kN/m2，与钢结构设计规范的解释一致。但近两年，我国大部分地区常出现强降雪天气，导致很多加油站、场馆倒塌。因而，施工人员一方面要考虑投影面积大于60 m2的荷载折减，另一方面还要根据当地的雪荷载情况取其中的最大值，以确保建筑安全。

4.2 考虑活荷载的最不利布置

应按照规范要求考虑活荷载的不利布置，虽然规范没明确活荷载不利布置的条件，但根据经验，大部分非临时建筑都应该考虑活荷载的不利布置。

4.3 节点的处理

强柱弱梁是设计要遵循的原则，同时，强节点弱构件也是必不可少的设计准则。很多情况下，构件满足设计要求，节点却不能满足抗震要求，因此，加强节点域设计是要重点考虑的问题。

4.4 抗剪键的设置

在地震作用下，厂房的纵向水平力和横向水平力很大。超出了柱脚螺栓承受的能力，这个时候柱脚底板剪力验算不满足，需要设抗剪连接件。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。此水平剪力可由底板与混凝土基础间的摩擦力（摩擦系数可取0.4）或设置抗剪键承受。规范的意思是：水平力由摩擦力承受，或者由抗剪键承受，注意是“或设置抗剪键承受”，不是“和设置抗剪键承受”。