轻钢结构设计方法

《钢结构设计原理》过程考核第次
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轻钢结构设计方法
轻钢结构的定义
轻钢结构是指由下列钢材所构成的结构：冷弯薄壁型钢结构；热轧轻型钢结构；焊接
或高频焊接轻型钢结构；轻型钢管结构；板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。

轻钢结构主要构件钢板厚度：≥10MM。

轻钢也是一个比较含糊的名词，一般可以有两
种理解。

一种是现行《钢结构设计规范》中第十一章“圆钢、小角钢的轻型钢结构”，是指
用圆钢和小于L45×4和L56×36×4的角钢制作的轻型钢结构，主要在钢材缺乏年代时用于不宜用钢筋混凝土结构制造的小型结构，现已基本上不大采用，所以这次钢结构设计规范修
订中已基本上倾向去掉。

另一种是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》所规定的具有轻
型屋盖和轻型外墙的单层实腹门式刚架结构，这里的轻型主要是指围护是用轻质材料。

钢结构一般分为普通钢结构和轻钢结构，它们之间并无明显的界限。

其计算规则都是
一样的。

所谓轻钢结构，一般是结构荷载较小，结构杆件也较小，构件壁厚较薄的一类结构，一般采用门式钢架、屋架和网架为主要承重结构。

正因为轻钢结构上作用的荷载较小，所以，使得结构效应产生的内力一般较小，这就使得结构的强度往往不成问题，而由于构
件断面较小，截面惯性距较小，使得结构的刚度也随着减小，结构的整体和局部稳定成为
在设计中必须引起重视的主要问题。

这就是轻钢结构自己的特点。

轻钢结构的优点
抗震性：低层别墅的屋面大都为坡屋面，因此屋面结构基本上采用的是由冷弯
型钢构件做成的三角型屋架体系，轻钢构件在封完结构性板材及石膏板之后，形成了非常坚固的"板肋结构体系"，这种结构体系有着更强的抗震及抵抗水平荷载的能力，适用于抗震烈度为8度以上的地区。

抗风性：型钢结构建筑重量轻、强度高、整体刚性好、变形能力强。

建筑物自重仅是砖混结构的五分之一，可抵抗每秒70米的飓风，使生命财产能得到有效的保护。

耐久性：轻钢结构住宅结构全部采用冷弯薄壁钢构件体系组成，钢骨采用超级防腐高强冷轧镀锌板制造，有效避免钢板在施工和使用过程中的锈蚀的影响，增加了轻钢构件的使用寿命。

结构寿命可达100年。

保温性：采用的保温隔热材料以玻纤棉为主，具有良好的保温隔热效果。

用以外墙的保温板，有效的避免墙体的“冷桥”现象，达到了更好的保温效果。

100mm左右
厚的R15保温棉热阻值可相当于1m厚的砖墙。

隔音性：隔音效果是评估住宅的一个重要指标，轻钢体系安装的窗均采用中空玻璃，隔音效果好，隔音达40分贝以上；由轻钢龙骨、保温材料石膏板组成的墙体，其
隔音效果可高达60分贝。

健康性：干作业施工，减少废弃物对环境造成的污染，房屋钢结构材料可100%
回收，其他配套材料也可大部分回收，符合当前环保意识；所有材料为绿色建材，满足生态环境要求，有利于健康。

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舒适性：轻钢墙体采用高效节能体系，具有呼吸功能，可调节室内空气干湿度；
屋顶具有通风功能，可以使屋内部上空形成流动的空气间，保证屋顶内部的通风及散热需求。

快捷：全部干作业施工，不受环境季节影响。

一栋300平方米左右的建筑，只需
5个工人30个工作日可以完成从地基到装修的全过程。

环保：材料可100%回收，真正做到绿色无污染。

节能：全部采用高效节能墙体，保温、隔热、隔音效果好，可达到50%的节能标准。

轻钢结构是一种年轻而极具生命力的钢结构体系，已广泛应用于一般工农业、商业、服务性建筑，如办公楼、别墅、仓库、体育场馆、娱乐、旅游建筑和低、多层住宅
建筑等领域，还可用于旧房增层、改造、加固和建材缺乏地区、运输不便地区、工期紧、活动式可拆迁建筑等，倍受业主青睐，主要有以下特点：
1）采用高效轻型薄壁型材，自重轻、强度高、占用面积小。

2）构配件均为自动化、连续化、高精度生产，产品规格系列化、定型化、配套化。

各部分尺寸精确。

3）结构设计、详图设计、计算机模拟安装、工厂制造、工地安装等以较小时间
差同步进行。

4）基础以上干式工法没有湿作业，内装饰等易于一次到位。

型材经过镀锌、涂层
后外观优美且防腐，有利于减少围护和装修费用。

5）便于扩大柱距和提供更大分隔空间，可降低层高和增加建筑面积（住宅实用面
积可达92%）。

在增层、改造、加固方面优势明显。

6）新墙材应用范围广，大量使用采光带，通风条件好。

7）室内水暖电气管线全部隐蔽在墙体中和楼层间，布置灵活，修改方便。

8）房子可以搬迁、材料可全部回收利用，不会造成垃圾，符合可持续发展战略。

轻钢结构设计方法
1选用材料
用于承重的冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢和钢板,•应采用现行国家标准《碳素结构钢》GB／T700规定的Q235和《低合金高强度结构钢》GB／T1591规定的Q345钢。

门式刚架、吊车梁和焊接的檩条、墙梁等构件宜采用Q235B级或Q345A及以上等级的钢。

非焊接的檩条和墙梁等构件可采用Q235A钢。

门式刚架轻型房屋的檩条和墙梁宜采用本规程附录B规定的卷边Z形冷弯型钢或附录C规
定的卷边槽形冷弯型钢。

2优化目标
在进行轻钢结构设计时，应在确保结构安全的前提下，使结构的用钢量最省、造价最低。

这也就是我们采用优化设计方法的优化目标。

而在实际设计中，轻钢结构的用钢量和
造价又是由结构杆件的截面尺寸决定的。

因此,我们的优化目标可以直接简化为如何选择经济合理的截面尺寸，使其在满足强度、刚度、稳定性等要求的前提下，截面面积最小。

3优化方法
与网架钢结构的优化方法相似，门式刚架结构的优化方法也采用渐近满应力法，即门
式刚架结构杆件通过多次计算分析选择修改其截面尺寸，使其达到或尽量接近满应力状态，直到门式刚架结构的全部杆件的截面尺寸不需修改为止，使门式刚架结构的用钢量最小，
以达到造价最低的优化目标。

构件截面尺寸的修改，也就是截面尺寸的优化，其方法是选
取的截面尺寸力求其在平面、出平面两个方向的截面抗弯抵抗力矩最大，而其截面面积最小，即在外荷载作用下，截面尺寸的选择既要能满足强度、稳定验算中构件材料的设计强
度要求，又要使材料用量最省。

4檩条的设计
4.1檩条的形式及特点
1）实腹式檩条：槽钢檩条、高频焊接轻型H钢檩条、卷边槽形冷弯薄壁型钢檩条、卷边Z形冷弯薄壁型钢檩条。

2)空腹式檩条：由角钢的上下弦和缀板焊接组成。

3)格构式檩条：平面桁架式、空间桁架式、下撑式檩条。

4)截面高度:实腹式檩条的截面高度H，一般取跨度的1/35~1/50；桁架式檩条的截面
高度H，一般取跨度的1/12~1/20。

5)截面宽度:实腹式檩条的截面宽度B，由截面高度H所选的型钢规格确定，空间桁架
式檩条上弦的总宽度B，取截面总高度的1/1.5~1/2.0
4.2檩条荷载
1)恒荷载:屋面材料重量、支撑及檩条结构自重
2)活荷载:屋面均布活荷载、雪荷载、积灰荷载和风荷载，当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取0.50KN/m2。

4.3檩条的布置、连接与构造
4.3.1檩条在屋架（刚架）上的布置和搁置
1)为使屋架上弦杆不产生弯距，檩条宜位于屋架上弦节点处，当采用内天沟时，边檩
应尽量靠近天沟。

2)实腹式檩条的截面均宜垂直于屋面坡面，对槽钢和Z型钢檩条，宜将上翼缘肢尖
（或卷边）朝向屋脊方向，以减小屋面荷载偏心而引起的扭距。

3)桁架式檩条的上弦杆宜垂直于屋架上弦杆，而腹杆和下弦杆宜垂直于地面。

4)脊檩方案：一般应采用双檩方案，屋脊檩条可采用槽钢、角钢或圆钢相连。

4.3.2檩条与屋面的连接
檩条与屋面应可靠连接，以保证屋面能起阻止檩条侧向失稳和扭转的作用，这对一般不需要验算整体稳定性的实腹式檩条尤为重要。

檩条与压型钢板屋面的连接，宜采用带橡胶垫圈的自攻螺钉。

4.3.3檩条与刚架的连接
檩条端部与刚架的连接应能阻止檩条端部截面的扭转，以增强其整体稳定性。

1)实腹式檩条与刚架的连接处可设置角钢檩托，以防止檩条在支座处的扭转变形和倾覆。

檩条端部与檩托的连接螺栓应不少于2个，并沿檩条高度方向设置。

螺栓直径根据檩条的截面大小，取M12～M16。

2)桁架式檩条一般用螺栓直接与屋架上弦连接
4.4檩条的拉条和撑竿
1)拉条的设置：檩条的拉条设置与是否主要和檩条的侧向刚度有关，对于侧向刚度较大的轻型H型钢钢和空间桁架式檩条一般可不设拉条。

对于侧向刚度较差的实腹时和平面桁架式檩条，为了减小檩条在安装和使用阶段的侧向变形和扭转，保证其整体稳定性，一般需在檩条间设置拉条，作为侧向支撑点。

当檩条跨度≤4m时，可按计算要求确定是否需要设置拉条；当屋面坡度i＞1/10，檩条跨度＞4时，宜在檩条的跨中位置设置一道拉条；当跨度＞6m时，宜在檩条跨度三分点处各设一道拉条或撑竿，在檐口处还应设置斜拉条和撑竿。

拉条的直径为8－12mm，根据荷载和檩距大小取用。

2)撑竿的设置
檩条撑竿的作用主要是限制檐檩和天窗缺口处边檩向上或向下两个方向的侧向弯曲。

撑竿的长细比按压杆要求λ≤220，可采用钢管、方管或角钢做成。

目前也有采用钢管内
设拉条的做法，它的构造简单。

撑竿处应同时设置斜拉条。

3)拉条和撑竿的连接
斜拉条与檩条腹板的连接处一般应予弯折，弯折的直段长度不宜过大，以免受力后发生局部弯曲。

斜拉条弯折点距腹板边距宜为10～15mm，如条件许可，斜拉条可不弯折，而采用斜垫板或角钢连接。

5屋面支撑与柱间支撑的大小如何定
支撑的作用主要是保证结构体系成为空间体系，有足够的空间刚度，支撑所受力主要是风载和地震作用，温度作用；计算支撑内力时一般假定节点为铰接，并忽略偏心的影响，并且一般的支撑都是按拉杆考虑，所以，一般适宜双向布置。

5.1屋面支撑
屋面支撑受力较小，杆件截面通常可按容许长细比来选择。

交叉斜杆和柔性细杆按拉
杆设计，可采用单角钢；非交叉斜杆、弦杆、竖杆以及刚性系杆按压杆设计，可采用双角
钢组成十字形或T形截面。

当屋架跨度较大、房屋较高且基本风压也较大时，杆件截面应
按桁架体系计算出的内力确定。

计算支撑杆件内力时，可假定在水平荷载作用下，交叉斜
杆中的压杆退出工作，仅由拉杆受力。

5.2柱间支撑
对厂房来说：分为上层支撑和下层支撑上层支撑计算时，为避免由于支撑刚度过大而
引起较大的温度应力，支撑腹杆按柔性拉杆计算。

交叉体系的下层支撑当吊车较小时一般
用圆钢，较大时通常采用角钢或槽钢。

交叉斜杆常按拉杆设计，但为了提高厂房的纵向刚度，当吊车较大时，应按压杆设计。

6隅撑的作用与设置
隅撑的作用主要是阻止梁的下翼缘及柱的内侧翼缘失稳。

并在设计计算中作为减少梁柱
的平面外计算长度的最不利侧向支撑间的最大间距。

隅撑之所以要设，是因为刚架斜梁的
受力的变化。

在恒荷载和活荷载等荷载组合作用下，一般的梁受力是上翼缘受压，下翼缘受拉，这
样檩条与钢梁的有效连接为梁上翼缘的稳定提供了可靠的支撑。

所以一般情况下梁的平面
外计算长度取两倍的檩条间距。

上翼缘的稳定可以保证。

但是在受到风吸力荷载作用时时，下翼缘受压，上翼缘受拉，这样下翼缘的稳定性没有可靠的平面外支撑，因此在梁的下翼
缘上加设隅撑给钢梁的下翼缘提供支撑。

隅撑一边与梁的下翼缘连接，一边与檩条连接。

隅撑的做法可以详见门式刚架的规范。

门刚6.1.6.4条规定，当实腹式刚架斜梁的下翼缘受压时，必须在受压翼缘侧面布置
隅撑作为斜梁的侧向支撑，隅撑的另一端连接在檩条上。

门刚6.4.4.3条规定，当外侧设有压型钢板的实腹式刚架柱的内侧翼缘受压时，可沿
内侧翼缘设置成对的隅撑，作为柱的侧向支承。

隅撑应按轴心受压构件设计
研究表明，门式刚架的破坏和倒塌在很多情况下是由受压最大的翼缘屈曲引起的，而
斜梁下翼缘与刚架柱的相交处压应力最大，是结构的关键部位。

本规程规定，“在檐口位置，刚架斜梁与柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处应各设置一道隅撑”，就是为了确保该处的稳定性。

此外，还规定在斜梁下翼缘受压区均应设置隅撑，其间距不得大于相应受压翼缘
宽度的16(235/fy)1/2倍。

该规定便于执行，也便于施工质量检查。

若翼缘宽度较窄，理
所当然地应使隅撑间距减小。

规程还特别规定，当斜梁下翼缘不设隅撑时，应采取保证刚
架稳定的可靠措施，如设置刚性撑杆或加大截面等。

这就较好地保证了结构的安全。

至于
柱的隅撑，应根据具体情况设置。

当柱高较大时，要求分段进行平面外稳定性验算，一道
隅撑通常是不够的，此时一般应设几道隅撑。

总结
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、观念以及对钢结构的认识偏
差有关。

可喜的是，天津市政府已率先示范，启动了轻型钢结构建筑，建设10万平方米的
轻钢住宅，其示范效应不可低估。

我们要学好轻钢结构的设计方法，能在以后对轻钢住宅
建筑的发展作出应有贡献。