轻型钢结构设计轻量化的主要途径

作者:韩方俊　男　1951年10月出生　高级工程师收稿日期:199904

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轻型钢结构设计轻量化的主要途径

韩方俊

(上海电子工程设计研究院　上海　200135)

摘　要:通过对已颁布的二本轻钢规程的学习,并结合工程实践,试论述轻钢结构,主要是门式刚架

设计轻量化的若干主要途径,包括塑性设计,工形截面腹板屈曲后强度利用,楔形构件和变截面构件的应用,把中柱设计成摇摆柱,考虑结构系统相互约束作用和蒙皮效应等。

关键词:轻钢结构　塑性设计　屈曲后强度　楔形构件　摇摆柱　蒙皮效应

MAIN METH ODS FOR L IGHTENING OF L IGHT 2WEIGHT STEE L STRUCTURE DESIGNS

Han Fangjun

(Shanghai Electronics Engineering Design &Research Institute Shanghai 200135)

Abstract :With the study of the two Regulations for Light 2weight Steel already published and combined with

the engineering practices ,this article has been written in an attempt to tackle the main methods leading to lightening of the light 2weight steel structures ,mainly the portal frames ,including the plastic designs ,the utilization of post 2buckling strength of I 2shaped cross 2section webs ,the application of tapered members and the variable cross 2section members ,the employment of rocking columns in multiple span frames and also considering the mutual restricted effect of the structural systems and the skin effect ,etc.

K eyw ords :light 2weight steel structure plastic design post 2buckling strength tapered member rocking

column skin effect

20世纪80年代末以来,国外的轻钢结构建筑逐步进入国内建筑市场。由于适应面广,用钢量小,构件工厂化生产,工地拼装简便迅速,施工周期短,因而在国内建筑市场中的应用越来越广泛。特别是门式刚架,造型简洁美观,在各类民用与工业建筑中适应性较强,跨度可小可大,单跨多跨可不同组合。多跨者可覆盖大面积的厂房、仓库和各类公共建筑,故其应用更为广泛。

但是,目前绝大多数轻钢结构建筑均为国外钢结构厂商设计并制造。国内自行设计

因无专门的轻型钢结构设计规范,而使设计

难以进行。这不但将广阔的市场拱手让给国外厂商,而且由于国外厂商对我国国情的把握程度不一,工程中也存在不少问题。基于这种状况,目前我国正在着手制定有关轻型钢结构设计规范。刚颁布的有,北京的《门式

刚架轻型房屋钢结构技术规程》

(CECS102:98),上海的《轻型钢结构设计规程》

(DBJ 08-85 Industrial Construction 2000,Vol 130,No 12

工业建筑　2000年第30卷第2期

68-97)。正在报批的有中国工程建筑标准化协会的《轻型房屋钢结构设计规程》。

1　轻型钢结构设计轻量化的若干主要途径轻型钢结构最突出的优点之一是用钢量小。统计各类结构形式及跨度,其用钢量一般在20～40kg/m2不等,比普通钢结构的用钢量大为减少。

111 减轻荷载和使用高强钢材

轻型钢结构建筑特别是门式刚架,大都采用防水、围护、装饰一体化的轻质多功能新型屋面、墙体材料———彩涂压型钢板(平均重量约011kN/m2);新型轻质保温材料———超细玻璃纤维棉毡(每m2重量几可忽略);轻巧的通风屋脊、排气扇、采光板等。所有这些材料、装置均形成一整套的系列化标准化配套产品,使用方便灵活,最重要的是使重力荷载大为减轻。

另外,承重构件普遍采用高强钢材,以减小构件截面,减轻结构自重。目前国内大都采用低合金高强度结构钢,如Q345钢。国外厂商也有采用抗拉强度标准值为365MPa 的。

112　选择合理的截面形式和连续支承构件由材料力学可知,截面材料越是远离截面形心,其截面惯性矩越大,因而构件的抗弯刚度和结构的抗侧刚度亦越大。

轻型钢结构建筑由于重力荷载较小,故强度不是主要矛盾,关键在于提高构件的整体稳定性及结构的刚度。因而承重构件大都采用薄壁宽肢的C形、Z形和工形截面。板材则均压成各种波形。

当荷载一定时,连续支承构件较简支构件的截面要小,故在轻型门式刚架中,非框架构件的檩条和墙梁等均采用连续支承方式。113　合理的柱网布置

在门式刚架中,主刚架和檩条的用钢量占了很大的比重。在相同荷载条件下,柱网布置不同,对主刚架的檩条的用钢量影响很大。主刚架的用钢量随檩条跨度的增大而减小,而檩条的用钢量则随檩条跨度的增大而增大。因而檩条有一个经济用钢量跨度,根据荷载不同,其范围在715～813m之间。此时檩条一般可采用冷弯薄壁C形或Z形构件。另外,主刚架的用钢量还随檐口高度和中柱间距而变化。当檐口高度在415～715m 时,其经济用钢量的中柱间距为24～30m。114　塑性设计

弹性设计时,在强度计算方面,是控制最大内力截面上的最大应力值不超过材料的设计强度值。我们知道,截面的塑性抵抗矩大于弹性抵抗矩,而钢材恰恰是塑性性能较好的材料。轻型钢结构建筑大都采用框架结构,这是超静定结构,因而可以充分利用钢材的塑性性能,使结构出现若干个塑性铰直至形成机构,作为承载能力的极限状态,从而可以充分挖掘材料潜力,比弹性设计减小截面尺寸。

但是,要注意塑性设计不适用于直接承受动力荷载的结构。另外,在塑性充分发展前,板件不能发生局部失稳,构件不能发生整体失稳。因而板件的宽厚比限值与构件的长细比限值比弹性设计时要严[1]。

115　工形截面腹板屈曲后强度利用

轻型钢结构的梁柱截面一般均为工形截面,从强度方面考虑,腹板宜高而薄一些,这样抗弯刚度较大。但如把腹板不适当地加高减薄,则在压应力和剪应力作用下,腹板有可能偏离其正常位置而在侧向形成波形屈曲,这就是腹板的局部失稳[1]。在传统的钢结构设计中,构件腹板的局部稳定以高厚比(h0/ t w)限值来保证,其值由腹板的屈曲应力等于其临界应力得到,也即不允许腹板失稳。但腹板局部失稳后,并不意味着丧失承载力,它还具有相当可观的屈曲后强度,构件仍可承担更大的荷载。轻钢设计规程允许考虑腹板的屈曲后强度,大大提高了腹板的高厚比限值。其值柱为250235/f y,梁为300235/f y。这就保证了薄壁宽肢工形构件的采用,在截面面积减小的条件下,使截面的抗弯刚度不致

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