浅谈轻型钢结构的设计中的应用

浅谈轻型钢结构的设计中的应用

发表时间：2016-09-01T09:01:27.697Z 来源：《低碳地产》2016年第10期作者：何燕

[导读] 结构工程师在设计过程中，应不断提升专业素质，把轻型钢结构设计做得更安全、更合理、更经济。

何燕

广西天艺建筑设计有限公司广西南宁 530022

【摘要】伴随着我国建筑业的高速发展，轻型钢结构建筑逐渐较多地进入人们的视野，在轻钢结构设计过程中，如何选用合理的参数和构造形式，实现更合理的技术经济性能，是设计人员所需要考虑和深入研究的问题，本文从设计角度对轻钢结构计算参数及连接构造等问题进行分析总结。

【关键词】钢结构；轻型；性能特点；计算分析；连接构造

伴随着我国建筑业的高速发展，轻型钢结构因其建筑平面设计有较大的灵活性，并且可采用较大的柱距来提供较大的使用空间等优势，不仅在工业建筑中得到广泛的应用，而且在一些附属建筑设施，如造型新颖独特，屋盖自重较轻的公共建筑，或者与混凝土框架结合形成大跨度共享空间的屋盖体系等方面也发挥其特长，应用日益深化，逐渐较多地进入人们的视野。

轻型钢结构，首先是钢结构，而“轻型”从结构概念上讲是指结构承受相对较轻的荷载，结构型式包括轻型钢架结构和轻型钢框架结构。在轻钢结构设计过程中，如何选用合理的参数和构造形式，实现更合理的技术经济性能，是设计人员所需要考虑和深入研究的问题，本文从设计角度对轻钢结构计算参数及连接构造等问题进行分析总结，与同行共同商榷。

一、轻型钢结构技术性能特点

1、钢结构材料轻质而高强，显著减轻自重。

在设计工作中，为保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性。Q345和Q235钢相比，屈服强度提高了45%左右，因此当结构构件截面由强度控制并有条件时，优先选用Q345钢，而构件截面由刚度控制时，优先选用Q235钢。

2、钢结构钢材在具有高强度的同时，还具有高延性，高韧性。

按《抗震设计规范》规定，弹性计算阶段层间位移限值，以框架结构为例，对于钢筋混凝土结构规定为h/550，而对于钢结构则可放宽到h/250，两者相差2.2倍。可见在地震作用下，由于钢结构有良好延性的优势特征，不仅因吸能而减弱地震作用，而且属于较理想的弹塑性结构，具有良好的强震变形能力。同时优质结构钢的屈强比均可达到1.2以上，更保证了钢材延性能力的发挥。

3、建筑平面设计有较大的灵活性

轻钢结构便于大柱网、大开门和提供较大共享空间等特殊平面布置，更好地满足建筑对大空间、独特造型、美观大方的设计要求，同时轻钢结构在设计大跨度时，有明显的经济效益。

二、轻钢结构整体计算分析的一般原则

轻型钢结构与钢筋混凝土结构相比，在结构体系，内力分析和设计程序上有很多共性，但由于材料不同，在结构形式、构件计算、构造处理方法等方面又有显著的差别，因此，轻型钢结构又具有自己的特点，包括以下几个方面：

1、结构的阻尼比

结构的阻尼比，是反映结构内部在动力作用下相对阻力情况的参数。通常，结构整体刚度越柔，阻尼比取值越小。不同的钢结构体系都有着不同的地震和风荷载阻尼比，不同的阻尼比对设计结果会产生较大影响。

根据《抗震设计规范》8.2.2条规定，“钢结构抗震计算的阻尼比，多遇地震下的计算，高度不大于50m是可取0.04”；根据《荷载设计规范》8.4.4条规定风荷载作用下“结构阻尼比，对钢结构可取0.01，对有填充墙的钢结构房屋可取0.02”。

2、楼（屋）面板对梁的约束能力弱

现浇楼板在采用刚性楼板假定时，楼板作为梁的翼缘，是梁的一部分，在结构分析时考虑了混凝土塑性变形内力重分布，考虑了楼板对梁的扭转的约束作用及楼板对梁的刚度的贡献。而轻型钢结构屋面通常由轻型屋面材料、檩条等组成，其连接构造和连接方式，不能达到刚性楼板假定的要求，因而轻型钢结构在梁端负弯矩调幅、梁扭矩折减和中梁刚度放大几个参数的输入上，与混凝土框架结构不同，均不能考虑楼板的有利作用；另外，钢框架结构的翼缘、腹板和加劲肋均较薄，梁柱节点并非理想的刚性节点，在框架梁柱节点域实际存在剪切变形，这种剪切变形会使钢框架产生不容忽视的水平位移，因此，钢框架结构节点域通常不作为刚域考虑。

3、考虑P-Δ效应

稳定问题是钢结构设计必须考虑的关键问题之一。由于钢框架在水平荷载作用下容易产生较大的水平位移，导致竖向荷载对结构产生附加内力，使结构的水平位移进一步增加，从而减低结构的承载力和整体稳定性，这种现象称为P-Δ效应，是重力二阶效应的重要组成部分。而计及二阶效应的结构极限承载力计算是稳定分析的主要内容，因此《抗震设计规范》8.2.3条规定，钢结构应考虑P-Δ效应，“应计入重力二阶效应”。

根据理论分析和实例计算，只要将结构的层间位移、柱的轴压比和长细比控制在一定范围之内，就能控制二阶效应对结构极限承载力的影响。

此外，如结构周期折减系数、活荷载不利布置等参数，需要根据项目的具体情况进行考虑。着重构件应力比和挠度的控制，梁的应力比控制在0.8~0.9，柱应力比在0.85以下，同时满足挠度的要求，进行多种核算，对比分析，得出安全、合理、经济的计算结果。

三、为了使计算与实际相符，尚需满足基本构造和具体构件连接构造要求

（一）、钢结构梁柱连接的构造形式：

1、梁柱刚性连接设计

1）、梁柱刚性连接的构造形式有三种：全焊接链接，栓焊混合连接，全栓接连接。

梁柱连接节点主要验算内容：梁柱连接的承载力、柱腹板的局部抗压承载力和柱翼缘板的刚度，以及梁柱节点域的抗剪承载力常用设计计算原则为翼缘和腹板分别承担弯矩和剪力，计算容易，结果偏于安全。但是事实上，根据钢结构梁柱刚性连接节点的抗震设计和节点设计，不做任何处理地将钢梁与钢柱进行栓焊等强连接是很难达到强节点弱构件的设计要求，对加强式节点设计具体做法主要