一、輕鋼結(jié)構(gòu)及其適用范圍
所謂輕鋼結(jié)構(gòu)通常是指由下列鋼材所構(gòu)成的結(jié)構(gòu):①冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu);②熱軋輕型鋼結(jié)構(gòu);③焊接或高頻焊接輕型鋼結(jié)構(gòu);④輕型鋼管結(jié)構(gòu);⑤板壁較薄的焊接組合梁及焊接組合柱而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。
1. 適用范圍
根據(jù)我國目前情況來看,這種結(jié)構(gòu)由于其用度廣、優(yōu)勢明顯,已大量應(yīng)用于單層工業(yè)廠房、多層工業(yè)廠房、辦公樓以及高層建筑中的非承重構(gòu)件等。對單層工業(yè)廠房而言,通常以H型鋼,采用焊接連接作為梁柱,以C形或Z形輕鋼板作檁條,屋蓋系統(tǒng)或樓面系統(tǒng)用壓型彩色鋼板作面層,上面可澆混凝土,壓型鋼板既可作為鋼筋,必要時也可以再配鋼筋。墻面圍護(hù)也可采用單層或夾層壓型鋼板,夾層板內(nèi)部可充填各種保溫層。
2. 主要優(yōu)點
⑴施工周期短:輕鋼結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是所有構(gòu)件均可以由工廠制作現(xiàn)場拼接安裝,對一般規(guī)模較小的工業(yè)廠房僅需2個月左右。
⑵綜合經(jīng)濟(jì)效益好:由于施工周期短,可以提前投入使用,提前獲取投資效益;更由于采用色彩鮮艷的彩色壓型鋼板,美觀華麗,改善了周邊環(huán)境的動態(tài)感;因為建筑物本身的自重輕,一般情況下不需要做樁基,可以節(jié)省投資;由于采用了聚苯已烯泡沫夾心板或單板加保溫棉等措施后,使保溫、隔熱和隔章等效果良好。彩色鋼板是以鍍鋅為基板又用硅酮作為表面,經(jīng)兩除兩烘加工而成,耐久性也較好,根據(jù)目前我國的市場價格,輕鋼結(jié)構(gòu)的造價已經(jīng)低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),當(dāng)廠房的跨度越大時,其優(yōu)勢更為明顯,這也是它賴以競爭的一大優(yōu)勢。
⑶抗震性能好:由于鋼結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)、自重輕,因而能有效地降低地震響應(yīng)及災(zāi)害影響程度,極有利于抗震。我國是一個多地震區(qū)國家,在地震區(qū)建筑中應(yīng)多多推廣應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu),必可大大減少地震災(zāi)害和人員傷亡。唐山地震的慘痛教訓(xùn)應(yīng)予記起。目前,天津市已正式啟動輕鋼結(jié)構(gòu)住宅。
⑷宜于拆卸搬遷:一旦業(yè)主對所造廠址不滿意或外界環(huán)境發(fā)生意想不到的變化,則整個建筑可在很短時間內(nèi)拆遷,損失極小,而所有這些是鋼筋混凝土建筑所無法具備的。
正是由于輕鋼結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點,而且隨著近年來防火、防腐新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn),已較好地解決了輕鋼結(jié)構(gòu)抗腐蝕性差的缺點,使得它在工業(yè)廠房以及民用設(shè)施中獲得了廣泛的應(yīng)用。
二、材料選擇和設(shè)計中的注意事項
輕鋼結(jié)構(gòu)作為普通鋼結(jié)構(gòu)的衍生結(jié)構(gòu),以提高構(gòu)件的截面剛度和整體穩(wěn)定承載力,為此,不得不突破鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中對板件寬厚比限值的規(guī)定,允許板件產(chǎn)生局部失穩(wěn),進(jìn)而利用屈曲后強度的提高。
輕鋼結(jié)構(gòu)門式剛架是主要的承重結(jié)構(gòu),一般是采用實腹型變截面的柱和梁組成。門式剛架的形成可以單坡、雙坡和多坡,多跨建筑的中間柱多采用較接的搖擺柱。門式剛架工字截面鋼構(gòu)件中腹板以受剪為主,抗彎作用不如翼緣有效,增大腹板的高度,可使翼緣抗彎能力發(fā)揮得更為充分。但是,在增大腹板高度的同時,如果厚度增之過大,則腹板耗鋼量太多,也是不經(jīng)濟(jì)的。因此,先進(jìn)的設(shè)計方法是采用高而薄的腹板,而是還有相當(dāng)可觀的屈曲后強度可以利用。在主要為均布荷載起控制作用的結(jié)構(gòu)中,在允沖擊、疲勞、振動等荷載的條件下,可充分利用結(jié)構(gòu)受力板件的屈曲有效截面來分析壓彎桿件腹板的穩(wěn)定性,從而使其腹極高厚比限值可以大幅度提高。根據(jù)天津大學(xué)所作的試驗證明,當(dāng)荷載超過理論計算的屈曲臨界載限多時腹板才呈現(xiàn)凸曲變形,且凸曲變形都不大,故適當(dāng)利用屈曲后強度是可行的。
當(dāng)前,我國鋼結(jié)構(gòu)(含輕鋼結(jié)構(gòu))發(fā)展的形勢很好, 21世紀(jì)是鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展時期,長期以來,由混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的格局將被打破,從事鋼結(jié)構(gòu)制造、施工企業(yè)前景寬闊,建筑設(shè)計技術(shù)人員也面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。筆者認(rèn)為,以下幾點仍需我們加以重視。
1.鋼材的保溫隔熱與防火
鋼材具有很高的導(dǎo)熱性能,其導(dǎo)熱系數(shù)為50w(m.℃),當(dāng)受熱達(dá)到100℃以上時,其抗拉強度就會降低,塑性增大;溫度達(dá)到250℃時,鋼材抗拉強度會稍提高,但塑性卻降低,出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象;溫度達(dá)到500℃時,鋼材強度降至很低,會致使鋼結(jié)構(gòu)塌落。所以當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)所處環(huán)境溫度達(dá)到150℃以上時,就必須做隔熱防火設(shè)計。其做法一般為:鋼結(jié)構(gòu)外側(cè)包耐火磚、混凝土或硬質(zhì)防火板材。或者鋼結(jié)構(gòu)刷厚涂型防火涂料,厚度按《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料技術(shù)規(guī)程》計算。
2.屋面支撐系統(tǒng)及屋面設(shè)計
屋蓋支撐系統(tǒng)的布置應(yīng)根據(jù)廠房跨度、高度、柱網(wǎng)布置、屋蓋結(jié)構(gòu)形式、吊車噸位和所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結(jié)構(gòu)均應(yīng)設(shè)置垂直支撐;在無檁體系中,大型屋面板有三點和屋架焊接,可起到上弦支撐作用,但考慮到施工條件的限制和安裝需要。無論有檁或無檁體系屋蓋均應(yīng)在屋架上弦和天窗架上弦設(shè)置上弦橫向支撐。對于屋架間距不小于12m的廠房或廠房內(nèi)設(shè)有特重級橋式吊車或廠房內(nèi)有較大振動設(shè)備的均應(yīng)設(shè)置縱向水平支撐。
屋面的排水及防水設(shè)計在屋面設(shè)計中需重點考慮,根據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定,屋面坡度最小為5%,在積雪較大的地區(qū),坡度應(yīng)適當(dāng)加大。單坡屋面的長度主要取決于所在地區(qū)的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗,單坡屋面長度宜控制在70m以內(nèi)。目前,市場上鋼結(jié)構(gòu)屋面的做法常用的有兩種:①剛性屋面:雙層彩色壓型鋼板內(nèi)夾保溫棉;②復(fù)合柔性屋面:由屋面彩鋼板內(nèi)板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。
3.溫度伸縮縫的設(shè)置
溫度變化將引起鋼結(jié)構(gòu)廠房的變形,使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力,當(dāng)廠房平面尺度較大時,為避免產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力,應(yīng)在廠房縱橫兩個方向設(shè)置溫度伸縮縫,區(qū)段的長度可以根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范來執(zhí)行。溫度伸縮縫一般采用設(shè)置雙柱的方法來處理,對縱向溫度伸縮縫可在屋架支座處設(shè)置滾動支座。
4.防銹處理
鋼結(jié)構(gòu)表面直接暴露在大氣中就會銹蝕,當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)廠房空氣中有侵蝕性介質(zhì)或鋼結(jié)構(gòu)處在潮濕環(huán)境中時,鋼結(jié)構(gòu)廠房銹蝕就會更加明顯和嚴(yán)重。鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕不僅會使構(gòu)件截面減小,還會使鋼構(gòu)件表層局部產(chǎn)生銹坑,當(dāng)構(gòu)件受力時將引起應(yīng)力集中現(xiàn)象,使結(jié)構(gòu)過早破壞。因此,對鋼結(jié)構(gòu)廠房構(gòu)件的防銹蝕問題應(yīng)予以足夠的重視,并應(yīng)根據(jù)廠房侵蝕介質(zhì)情況和環(huán)境條件在總圖布置、工藝布置、材料選擇等方面采取相應(yīng)對策和措施,以確保廠房結(jié)構(gòu)的安全。一般鋼結(jié)構(gòu)的防腐常采用防銹底漆和面漆,涂裝層數(shù)及厚度常根據(jù)其使用環(huán)境和涂層性質(zhì)來決定。一般室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)在自然大氣介質(zhì)作用下,要求涂層厚度100μm,即底漆兩道,面漆兩道。露天鋼結(jié)構(gòu)或在工業(yè)大氣介質(zhì)作用下的鋼結(jié)構(gòu),要求漆膜總厚度為150μm～200μm。且在酸環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)要求使用氯磺化防酸漆。鋼柱柱腳在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹,其保護(hù)層厚度不小于50mm。
5.立面設(shè)計
輕鋼結(jié)構(gòu)的建筑主要有把握以下4個方面的特征:規(guī)模、線條、色彩、變化。鋼結(jié)構(gòu)廠房的立面主要由工藝布置來決定,在滿足工藝的要求下力求立面簡潔恢宏同時使節(jié)點盡量簡單統(tǒng)一。彩色壓型鋼板使得輕鋼廠房的建筑表現(xiàn)得體形輕盈色彩豐富,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉重單一。在輕鋼廠房的設(shè)計中常采用跳躍性色彩和冷色調(diào),重點突出主要出入口、外天溝、收邊泛水等地方,既體現(xiàn)了現(xiàn)代化廠房的恢宏氣勢,又豐富了立面效果。
總之,鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計,應(yīng)根據(jù)其特點進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。應(yīng)根據(jù)其特點進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計,使設(shè)計安全可靠,經(jīng)濟(jì)合理且美觀大方。我們?nèi)孕柙谠O(shè)計中不斷探索,盡力找出更好的方案。新的建筑技術(shù)的應(yīng)用,給我們的消防設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn),設(shè)計人員需多方面考慮問題,在分析比較中尋找更合適的方案。