試論工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中輕鋼和重鋼的差異

沈夕淵

江蘇興港建設(shè)集團有限公司 江蘇 張家港 215600

隨著建筑事業(yè)的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑形式在工業(yè)廠房當(dāng)中占據(jù)了重要地位，很多從業(yè)人員對鋼結(jié)構(gòu)的使用進行了深入研究，且分析兩者之間存在的差異。文章在具體的分析過程當(dāng)中，闡述兩者本質(zhì)上的差異，以及在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中的使用。對于工業(yè)建筑而言，使用鋼結(jié)構(gòu)形式必不可少，具體使用過程當(dāng)中科學(xué)的使用輕鋼與重鋼組合，才可以保證建筑的整體質(zhì)量。

1.對工業(yè)建筑設(shè)計當(dāng)中輕鋼和重鋼的認(rèn)識

1.1 輕鋼結(jié)構(gòu)的認(rèn)識

基于《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》當(dāng)中的規(guī)定，針對輕鋼的認(rèn)識，輕鋼結(jié)構(gòu)是承重結(jié)構(gòu)為單跨式結(jié)構(gòu)或者是多跨實腹門式剛架結(jié)構(gòu)，其中廠房行車的起吊重量小于等于20T，對單梁吊車起吊重量并沒有限制,實際上單梁吊車的起重額最大數(shù)值不會超過5T，當(dāng)配合進口電動的吊車起吊，起重額的數(shù)值能夠達到10T。因此規(guī)范對于單梁吊方面，并沒有提出明確的噸位限制。且門式剛架的檐口高度不大于18m,高寬比小于1，采用輕型屋面，也就是說滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的實腹門式剛架結(jié)構(gòu)可以認(rèn)定為輕鋼結(jié)構(gòu)。

除了單層工業(yè)廠房通常采用的門式剛架外，對輕鋼結(jié)構(gòu)類型的劃分，也可按照受力構(gòu)件截面的區(qū)分，比如冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)屬于輕鋼結(jié)構(gòu),方鋼管，圓管和小截面角鋼等組成的結(jié)構(gòu)也歸屬于輕鋼結(jié)構(gòu)范疇內(nèi)，而且上述內(nèi)容當(dāng)中各種構(gòu)件組成的格構(gòu)式構(gòu)件也被稱為輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

判斷結(jié)構(gòu)是否是輕鋼結(jié)構(gòu)，也可以通過一些參數(shù)指標(biāo)進行具體的判定。比如輕鋼結(jié)構(gòu)的最大跨度不會超過36m，以及輕鋼結(jié)構(gòu)的含鋼量限值為45～50kg/m2，如采用H型構(gòu)件；鋼板厚度通常不會超過12mm，廠房行車的起吊重量不會大于25T，另外每平米的工程造價，最大構(gòu)件的重量，結(jié)構(gòu)的最大跨度等數(shù)據(jù)實際判斷過程中可以將這些數(shù)據(jù)作為主要判斷依據(jù)。

1.2 重鋼結(jié)構(gòu)的特征

在各種規(guī)范與技術(shù)文件當(dāng)中，針對重鋼的概念并沒有明確提出以及具體劃分，人們當(dāng)前對重鋼一詞的概念，主要是由于對輕鋼結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，以及通過輕鋼而衍生出重鋼這種與之對立的詞性進行區(qū)分。重鋼結(jié)構(gòu)通常運用在大型建筑，高層建筑與廠房當(dāng)中，比如大量冶金廠房、發(fā)電廠房等，由此可以看出，重鋼是之于對輕鋼結(jié)構(gòu)概念提出來的一種能夠區(qū)分的衍生概念，相對于輕鋼結(jié)構(gòu)，一般鋼結(jié)構(gòu)稱為“普鋼”。普通鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實生活當(dāng)中的使用范圍非常廣，比如現(xiàn)實生活當(dāng)中不同結(jié)構(gòu)形式的鋼結(jié)構(gòu)的使用、以及鋼與混凝土的混合結(jié)構(gòu)等，都囊括在普鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)。之前我們闡述過通過數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)特征區(qū)分輕鋼結(jié)構(gòu)，這里簡要闡述一下與輕鋼結(jié)構(gòu)相比重鋼結(jié)構(gòu)的特征：通常廠房行車起吊重量不低于25T，其吊車數(shù)量要兩臺以上；或者單位面積鋼材的用量超過輕鋼結(jié)構(gòu)的限值，主要構(gòu)件鋼板厚度普遍大于12mm，在工業(yè)建設(shè)廠房當(dāng)中的使用高度超過18m,或者結(jié)構(gòu)開間超過9m。

在一些特殊的公共建筑當(dāng)中，還有一類鋼結(jié)構(gòu)形式與輕鋼和重鋼有一定的區(qū)別，這在以下建筑當(dāng)中使用比較普遍，比如大型展覽會場、體育場所等使用的鋼結(jié)構(gòu)使用體系很難用上文所提到的輕鋼結(jié)構(gòu)和重鋼結(jié)構(gòu)的區(qū)分方法來判斷。因為這一類建筑對空間跨度要求非常高，單位面積的用鋼量可能屬于輕鋼結(jié)構(gòu)的范疇，但是單個構(gòu)件的截面尺寸確是和重鋼結(jié)構(gòu)相當(dāng)，這些鋼結(jié)構(gòu)某幾項數(shù)據(jù)符合輕鋼結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，但應(yīng)屬于重鋼結(jié)構(gòu)范疇，如果是非工業(yè)類建筑的區(qū)分，最好以結(jié)構(gòu)類型進行劃分為好。

2.輕鋼與重鋼在工業(yè)建筑當(dāng)中的使用

2.1 結(jié)構(gòu)分析

工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房基本上都采用輕型鋼結(jié)構(gòu)作為支撐性構(gòu)件，比如當(dāng)前使用最為頻繁的熱軋輕型型鋼、圓及角鋼，其中的維護結(jié)構(gòu)大部分都采用輕質(zhì)壓型鋼板或夾心板。在實際運用過程當(dāng)中，普通廠房的建筑規(guī)模非常大，在具體使用過程當(dāng)中，除了使用輕鋼結(jié)構(gòu)之外，也包括多層鋼框架結(jié)構(gòu)，或者帶支撐的鋼框架結(jié)構(gòu)等。房屋主鋼架結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計當(dāng)中需要設(shè)計人員重點考慮的問題，尤其是多層鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，多層鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計十分復(fù)雜。在具體設(shè)計過程中，可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行具體的了解，按照其規(guī)范進行。

2.2 工程分析

某建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，工業(yè)廠房跨度為30m、跨距7.2m,總面積為2160m2，在設(shè)計當(dāng)中，主剛架采用焊接H型鋼，鋼梁劃分為四段拼接，如果使用熱軋H截面構(gòu)件來作為屋面梁，因規(guī)格的限制，很難滿足大跨度鋼梁的截面需求。采用焊接H型鋼的設(shè)計方式操作性非常強可以根據(jù)設(shè)計需求選擇腹板和翼緣的尺寸，實用性極強，比如在此案例的車間設(shè)計當(dāng)中就選擇這種鋼梁，使用PKPM程序的門式剛架模塊設(shè)計建模，使用變截面焊接H型鋼作為廠房柱，變截面焊接H型鋼作為廠房梁。前期鋼梁為等比例變截面設(shè)計，各段鋼梁應(yīng)力比不平均，部分鋼梁截面浪費，經(jīng)濟性不佳，通過彎矩包絡(luò)圖調(diào)整鋼梁截面，各段鋼梁根據(jù)實際受力采用不同的變截面坡度，使得各段鋼梁應(yīng)力比接近，達到較好的經(jīng)濟性。

因此通過軟件進行分析之后可知，梁跨中彎矩較小，可以減小腹板的高度，梁柱連接處彎矩較大應(yīng)增加腹板高度，通過調(diào)整截面高度來達到具體要求，在這個過程中需要注意保證鋼梁的平面內(nèi)及平面外的穩(wěn)定性。在具體的設(shè)計過程中，通過對軟件提供數(shù)據(jù)進行具體分析，技術(shù)人員應(yīng)嘗試不同的截面組合，采取最高效的設(shè)計方案，保證結(jié)構(gòu)安全性與穩(wěn)定性的同時，同時降低鋼材的使用量，整體上降低了施工成本。同時在設(shè)計過程當(dāng)中，為了提高工作效率設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)經(jīng)驗確定屋面梁高度，一般具體為跨度的10%～15%，大跨度梁由于需要承擔(dān)更高的重量，因此需要使用輕鋼來降低屋面的負(fù)荷，主剛架之間的支撐構(gòu)件也采用輕鋼構(gòu)件進行連接。為保證建筑整體的穩(wěn)定性與可靠性，滿足豎向荷載及風(fēng)荷載的承載力要求，主剛架的設(shè)計其實與重鋼結(jié)構(gòu)并無不同。在實際設(shè)計過程中，根據(jù)受力要求靈活搭配輕鋼結(jié)構(gòu)與重鋼結(jié)構(gòu)，合理控制鋼材的用量。

2.3 工程節(jié)點

重鋼與輕鋼在節(jié)點連接上也有區(qū)別，節(jié)點設(shè)計在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中是非常重要的一環(huán)。在具體設(shè)計過程中輕鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件質(zhì)量比較輕，材料厚度比較薄，而且整體承載能力也不高，因此輕鋼結(jié)構(gòu)連接多用普通螺栓連接，或者焊接的方式。對于普鋼結(jié)構(gòu)，因構(gòu)件承載能力較強，因此節(jié)點受荷較大，在設(shè)計的時候通常都選擇使用高強螺栓進行節(jié)點連接，可以有效傳遞節(jié)點間的彎矩和剪力，普通螺栓只是在安裝時起到定位作用，并不參與最終的受力；普鋼結(jié)構(gòu)根據(jù)節(jié)點的支座要求選擇不同的連接方式，鉸接節(jié)點通常使用全螺栓連接，剛接節(jié)點可以選擇全螺栓連接，全焊接連接，或者螺栓與焊接相結(jié)合的方式，無論是輕鋼結(jié)構(gòu)還是重鋼結(jié)構(gòu)，都是根據(jù)節(jié)點的受力情況選擇合適的連接方式，這一原則是一致的，這種設(shè)計方式不僅僅節(jié)省建造成本，而且還可以保證工程師對于結(jié)構(gòu)概念設(shè)計以及傳力路徑得到實現(xiàn)。

3.具體使用建議

鋼結(jié)構(gòu)廠房溫度伸縮縫需要合理控制，鋼材相較于混凝土對溫度更加敏感，焊接溫度變化引起的殘余應(yīng)力；溫差變化引起的鋼結(jié)構(gòu)的彈性或塑性變形以及溫度升高引起的鋼材力學(xué)性能下降都是影響鋼結(jié)構(gòu)廠房性能的關(guān)鍵因素，影響到建筑結(jié)構(gòu)的安全性。在具體設(shè)計過程中，針對鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計，尤其是單層大跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房，在設(shè)計方面需要考慮鋼結(jié)構(gòu)廠房的功能，選擇規(guī)則合理的結(jié)構(gòu)布置；合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度，優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)廠房當(dāng)中的支撐系統(tǒng)布置，將柱間支撐盡量布置在建筑兩端等措施來消除溫度的影響。在實際施工當(dāng)中，建筑施工當(dāng)中的振動設(shè)備造成的結(jié)構(gòu)主體穩(wěn)定性、高位吊裝，大跨度，輕鋼屋面安裝等是工程施工當(dāng)中的難點；施工過程中還需要重視鋼結(jié)構(gòu)廠房的屋面部分，屋面的重點是做好廠房屋面防水工作。輕鋼結(jié)構(gòu)施工當(dāng)中，還需要做好廠房保溫設(shè)計、隔溫設(shè)計，出于鋼材本身的性能特征，鋼材具備良好導(dǎo)熱性能，以及輕鋼結(jié)構(gòu)本身的氣密性較差的特點，鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中需要對節(jié)點做好隔熱處理，最大程度滿足工藝和使用要求也可以降低溫差變化對鋼結(jié)構(gòu)造成的影響，降低能源的消耗。溫度的升高對于鋼材的力學(xué)性能會造成很大的影響，一般情況下鋼結(jié)構(gòu)表面溫度大于150攝氏度，則需要做好隔熱、防火方案，比如可以使用鋼結(jié)構(gòu)件外包耐火磚，或者是使用混凝土等硬質(zhì)防火材料來提高隔熱性能；同時使用厚涂型防火涂料來完善防火設(shè)計。

結(jié)語：綜上，我國處于可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略重要轉(zhuǎn)折階段，人們在建筑施工當(dāng)中紛紛鼓勵使用耗能低且效率高的新型環(huán)保材料，當(dāng)前這些材料已經(jīng)席卷市場，成為市場當(dāng)中熱點，在具體設(shè)計當(dāng)中一定要全面多角度的分析考慮，選擇合理的方式使用。