轻钢结构设计问题探讨

摘 要： 通过对近几年轻钢结构的设计经验总结，对轻型门式刚架结构设计中常遇到的一些问题和规范没有明确规定的问题进行探讨，供设计人员参考。

关键词： 轻钢结构； 活荷载； 体型系数； 柱脚； 材料

中图分类号： TU356 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）04-0082-02

1輕钢结构与普钢结构的区别

最早的轻钢结构概念就是指在普钢设计中不允许采用的材料如圆钢、小角钢等做成的结构而言的。随着工业发展与科技进步，现代轻钢结构概念中已经充实了更多的内容，又创新了更好的结构形式，进一步拓展了初始的应用领域。轻钢结构是采用区别于普钢结构使用的传统型材，如热轧H型钢、T型钢、冷弯薄壁型钢及薄壁焊接型材等；采用区别于普钢结构的设计理论方法，如考虑屈曲后强度，计入蒙皮效应等。

不同的规范有不同的设计体系，有许多不同的的规定。以《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）和《钢结构设计规范》（GB50017-2003）为例，它们有以下不同的内容：

①荷载取值不同，特别是风荷载和屋面活荷载等；

②分析方法不同，尤其是计算长度确定和局部稳定计算等；

③限制条件不同，如变形和长细比控制等；

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》第一页的总则说明了轻钢结构的范围，超出此范围其他钢结构应属于普钢或重钢。轻钢结构在设计过程中主要遵守《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，而普钢结构在设计过程中应遵守《钢结构设计规范》。作为工程界我们设计的依据是国家颁布的各种规范规程。如果建筑物超出了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》画定的轻钢结构范围，仍要按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》设计(主要是经济原因)，则需要提前与审图部门沟通或召开专家评审会，以免造成返工。

2活荷载取值问题

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定“对受荷水平投影面积大于60㎡的钢架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3KN/㎡。”

对受荷水平投影面积大于60㎡的钢架构件，现在常用的设计方法是，屋面活荷载计算，计算钢架时一般取0.3KN/㎡，计算檩条是一般取0.5KN/㎡。与美国规范相比，作为安全储备的活荷载取值为0.3~0.5KN/㎡，仅为美国规范0.6~1.0KN/㎡的1/2左右。

近几年，全球气候异常，极端天气频出，遇到百年不遇的雪荷载或大风，就会影响到整个结构的安全问题，再加上门式钢架房屋截面小，重量轻，且依靠隅撑檩条来保证主钢架的侧向稳定，如果活荷载取值偏小，则会给整个结构带来安全隐患。笔者认为计算钢架时活荷载取0.3KN/㎡还是取0.5KN/㎡，应根据具体工程的实际情况来考虑。如果工程所在地冬季很少下雪，建筑功能变化的可能性很少，如仓库，民用建筑等，活荷载取0.3KN/㎡问题不大；如果工程所在地冬季常下雪，建筑物带有吊车，有可能以后进行改造，如工业厂房，以后可能进行技术改造升级或增加设备，增加悬挂在钢架上的电缆、风管，在屋面放置新的设备等，活荷载应至少取0.5KN/㎡。

如果雪荷载不小于活荷载，则计算时屋面活荷载取雪荷载与恒荷载或其他可变荷载组合。此时的雪荷载应该乘以1.25，主要是考虑屋面积雪的不均匀分布。

如果公用专业的管线悬挂在钢架上，主钢架设计时应考虑悬挂荷载，轻钢的经济性有赖于提供的荷载的准确性，公用专业最好把荷载大小作用位置准确提供。主钢架在不能准确提供荷载时，计算时活荷载应取活荷载+不小于0.4KN/㎡的悬挂荷载。

3计算风荷载体型系数取值问题

到底按哪个规范取值，首先须知道两本规范体型系数是怎么来的。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）的风荷载体型系数是针对低矮房屋的，特点是梁的风荷载敏感性大，借鉴了美国金属房屋制造商协会MBMA《低层房屋体系手册》（1996），这些系数来源于加拿大风洞试验室做得试验，是比较详尽的，而且在MBMA中有檐高18m的算例。而《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）中的体型系数针对的是较高而窄的体型，这种体型柱的风荷载敏感性更大。按哪本规范的体形系数取，在设计时应进行进行判别。判别可参考中国有色工程设计研究总院魏利金编著的《建筑结构设计常遇问题及对策》一书中提供的方法：

（1）当跨高比L/H不大于4时，门式钢架结构的计算应按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）选用。

（2）当跨高比L/H不大于4时，门式钢架结构的计算应按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）附录A选取选用。

4轻钢门式刚架的柱脚设计

4.1柱脚刚接铰接选用问题

柱脚按其与基础的连接方式不同，分为铰接和刚接两种。前者主要承受轴力，后者用于承受轴力和弯矩。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102：2002)第4．1．4条规定：“门式刚架的柱脚多按铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。当用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。”规范这样规定，是因为门式钢架如果有吊车，钢柱横向荷载偏大，如柱脚采用铰接，柱顶位移、应力较大，为控制柱顶位移和应力要增大梁柱断面，增加用钢量，如果柱脚设计成刚接截面，柱子的计算长度系数是铰接情况下的0.8倍左右，柱顶位移和柱子应力小很多。在我们弄清楚规范此条编制的原因和力学原理后，笔者认为柱脚设计成铰接还是刚接，不光看有无吊车还要看房屋的高度和风荷载的大小，如果房屋的高度较大而风荷载也较大，就是无吊车，也应设计成钢接。

4.2钢柱脚底板边距的要求

柱脚的作用是把柱下端固定并将柱内力传给基础。由于混凝土的强度远比钢材低，所以，必须把柱脚底板放大，以增加与基础的接触面积。钢柱脚底板距基础边缘最小距离我国规范上没有相关规定。钢柱脚底板距基础边缘最小距离，考虑到地脚螺栓受拉时混凝土发生锥形破坏，国外规范都有此规定。日本《建筑设备耐震设计/施工指南》（2005版）规定：“C不小于4d，且C-d不小于50。其中，C为地脚螺栓中心到基础边缘的距离(mm)，d为地脚螺栓直径(mm)。”国内一些设计手册也有相关规定，如中国有色工程设计研究总院魏利金编著的《建筑结构设计常遇问题及对策》一书中要求“地脚螺栓中心到基础边缘的距离不小于4d且大于150mm。”；《混凝土结构构造手册》中规定：“钢柱柱脚底板边缘至基础边缘的距离不应小于100mm。”

笔者认为实际设计中应同时满足《建筑结构设计常遇问题及对策》和《混凝土结构构造手册》的要求。

5钢结构材料的选择

近些年由于钢材品种的增多，结构设计时可选择的构件形式很多。钢柱钢梁可选择热轧H型钢、焊接H型钢，材质可选择Q235普通钢，也可采用Q345低合金钢。设计时要选用经济截面型材，比如热轧H型钢，焊接H型钢等。在某些情况下，采用热轧H型钢柱、梁可能比采用焊接H型钢用钢量稍多，但从加工成本、施工进度等方面综合考虑，其造价可能更有优势。市场价格Q345钢要略高一些，但Q345钢性价比较高。强度控制时，且在有条件的情况下，宜采用Q345钢，它比Q235钢屈服强度提高45%左右，理论上可节约15%~25%的用钢梁。但是，当结构跨度较大，有重荷载作用，结构是以变形控制为主，用Q345时，构件的局部稳定性相对于Q235稍差一些。从规范的局部稳定性计算公式，可以很明显的看出来。用Q345钢时翼缘的挑出长度比Q235钢的小，大约是其0.825倍。总之材料的合理选用是钢结构承载能力的根本保证和追求经济性的前提，选用材料时需要综合考虑，比如构件是强度控制还是稳定控制。

参考文献：

[1] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）[M].北京：中国计划出版社，2003.

[2] 钢结构设计规范（GB50017-2003）[M].北京：中国计划出版社，2003.

[3] 建筑结构荷载规范（GB50009-2001）[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[4] 建筑设备耐震设计/施工指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[5] 混凝土结构构造手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[6] 魏利金.建筑结构设计常遇问题及对策[M].北京：中国电力出版社，2009.

[7] 许厦鹰.轻型门式刚架结构荷载取值常见问题剖析[J].PKPM新天地，2010，4.