维普资讯 http://www.cqvip.com 中国燕纯含 ．ｃｌ越 专题论述 轻钢结构特点及其发展趋势 浙江工业大学 杭州大地网架制造公司 居荣初 杭金衢高速公路萧山指挥部 陈音飞 温州市永嘉建筑设计院邵雄飞 一、引言 焊接连接作为梁柱，以ｃ形或ｚ形轻钢板作檩条， 屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面 可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也可 以再配钢筋。墙面围护也可采用单层或夹层压型钢 板，夹层板内部可充填各种保温层。 ２．主要优点 自进人２０世纪９０年代以来，我国钢结构建筑 的发展十分迅速，特别是一些代表城市标志性高层 建筑的建成，为钢结构在我国的发展揭开了新的一 页。如世界第三高的上海８８层、高４２０ｍ的金茂大 厦业已竣工，现已投人运营。据称世界第一高度的 （１）施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有 上海浦东环球金融中心，９５层高４６０ｍ，建筑面积 为３ｌ万ｍ２，现正在加紧建设中。由外商投资的大 构件均可以由工厂制作现场拼接安装，对一般规模 较小的工业厂房仅需４５天至２个月，而若采用钢 筋混凝土建筑则要８～ｌ２个月左右。 连总统大厦，正在加紧筹建，共９５层，据称建成 后其高度将名列世界前茅。 轻钢结构的发展更是如火如荼，特别在工业厂 房的建设中则更为迅猛。从钢结构制造和施工企业 （２）综合经济效益好：施工周期短，可以提前 投人使用，提前获取投资效益；采用色彩鲜艳的彩 色压型钢板，美观华丽，改善了周边环境的动态 感；建筑物本身的自重轻，一般情况下不需要做桩 基，可以节省投资；由于采用了聚苯乙烯泡沫夹心 板或单板加保温棉等措施后，使保温、隔热和隔音 等效果良好。彩色钢板是以镀锌为基板又用硅酮作 为表面，经两除两烘加工而成，耐久性也较好，根 数量的大幅增长就可窥见一斑，如上海市的钢结构 制造和施工单位已由原来的几十家一下子发展到现 在的４ＯＯ多家，单上海的宝钢地区就有近百家的钢 结构制造厂…。大好形势下，如何因势利导，抓好 设计和施工质量，这是当前一个十分迫切的问题。 本文拟就轻钢结构的优点、材料选择和设计中的注 意点、塑性设计及腹板屈曲后强度的利用和蒙皮效 据目前我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于 钢筋混凝土结构，当厂房的跨度越大时，其优势更 为明显，这也是竞争的一大优势。 （３）抗震性能好：由于钢结构属于柔性结构、 自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程 度，极有利于抗震。我国是一个多地震区国家，在 地震区建筑中应多多推广应用钢结构，必可大大减 应等作一概略介绍，利于读者对轻钢结构有一个比 较全面的了解。 二、轻钢结构及其适用范围 所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结 构：①冷弯薄壁型钢结构；②热轧轻型钢结构；③ 焊接或高频焊接轻型型钢结构；④轻型钢管结构； ⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结 构。 １．适用范围 少地震灾害和人员伤亡，唐山地震的惨痛教训应予 牢记。目前，天津市已正式启动轻钢结构住宅。 （４）宜于拆卸搬迁：一旦业主对所造厂址不满 意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可 在很短时间内拆迁，损失极小，而这是钢筋混凝土 建筑所无法具备的。 根据我国目前情况来看，这种结构由于其用途 广、优势明显，已大量应用于单层工业厂房、多层 工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件 等。对单层工业厂房而言，通常以Ｈ形钢，采用 第９期 正是由于轻钢结构的诸多优点，而且随着近年 来防火、防腐新产品的不断出现，已较好地解决了 轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房以 １５ 维普资讯 http://www.cqvip.com 专题论述 中国燕气金 ．ｃ‘越 及民用设施中获得了广泛的应用。 或构件，按承载能力极限状态设计时，应采用荷载 三、材料选择和设计中的注意事项 的设计值，考虑构件截面内塑性的发展及由此引起 的内力重分布，用考虑Ｐ—Ａ效应的塑性铰理论或 轻钢结构作为普通钢结构的衍生结构，其基本 简单的塑性理论进行内力分析。按塑性设计时，钢 计算理论和后者基本相同。详细隋况可参见上海市 材和连接的强度设计值应按规程的有关条款规定的 标准ＤＢＪ０８—６８—９７《轻钢结构设计规程》和中国 数值乘以折减系数０．９。塑性设计截面板件的宽厚 工程建设标准化协会标准ＣＥＣＳ１０２：９８《门式钢架 比也应符合有关规定。 轻型房屋钢结构技术规程》，这里仅着重强调几点： 门式框架“工”字形截面构件的腹板允许考虑 １．在用材上应优先采用“Ｈ”形钢，它受力合 屈曲后程度，下面我们试通过单向受压四边简支板 理，拼接方便，加工容易。对于承重结构宜用 屈曲后的中面应力分布情况来说明为什么板屈曲后 Ｑ２３５钢和低合金钢中的１６Ｍｎ、１５ＭｎＶ或１５ＭｎＶ 仍能继续承载，且承载力还能显著提高。见图１， 钢，但需注意Ｑ２３５一Ａ钢的含碳量不作为交货条 板屈曲后只要板的四边保持直线，则载荷边的压应 件，可焊性无保证，故不宜采用作焊接结构。对于 力分布为非无均匀分布，两边应力较高，中间应力 板厚大于２５ｍｍ的梁翼缘与柱，现场焊接的梁柱节 较低；非载荷边产生垂直于边线的应力，其中部为 点不宜用Ｑ２３５一Ｂ．Ｆ，应尽量选用Ｑ２３５一Ｂ．Ｆ或 拉应力。由于拉应力的作用限制了板屈曲变形的发 Ｑ２３５一Ｂ．ｂ，对于特别重要结构直选用Ｑ２３５一ｃ或 展，提高了板的刚度，因而板屈曲后仍能继续承 Ｑ２３５一Ｄ。 载。卡门最先提出了有效宽度的概念，即将板件受 ２．对厚度为１７～４０ｍｍ的Ｑ２３５钢的设计指标 压边马鞍形应力分布图用二块等效的应力图形代替 比现行ＧＢＪ１７—８８《钢结构设计规范》中的规定值提 （图２）等效应力图形的应力水平为 于是有Ｐｌ ＝ 高５ＭＰａ（上海标准），焊缝强度也作了相应调整。 ３．考虑了技术进步因素，将主要受力构件的 ｆ，ｂ ￡及 ＝ｊ （ ）ａｘ 壁厚调小了，即在现行ＧＢＪ１８—８７《冷弯薄壁型钢 式中：Ｐ１。为板的极限承载力： 为钢材的屈服 结构技术规范》中的主要受力构件的壁厚不小于 强度；ｂｅ为有效截面宽度；ｔ为板件的厚度。 ２ｍｍ调整为不小于１．５ｍｍ，框架梁柱构件不小于 ３ｍｍ。 ４．在风荷载作用下，门式刚架的侧移按ＧＢＪ１８ —８７《冷弯薄壁型钢结构技术规范》规定为柱顶高 度的１／１５０。但在这２个规程中均作了细化规定并 作相应调整，但具体数值不尽相同。设计者在使用 时宜予以注意。 ５．在设计刚架、屋架和檩条等时，应考虑由 风吸力作用所引起构件内力变化的不利影响，此时 永久荷载分项系数取为１．０。这一规定主要是考虑 图１ 四边简支板屈曲后中面应力分布 到当设计的刚架、屋架、檩条在屋面材料较轻的情 况下，若受风吸力作用，构件内力将会变号，会出 现拉杆变为压杆的情况。在内力变号时永久荷载起 减载作用，若仍将永久荷载分项系数取为１．２，则 会造成结构可靠度的降低，导致不安因素。 四、结构或构件的塑性设计及腹板屈曲后强度 轻钢结构允许采用塑性设计，但仅适用于不直 接承受动力荷载的固端梁、连续梁以及由实腹构件 组成的单层和２层框架结构。采用塑性设计的结构 图２有效宽度 Ｉ６ ２００２血 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国燕气金 ．ｃ‘钍 专题论述 当Ｐｌ 通过理论分析和实验确定后，就可用有 效宽度来表达受压板件屈曲后极限强度，并进而采 用有效截面来考虑板件局部屈曲的影响。利用板屈 曲后的强度进行结构设计最早见于飞机结构中，因 为飞机结构设计是在保证一定可靠度的前提下以减 轻结构重量为目标。在普通房屋建筑钢结构设计中 一般不允许板件产生局部失稳。而冷弯薄壁型钢， 图３蒙皮支撑的轴压柱 图４荷载偏心的正向规定 其特点之一就是壁薄，壁厚不大于６ｍｍ，以极少的 材料加工成为宽展的截面，以提高构件的截面刚度 美国的设计规范引进了蒙皮支撑的设计方法。 和整体稳定承载力，为此，不得不突破钢结构设计 我国《冷弯型钢受力蒙皮结构设计规范》尚在编制 规范（ＧＢＪＩ７—８８）中对板件宽厚比限值的规定， 中。 允许板件产生局部失稳，进而利用屈曲后强度的提 假设在蒙皮的支撑作用下，构件在荷载作用下 高。 没有弯曲变形、没有截面的扭转而仅有轴向压缩变 轻钢结构门式刚架是主要的承重结构，一般是 形，则我们称蒙皮可为构件提供完全支撑，此情况 采用实腹型变截面的柱和梁组成。门式刚架的形式 下的屈服压力记作Ｉ）ｖ，则 可以单坡、双坡和多坡，多跨建筑的中间柱多采用铰 ＝接的摇摆柱。门式刚架工字截面钢构件中腹板以受 Ａｆ， 剪为主，抗弯作用不如翼缘有效，增大腹板的高度， 式中：Ａ为构件截面面积，ｆｖ为构件材料的屈 可使翼缘抗弯能力发挥得更为充分。但是，在增大 服强度。 腹板高度的同时，如果厚度增之过大，则腹板耗钢量 为考察各种因素对蒙皮支撑构件性能的影响， 太多，也是不经济的。因此，先进的设计方法是采用 对该非线性问题用有限元法，取如下构件作分析对 高而薄的腹板，按有效截面概念设计，这种设计虽然 象，构件外形尺寸为１６０ｍｍ×５０ｍｍ×２０ｒｍｎ× 会引发腹板屈曲，但板件屈曲不等于承载能力丧失， ２．７５ｍｍ的冷弯薄壁卷边ｃ形槽钢，如图４所示， 而是还有相当可观的屈曲后强度可以利用。在主要 材料屈服强度为 ＝２７０ＭＰａ，假定荷载的初始偏 为均布荷载起控制作用的结构中，在受冲击、疲劳、 心为构件几何长度的１／１０００，构件长度为３．６０ｍ， 振动等荷载的条件下，可充分利用结构受力板件的 两端铰接。如图４中的压型钢板与构件用自攻螺钉 屈曲有效截面来分析压弯杆件腹板的稳定性，从而 相连。当压型钢板之间无连接件时蒙皮抗剪刚度为 使其腹板高厚比限值可以大幅度提高。根据天津大 ＱＬ，图５和图６为当荷载偏心距ｅ ＝Ｌ／１０００，ｅｚ＝ 学所作的试验证明，当荷载超过理论计算的屈曲临 Ｌ／１０００时，对应于不同的蒙皮抗剪刚度值Ｑ，计算 界荷载很多时腹板才呈现凸曲变形，且凸曲变形都 了构件跨度中截面转角及剪心的位移，从图中可以 不大，故适当利用屈曲后强度是可行的。 看出蒙皮抗剪刚度的变化，并未使构件跨中截面的 转角有太大的差别。这说明蒙皮抗剪刚度的增大， 五、蒙皮效应 并不能增大对构件扭转的约束作用。但是蒙皮抗剪 压型钢板因其重量轻、强度高、外形美观、安 刚度的增大，却能有效地减小构件的侧向变形。必 装便捷等优点而广泛应用，国外不仅用于工业厂 须指出：以上的结果是在不考虑蒙皮对构件提供的 房，且很多民用建筑也用它做屋面板和墙板等围护 扭转约束，即令扭转约束值Ｆ：０时所得出的结果。 结构。所谓蒙皮效应是指压型钢板在其平面内的抗 Ｆ值的因次为Ｎ・ｒａｍ／（ｉｎｌ／１・ｒａｄ）。但实际结构中蒙 剪能力，可称为受力蒙皮作用。如将压型钢板与构 皮总是可以为构件提供不同程度的扭转约束作用， 件进行可靠连接，则此蒙皮效应可使围护结构同时 如不考虑这一有利因素，势必会使计算结果过分保 成为结构的重要组成部分，参与整个结构体系工 守，试验和计算结果都表明，蒙皮为构件提供的扭 作，为与之相连的受压、受弯压构件提供连续侧向 转约束作用可有效地减小构件的扭转变形，显著提 支撑，从而提高这种构件的刚度及稳定承载力，如 高轴压构件的稳定承载力。通过理论计算所得出的 图３所示。 蒙皮对构件影响示于图７和图８。其Ｆ，：１４３７．２Ｎ・ 第９期 １７ 维普资讯 http://www.cqvip.com 专题论述 中国燕免金属１ｃｌ戤 六、结语 。ｌ１ＩＩｌ／（ｎｕｎ・ｍｄ）是由试验确定 。 ８０ 当前，我国钢结构（含轻钢结构）发展的形势 ￡山 ６０ 很好，我国钢结构年产已超过１亿吨，可以预言， 镉 退＿匡 ４０ ２１世纪将是钢结构快速发展时期，长期以来，由 混凝土结构、砌体结构一统天下的格局将被打破， 从事钢结构制造的施工企业前景宽阔，各建筑设计 院也面临着新的机遇和挑战。但是，以下几点仍需 一０ —１０ —１５ —９２．Ｏ 一２ｊ 譬 ２Ｏ Ｏ 截面转角‘Ｐ（。） 图５轴力一转角关系曲线 各方加以重视。 １．应加大推广钢结构建筑的宣传力度 目前，钢结构行业的竞争非常激烈。这种竞 争，不仅来自各行业、各企业之间，更重要的还来 自于钢结构和钢筋混凝土结构这两种建筑之间的竞 争。日本等发达国家，钢结构建筑要占整个建筑的 ５０％以上，而我国只占５％还不到，差距甚远。 对于钢结构与混凝土结构的造价问题，应有一 个全面、综合的认识，不能笼统地认为钢结构造价 比混凝土贵，从而排斥于比较方案之外，这一点对 广大设计人员尤为重要。事实上一个高层建筑的工 程总投资、包括工程造价、动迁费、征地费等方 图６轴力一侧向变形关系曲线 一。面，工程造价只占工程总投资的５０％。而工程造 ∞ 价又包括结构造价、装饰费、设备费等，结构造价 只占工程造价的３０％左右。而结构造价又分上部 ＼ …一一Ｆ＝Ｆ。 ‘…一一Ｆ；Ｏ．ＳＦ － 一…一・Ｆ ；０．１Ｆ 一一．＼ 、．结构和基础造价，上部结构造价仅占基础造价的 ５０％～７０％。而钢结构只是指工程的上部结构，在 ＼ ‘．Ｆ—Ｏ ～’Ｉ 工程总投资中仅占１０％还不到。因此，高层建筑 ～ 、’ ．‘ 一 １． 、 采用钢结构与采用混凝土结构间的差价所占工程总 投资的比例将更小，一般不到工程总投资的４％。 ． ． 如果再考虑到采用钢结构因其自重轻，基础造价 低；因其强度高，可增加建筑有效使用面积；施工 图７荷载一截面扭转角关系曲线 速度快及抗震性能好等诸多优点，那么钢结构的优 势是不言而喻的。 ２．推广应用住宅钢结构应提到重要位置 一 Ｚ 建筑钢结构虽然发展很快，但在住宅领域还是 空白。全国每年要建数千万平方米的住宅建筑，但 采用钢结构的几乎没有。当然这和我国传统思想、 ～ —～．一镉 程 量 暴 一、．．・Ｉ 观念以及对钢结构的认识偏差有关。可喜的是，天 津市政府已率先决定于今年启动轻型钢结构建筑， 将建设１Ｏ万ｆｎ２的轻钢住宅，其示范效应将不可低 侧向变形ｖ（ｃｍ） ８荷载一剪心侧向位移关系侧向变形Ｕ（ｃｍ）曲线 估，希望各地有关职能部门及广大设计人员应有超 前意识，作出响应，对轻钢住宅建筑的发展作出应 有贡献。 ３．应积极提高各钢结构制造、施工企业、设 １８ ２００２血 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国燕纥金 １ｃｌ秣 计院所等技术人员的业务水平 题论述 项目、经费等方面予以重点支持；对于钢结构的住 我国在较长一段时间内，由于钢结构使用很 少，各设计院所、建筑企业大多从事单一的混凝土 结构工程的设计和施工。目前应大力加强和提高各 级技术人员的钢结构业务水平。应充分发挥各高等 宅建筑，在土地征用、税收等方面予以优惠，以降 低建设成本，使其更具市场竞争力；大力推广使用 国产钢材以此和钢铁生产企业形成良性循环。 参考文献 （１］付克祥．上海钢结构、网架结构行业发展状况．面向２ｌ 世纪的空间结构发展战略，厦门：１９９９． 院校、学术团体等举办钢结构技术讲座、规范培训 班等。 ４．发展钢结构要在政策上给予支持和倾斜 这种政策性的扶植应包括：在钢结构技术的发 （２］朱勇军等．影响蒙皮支撑柱静力性能的若干因素．哈尔滨 建筑大学学报，１９９８．５． 展上应将其纳入国家建筑技术发展规划，并在科研 ＰＶＣ型材老化问题探讨 王贵斌 塑料门窗在行业内全体人员的努力下经过几年 来的奋斗，目前已基本得到了人们的认可。作为一 项节能门窗被广泛采用，其普及率越来越高。然 而，对于我们国家这样一个地域辽阔的大国，分布 于热带、亚热带、温带、寒带的不同地域，光照强 一ｃｌ极性键及邻近受其能量活化的ｃ—Ｈ键，亚甲 一 ●＋ 基上的Ｈ带有诱导电荷６ｔ，易形成ｃ、Ｈ、ＨＣ１离 苣； 子络合状态，随后由于活化络合体中环状电子的转 一 移，脱去ＨＣ１同时在ＰＶＣ分子链中产生双键。双 ●键的形成，又可使邻近ｃｌ原子上的电子云密度增 Ｈ 大，产生西丙基氯的超共轭效应，促使脱ＨＣ１的反 Ｑ ●度、时间、湿度都决非一致。 塑料窗暴露于这样不同条件下，是否能满足各 地区的需要、适用于各种恶劣的条件，要我们业界 人士必须认真对待研究。从新疆、青海等地反馈的 一 一 应继续进行，以至产生双键和单键间隔相连的体系 一共轭双键体系。 反应的历程如下： 一苣； 一 ●信息看，那里的塑料窗在１—２年内普遍变黄，而 且黄得特别严重，也出现了粉化现象。塑料窗的老 Ｑ ＣＩ＂Ｉ２一ＣＩ＂Ｉ—ｃ 一ＣＩ＂Ｉ—ｃ 一ＣＩ＂Ｉ一加热 Ｉ Ｑ Ｉ Ｑ Ｉ Ｃｌ 加 热 化问题需要进一步研究，决不能把国外的配方简单 地搬过来使用。要根据我们自己的不同地区，研究 出不同的产品体系，使得塑料窗能够得以健康地发 展 一、ＰＶＣ的老化机理 一＋ ６－ ＣＩｔ２一ｃＨ一 Ｑ．…Ｈ 一 一Ｑｌ２一 一加热 研究塑料窗老化，首先从基体ＰＶＣ说起。聚 氯乙烯的老化比较复杂，往往同时进行的有几种化 ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｑ Ｉ Ｃｌ 学反应过程，既有ＨＣ１的分解脱出，又有氧化断链 与交联，此外还有少量芳构化和大分子Ｃ—Ｃ链断 离子络合状态 一ＯＨ２Ｉ－ＣＨ—ＣＨ—ＣＨ—ＯＨ２一ＣＨ一加热 ｉ ｉ Ｌ＿， 裂产生烃的反应过程。但分解脱ＨＣ１是导致ＰＶＣ 老化的主要因素，随着降解程度的加深，ＰＶＣ树脂 的颜色也在相应地变化，由白色一淡黄色一橘黄色 一ｊ ； Ｉ ａ Ｉ ｃｌ Ｑ一…Ｈ 橘红色一棕色。 １．降解脱氯化氢 活化络合体中环状电子的转移 一ＣＨ２一 ：ＣＨ一 一ＣＨ—ＣＨ一—＊Ｈ—Ｃ１ Ｉ Ｑ Ｉ Ｈ Ｉ Ｃｌ 在加工成型过程中，ＰＶＣ在被加热时，物料处 在高混配料或挤出压缩段之前，ＰＶＣ大分子中的Ｃ 第９期 １９
