隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,改革開放的深入,鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛,其數(shù)量也日漸增多。近年來,國內(nèi)外在鋼結(jié)構(gòu)的理論和實踐上均有長足的進(jìn)步,其進(jìn)度之快,涉及范圍之廣為鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展史上所罕見。諸如設(shè)計方法的演變改進(jìn),材料標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新,高效鋼材的開發(fā)應(yīng)用,施工技術(shù)的革新提高,凡此等等,都給鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展注入了活力,其結(jié)構(gòu)技術(shù)也得到了較好的完善。
以下就鋼結(jié)構(gòu)的特點及其在工程上的應(yīng)用做一概述,并著重介紹門式鋼架。
一.鋼結(jié)構(gòu)的概念: 鋼結(jié)構(gòu)通常指由圓鋼、小角鋼、薄壁型鋼或薄鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu),這是一個相對的概念,以區(qū)別往常的普通鋼結(jié)構(gòu)。普通鋼結(jié)構(gòu)一般由鋼屋架、組合柱(H型鋼、鋼管、槽鋼等)和大噸位吊車梁等組成,適應(yīng)于荷載或吊車起重量較大的結(jié)構(gòu),以及有較大振動和有抗震要求的結(jié)構(gòu)。隨著國民經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,普通鋼結(jié)構(gòu)逐漸減少,而輕型實腹梁、實腹柱及小噸位吊車梁等逐漸增加。
二.鋼結(jié)構(gòu)特點:
1.用鋼量省,節(jié)省投資
輕型鋼屋面系統(tǒng)的用鋼量一般為8~15kg/m2,單層輕鋼倉庫的用鋼量為16~30kg/m2.接近甚至可低于在相同條件鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的用鋼量,且能節(jié)約大量木材、水泥及其它建筑材料。因此鋼結(jié)構(gòu)可大幅度降低結(jié)構(gòu)自重,一般約為普通鋼結(jié)構(gòu)的1/2~ 1/3,鋼筋混凝土的1/10~3/10.比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及普通鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省建設(shè)資金。
2.防止?jié)B漏,效果理想
鋼結(jié)構(gòu)的屋面及墻面材料主要選用彩色壓型板或夾芯板,檁條為自重較輕的薄壁C型或Z型鋼檁條。鋼結(jié)構(gòu)廠房的屋面坡度設(shè)計一般為1/10~1/15,屋面壓型鋼板可靠連接后,固定于鋼檫條上。雨水可順壓型板直接排至內(nèi)外天溝,通過硬質(zhì)塑料PVC管迅速排至下水管或室外的水溝,確保廠房防雨水滲漏的要求。
3.無需打樁,縮短工期
鋼結(jié)構(gòu)廠房因其自重輕,一般僅需采用柱下混凝土基礎(chǔ)即可滿足承載要求。由此,縮短了建設(shè)周期,節(jié)省建設(shè)投資。
4.供貨迅捷,安裝方便
鋼結(jié)構(gòu)所用材料均為常規(guī)用料。其圍護(hù)系統(tǒng)所用壓型板及配件,以及C型和Z型鋼檁條的生產(chǎn)廠家也非常多,一般,一座1萬m2左右的單層廠房或倉庫從設(shè)計開始到交付使用僅需3~4個月的時間,可比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的廠房縮短工期一半甚至更多。
5.外形美觀,內(nèi)部空曠
鋼結(jié)構(gòu)廠房或倉庫顏色根據(jù)需要選擇,任意調(diào)整,隨意組合。屋面壓型板,尤其是墻面彩色壓型板,具有輕質(zhì)、高效、色彩艷麗、造型美觀的特點。它除主要作為墻體用外,也具有裝飾面板的作用。一般廠房及其它結(jié)構(gòu)在墻面板封閉完后即告完工,無需再進(jìn)行裝飾。建筑結(jié)構(gòu)形式可按其生產(chǎn)工藝性能及業(yè)主要求進(jìn)行設(shè)計,其結(jié)構(gòu)體系可最大限度地利用鋼材的性能。單跨經(jīng)濟跨度為18m至36取廠房或倉庫內(nèi)部空曠,利用率高。
三.鋼結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用范圍
鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式較多,如屋架形式、鋼架形式、網(wǎng)架形式、實腹式、格構(gòu)式和混合式鋼架結(jié)構(gòu)、懸掛式框架結(jié)構(gòu)、拱形框架,折線形框架、懸臂式框架以及懸索結(jié)構(gòu)等。
鋼架結(jié)構(gòu)是梁、柱單元構(gòu)件的組合體,是柱與直線形、弧形或折線型橫梁剛性連接的承重骨架體系。其形式種類繁多,在單層廠房及倉庫中,應(yīng)用較多的為單層單跨、雙跨或多跨的雙坡門式鋼架,它可根據(jù)通風(fēng)、采光的需要設(shè)置天窗、通風(fēng)屋脊和采光帶等。
門式鋼架的整個構(gòu)件橫截面尺寸較小,可以有效地利用建筑空間,從而降低房屋的高度,減小建筑體積,在建筑造型上也較簡潔美觀。其次,鋼架構(gòu)件的剛度較好,其平面內(nèi)、外的剛度差別較小,為制造、運輸、安裝提供較有利的條件。
門式鋼架的用鋼量與荷栽、跨度、柱高以及結(jié)構(gòu)形式有關(guān),一般總用鋼量(無吊車梁)為8~30kg/m2. 3.1門式鋼架的結(jié)構(gòu)形式門式鋼架的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。按構(gòu)件體系分,有實腹式與格構(gòu)式;按橫截面組成分,有等截面與變截面。實腹式鋼架的橫截面一般為H型,少數(shù)為Z型;格構(gòu)式的橫截面為矩形或三角形;按結(jié)構(gòu)選祜分,有通型鋼、薄壁型鋼、鋼管或鋼板焊成。
門式實腹式鋼架適用于荷載小,跨度根據(jù)工藝要求可為10余m至幾十取無吊車或吊車起重童較小的單層廠房或倉庫。當(dāng)跨度不超過15取柱高不超過6取以及按塑性理論設(shè)計時,宜采用等截面;當(dāng)跨度大于15取柱高為7m以上以及有吊車時,宜采用變截面。
門式鋼架適用范圍如所示,該系統(tǒng)是屋面小坡度的剛性框架。柱子采用變截面柱,屋面梁采用變截面為合理,橫梁中間部分接近水平,內(nèi)部不設(shè)中間柱使廠房內(nèi)具有極佳的凈跨尺寸,且使用方便,同時該系統(tǒng)不需要較高的中間凈空,屋面坡度較小,這樣可以節(jié)省非使用空間的采曖和保溫方面的費用。該系統(tǒng)設(shè)計跨度948取檐篼3~ 91屋面坡度可為1/12、1/16和1/20,柱距6~91適用于工業(yè)用大跨度廠房、糧食庫、倉庫等建筑物。
如,該系統(tǒng)采用等截面柱、平底梁,屋面坡度小,墻線簡練,空間緊湊,墻柱和圈梁外邊齊平,穩(wěn)定性好,具有室內(nèi)外均較美觀的特點。同時該形式節(jié)省采暖降溫費用,具有很好的商業(yè)應(yīng)用價值,適合于做辦公室、超市、食堂、禮堂等。該系統(tǒng)設(shè)計胯度924取檐高37.5取屋面坡度可為1/12、1/16、1/20、1/24,柱距如,該系統(tǒng)除具備結(jié)構(gòu)類型1所述的一切特點外,又能在內(nèi)部設(shè)置3排內(nèi)柱,使廠房體型更加龐大,內(nèi)部流水線布置更為緊湊、高效,廠區(qū)土地得到充分利用。這種經(jīng)濟的設(shè)置非常適用于倉庫、辦公室、展覽廳、輕工業(yè)裝備廠等。該系統(tǒng)設(shè)計跨度36如,該系統(tǒng)除具備結(jié)構(gòu)類型2所述的特征外,使之具有最現(xiàn)代化的外觀和最小的屋面坡度。如在內(nèi)部加配桁架梁或縱向托梁,可形成內(nèi)部空間,柱距達(dá)12、15、18nu該系統(tǒng)適合用于購物中心、超市、倉儲、工業(yè)廠房及商業(yè)辦公樓等。該形式設(shè)計跨度3096甩檐高3.67.5鞏屋面坡度1/48,柱距6~9m.如,該系統(tǒng)具備了結(jié)構(gòu)類型3所述系列取屋面坡度1/48,柱距結(jié)構(gòu)類型6的特點,再加上內(nèi)柱使該系列的商業(yè)應(yīng)用在設(shè)計方面更經(jīng)濟,更能顯示其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。適合于倉庫、展示廳、購物中心、大型服裝廠等。該形式設(shè)計跨度34~96洱檐篼3.67.5吼屋面坡度1/24、1/30、如,該系統(tǒng)建筑物屋面坡度較小,且為單斜坡及單一排水區(qū)的形式,典型的搭接圍梁和小屋面坡度是它的結(jié)構(gòu)特點。因此適用于建筑物的擴建、商店、簡易倉庫等。此系統(tǒng)也可以通過增加內(nèi)柱來加大凈跨空間,使之更實用。該形式設(shè)計跨度1861鞏檐篼3.7~ 33鋼架多層結(jié)構(gòu)形式鋼架多層結(jié)構(gòu)形式亦多樣,其主要組成部分是柱與梁和與此相關(guān)的樓層結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、墻板或墻架結(jié)構(gòu),其中鋼架多層式支撐是梁與柱連接全部或局部做成剛接。支撐結(jié)構(gòu)平面布置靈活,構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化。鋼架多層結(jié)構(gòu)可以在鋼架內(nèi)全部形成框架結(jié)構(gòu),亦可為局部框架。鋼架多層結(jié)構(gòu)柱距一般為6~12取用鋼量30~60kgta2.該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用于電子、機械工業(yè)廠房,以及商業(yè)購物中心、辦公用樓和制作廠房等為理想。
四.圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
鋼結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要指屋面和墻面系統(tǒng),是區(qū)別于傳統(tǒng)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)而逐漸成熟和完善起來的一個較為獨立的系統(tǒng)。鋼結(jié)構(gòu)的屋面和墻面所用材料是比鋼筋混凝土板及磚石輕得多,且制造、安裝簡便、色彩鮮艷、外形美觀的彩色壓型鋼板。同時組成屋面和墻面系統(tǒng)的材料及構(gòu)件還有檫條、保溫材料、采光材料、屋面通風(fēng)設(shè)備、工藝開孔、天溝以及泛水收邊等,在這里不再詳述。
五.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計注意事項鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是應(yīng)保證結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在充分滿足預(yù)期的安全性和使用性要求的基礎(chǔ)上,做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理、安全適用和確保質(zhì)童。因此,在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意:設(shè)計時應(yīng)保證結(jié)構(gòu)能滿足強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性和其它使用功能的要求,應(yīng)力求桿件布置合理和節(jié)點構(gòu)造簡單。優(yōu)先采用定型的和標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件以及標(biāo)準(zhǔn)化的節(jié)點形式,優(yōu)先采用與鋼結(jié)構(gòu)相適應(yīng)或相配套的建筑材料和成品。
鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用以概率理論為基礎(chǔ)的概率極限狀態(tài)設(shè)計方法。承重結(jié)構(gòu)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計,其設(shè)計荷載包括地震荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、積灰荷載、吊車荷載、安裝荷載及自重等。
屋面結(jié)構(gòu)一般采用有檁體系,屋蓋支撐系統(tǒng)的布置需保證結(jié)構(gòu)的空間工作、整體剛度和穩(wěn)定性,能有效的傳遞風(fēng)荷載、吊車水平力和地震作用力等。縱橫向支撐和垂直支撐中的交叉斜桿以及柔性系桿按拉桿設(shè)計;非交叉斜桿、橫桿以及剛性系桿按壓桿設(shè)計。
在節(jié)點處所有桿件的幾何軸線應(yīng)盡量匯交于一點,如構(gòu)造上確有困難也應(yīng)力求減少偏心值,并考慮其偏心影響。
墻體結(jié)構(gòu)若采用墻梁,須驗算墻梁的強度與穩(wěn)定性。
主要承重受力構(gòu)件的壁厚不宜小于1.5框架梁柱構(gòu)件的壁厚不宜小于3.0nm鋼結(jié)構(gòu)的板件厚度較小,抗腐蝕是一個不可忽視的問思。有條件時可采用耐候碳素結(jié)構(gòu)鋼和篼耐候性結(jié)構(gòu)鋼。
單層鋼結(jié)構(gòu)其主要橫向受力框架的梁柱構(gòu)件應(yīng)優(yōu)先采用實腹式構(gòu)件,如焊接H型鋼,對柱子可采用寬翼緣H型鋼,對梁可采用窄翼緣H型鋼。
當(dāng)門式鋼架的側(cè)向剛度可滿足使用要求時,宜采用柱腳與基礎(chǔ)鉸接。當(dāng)水平荷載較大,檐口標(biāo)篼較離或有較高的側(cè)向剛度要求時,方采用剛接。
不設(shè)吊車,僅設(shè)懸掛吊車或僅設(shè)有起重童不大于5t的非重級工作制吊車時,柱間支撣宜采用整根型鋼,支撐與中間交叉點節(jié)點板及兩端節(jié)點板應(yīng)牢固焊接。實腹式框架梁的下翼緣受壓時,在受壓翼緣處布置偶撐作為梁的側(cè)支撐,偶撐的一端連接在條上。
六.結(jié)門式鋼架通過近幾年的開發(fā)和應(yīng)用已具有較完善的體系,同時配以設(shè)計軟件,使其鋼結(jié)構(gòu)尤其門式鋼架結(jié)構(gòu)能隨工程實際迅速、準(zhǔn)確地出圖,避免了傳統(tǒng)的設(shè)計制圖方式,也使鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計、制圖、加工和安裝過程中更具規(guī)模和系統(tǒng)化。隨著鋼結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)的開發(fā)將日益廣泛。