輕型鋼結構的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

1、輕型鋼結構的發(fā)展現(xiàn)狀及前景輕型鋼結構的發(fā)展現(xiàn)狀及前景隨著國內建筑行業(yè)的發(fā)展，建筑的體系以及建筑材料的變化， 成為了當前國 內住宅建筑發(fā)展的趨勢。由于我國是鋼產量大國，因此鋼材的推廣以及使用對 我國建筑行業(yè)的發(fā)展有著重要意義。近幾年國內經濟迅速發(fā)展，人們生活水平 不斷提高，對住宅的外觀、穩(wěn)定等方面有了更高的要求。對于低多層住宅，輕 型鋼結構住宅越來越能夠滿足人們的需求，并漸漸得到認可，但是并沒有得到 廣泛的普及，這種結構仍存在著諸多問題需要解決。輕型鋼結構住宅主要的構建材料就是鍍鋅輕型鋼龍骨為主要的結構構件，運用此材料主要的優(yōu)勢在于，可以保證住宅性能的良好，同時還可以保證所構建 的住宅具有自重輕

2、、工廠預制化程度高、建造速度快、勞動強度小的優(yōu)點。但 是輕型鋼結構住宅在我國還處于發(fā)展階段，在對住宅進行設計的過程中還存在 一些嚴重的問題，還需要進一步的研究。一、國內外輕型鋼結構發(fā)展現(xiàn)狀（一）國外輕型鋼結構發(fā)展國外輕型鋼結構發(fā)展較早，最初用于建造私人汽車庫等簡易房屋。第二次 世界大戰(zhàn)時期，由于戰(zhàn)爭的需要，一些拆裝方便的輕型鋼結構建筑用于營房和 庫房。I960年代以來，國外建筑鋼材的發(fā)展有了很大突破，色彩豐富而耐久的 彩色壓型鋼板的出現(xiàn)以及 H型鋼和冷彎型鋼的問世，極大地推動了輕型鋼結構 的發(fā)展。目前，歐美各國由輕型鋼結構體系建造的非居住單層建筑物占50%以上，日本新建的1-4層建筑大多采用輕

3、型鋼結構。瑞典是當今世界上最大的輕 型鋼結構住宅制造國，許多歐洲國家都到瑞典去定制住宅，通過集裝箱發(fā)運。 外國輕鋼公司大都有自己的輕型鋼結構系列，各公司的輕型鋼結構系列大同小 異。（二）國內輕鋼結構發(fā)展早在1960年代初，我國鋼材十分匱乏，為了解 決在設計中長期存在的“深 基、重蓋、肥梁、胖柱”的問題，當時以小角鋼和小圓鋼為主要材料組成的輕 型鋼結構應運而生。這些輕型鋼結構主要為屋蓋承重結構，取材容易，經濟指 標比較好，用鋼量較少，接近相同條件下鋼筋混凝土結構用鋼量，并可節(jié)省大 量木材、水泥和其他建筑材料,減輕結構自重70%- 80%為改革笨重的結構體 系創(chuàng)造了條件。冷彎型鋼是一種公認的經濟斷

4、面型材，我國的冷彎型鋼始于 1950年代。1960年代中期,在部分地區(qū) 興建了 10余萬m2冷彎型鋼結構試 點工程。關于門式剛架，早在1960年代初我國就進行了研究試驗，主要是剛架 的塑性設計，并在試點工程中采用。近年來，我國輕型鋼結構得到飛速發(fā)展，每年總體增長近200萬吊，相當于1980年代我國輕型鋼結構的全部建筑工程量， 然而與一些發(fā)達國家相比，我國還存在一定的差距。二、輕型鋼結構的特點（一）重量輕。重量輕是輕型鋼結構房屋最大的優(yōu)點。其承重結構采用輕型焊接H型鋼和冷彎薄壁型鋼。這種型鋼截面形狀可以按照實際受力情況和使用特點進行設計， 比普通的工字鋼、槽鋼、角鋼截面受力合理，截面利用系數(shù)高，

5、單位重量輕， 可節(jié)省鋼材20%-50%（二）供貨迅速，安裝方便。材料的工業(yè)化大生產以及重量輕等決定了供貨迅速這一優(yōu)點。由于采用螺 栓、自攻螺絲等連接，現(xiàn)場焊接工作量小，無濕作業(yè)，不需支模，無需養(yǎng)護期， 冬季工期不受影響，根據 以往的工期經驗，可以比混凝土結構至少縮短一半以 上的工期。（三）施工周期短。輕型鋼結構中所有構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1-2個月，而若采用鋼筋混凝土結構則需要 10-12個月左右。（四）抗震性能好。由于鋼結構屬于柔性結構且自重輕，因而能有效地降低地震響應及災害影 響程度，極有利于抗震。墻體龍骨在封閉完結構板材和石膏板后形成非常堅固

6、的板肋結構體系，從而提供 了更強的抗震及抵抗水平荷載能力。輕鋼建筑可以 抗御8級強度的地震。（五）造型美觀，節(jié)奏明快，內部空間大。比一般的結構更容易分隔空間，從而可以方便地進行擴建和改建，可靈活 布設各種工業(yè)管線。（六）經濟效果好。由于這種結構的構件都是采用工業(yè)化的大批量生產，所以其質量容易控制。 采用這樣的建筑結構體系要比混凝土結構造價低，經濟效果要好得多。（七）鋼材強度高，塑性和韌性較好。輕型鋼結構所采用的鋼材強度高，塑性和韌性較好，所以能保證結構在使用期間不會發(fā)生突然破壞，受沖擊作用時不容易脆斷，承受動力荷載的性能較 好，可靠性較高，抗震性能好，最適宜于地震區(qū)及主要的建筑物。（八）采光好

7、。工業(yè)廠房一般需要更好地利用自然光線，輕型鋼結構系統(tǒng)大量使用采光帶, 既滿足了生產上對光線的要求，又降低了造價。（九）輕型鋼結構安裝方便，拆除也容易。由上所述，采用輕型鋼結構，特別是輕型門式剛架房屋，在造價上低于鋼 筋混凝土結構，早投產、早受益的綜合經濟效益更高。三、輕型鋼結構建筑的常用結構體系（一）門式剛架門式剛架結構體系是我國輕型鋼結構工業(yè)建筑中最主要和最受歡迎的結構 形式。采用門式剛架作為主承重結構，壓型鋼板為圍護結構，設計上一方面允 許腹板局部失穩(wěn)，并利用腹板的屈曲后強度，另一方面通過改變腹板的高度將 剛架的梁柱做成變截面形式，以適應結構彎矩內力的分布規(guī)律，因此，可較同 等條件下的普通

8、鋼結構節(jié)約鋼材 10%-20%。目前，我國門式剛架結構的設計、 制作、安裝技術已日趨成熟，應用范圍包括各類輕型工業(yè)廠房、超市、綜合樓、 倉庫、機庫、農貿市場、飲食娛樂、體育場館、候車室、碼頭建筑及各種臨時 性建筑。門式剛架屬平面受力體系，非常適宜于跨度在18-36m之間、柱距7-9m、 平面尺寸狹長的建筑，門式剛架已成為國內外大規(guī)?，F(xiàn)代化工業(yè)廠房的首選結 構形式。目前，這種結構在我國的實際工程中最大跨度已達72m廠房單體最大建筑面積超過了 75萬m。（二）多層多跨框架結構體系多層多跨框架結構體系的主要組成部分是梁、柱及與之相連接的屋樓面結 構、支撐體系和墻板或墻架結構。其廠房高寬比不宜大于6,

9、柱網設置宜為6-12m, 常設計成強柱弱梁形式。梁柱均為等截面，材料主要選用高頻焊接和熱軋H型鋼、普通或輕型熱軋型鋼、冷彎型鋼等。多層框架輕鋼建筑自重輕，自振周期 較長，對地震作用反應不敏感，但框架體系的側向剛度較小，需設置各種側向 支撐，或者結合電梯井的布置，采用框架抗剪桁架結構、框架抗剪鋼 板剪力墻、框架一一鋼混剪力墻等新體系，以確保結構水平位移控制在規(guī)范允 許的范圍內。這種承重結構方案適宜于多層輕鋼建筑這一類很有發(fā)展前途的金 屬建筑形式，女口：總高度小于24m的商業(yè)購物中心、辦公大樓等公共建筑；總 高度在20m以下，樓面荷載小于8kN/m2的電子、機械等行業(yè)的工業(yè)廠房；10層 以下的多層

10、民用住宅。（三）交錯桁架結構體系這種結構體系由上述框架結構體系演變而來，是20世紀60年代美國麻省理工學院開發(fā)的一種新型結構體系，可以在建筑上獲得兩倍柱距的大開間，便 于室內靈活布置。結構組成包括鋼架柱、平面鋼桁架、樓面板、屋面板、支撐 等。特別適用于住宅、旅館、辦公等公共建筑，而且綜合造價比傳統(tǒng)的純鋼結 構和混凝土結構都低。該結構體系建筑在美國、澳大利亞等國家已有應用，最高已建到43層。我國尚無工程應用，目前國內有關部門、機構和科研院所正致 力于該體系的研究。（四）冷彎薄壁型鋼結構體系冷彎薄壁型鋼主要由0.5-3.5mm厚普通鋼板或鍍鋅鋼板經冷壓或冷彎而成，基本形狀為C形、Z形和矩形，并可形

11、成各種折皺和卷邊，拼成工形或T形，以提高截面剛度和承載力。冷彎薄壁型鋼過去多用做屋面、隔斷和圍護結構的單 體構件，只有少量作為結構構件在中、小跨度門式剛架（無吊車）、貨架中。而今在很多國家和地區(qū)采用冷彎薄壁型鋼作為承重骨架的結構越來越多地用到 單、多層住宅和別墅建筑中，形成了冷彎薄壁型鋼新型結構體系。冷彎薄壁型鋼結構體系的框（剛）架梁、柱一般采用雙C或四C槽鋼組成的工形、T形截面，承重骨架為平面框架，需布置柱間支撐保證整體穩(wěn)定性，樓 層采用主次梁體系及組合樓蓋，不上人屋面采用檁條和壓型鋼板，內墻為輕質 隔斷墻，外墻則用輕質保溫板。由于冷彎薄壁型鋼結構體系構件較小，構件之 間全部采用螺栓連接，且

12、施工現(xiàn)場多為干作業(yè)，因此 具有安裝簡便、搬運重量 少、僅需小型起重設備、施工快捷等優(yōu)勢，在低層住宅方面具有很大的發(fā)展?jié)?力。這種結構體系在我國的發(fā)展剛剛起步，現(xiàn)階段的設計依據主要為冷彎薄壁 型鋼結構技術規(guī)范。（五）金屬拱形波紋屋蓋結構體系金屬拱形波紋屋蓋結構體系是一種用彩色鋼板現(xiàn)場滾壓成型的屋蓋結構體 系，集承重與維護功能于一體，屋蓋的保溫功能靠內部噴覆的保溫材料來實現(xiàn)， 具有無梁無檁、板件之間鎖邊連接不需栓焊、防水性能好、施工速度快、用鋼 量省等優(yōu)點，廣泛用于廠房、倉庫、商場、機庫、軍營建設。從結構形式看， 金屬拱形波紋屋蓋結構主要采用圓弧拱體系，有落地和非落地兩種形式，且多 為無窗封閉式屋

13、蓋。由于這是一種薄壁拱殼結構，其內力分布狀態(tài)和變形特征 對缺陷極為敏感，截面折皺雖然加強了局部穩(wěn)定性，但對整體失穩(wěn)影響很大， 因此需要進一步對拱殼的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性進行分析研究。（六）節(jié)點構造輕型鋼結構柱多采用 H形或箱形截面。由于腹板比較薄，故在弱軸方向與 梁的連接多采用鉸接，在強軸方向采用剛接形式。有時還可采用半剛性連接， 但其受力特性較復雜，往往需通過試驗來取得較準確的設計數(shù)據。同時，輕型 鋼結構的構件相對較薄，應盡量避免工地現(xiàn)場焊接。為了加強結構的整體剛度， 可以把次梁做成連續(xù)梁的形式。（七）基礎形式輕鋼房屋基礎常用柱下獨立基礎、條形基礎、十字形基礎。米用柱下獨立 基礎時，應注意

14、各基礎相對不均勻沉降對上部結構的影響?；A梁常用現(xiàn)澆或 預制鋼筋混凝土結構，有時根據要求也可采用鋼基礎梁，但通常將埋置在地面 以下的柱腳和鋼梁外包混凝土，以解決防腐問題。四、輕型鋼結構體系需要注意的技術問題（一）輕型鋼結構體系的隔震減震技術鋼結構具有塑性韌性好、變形能力強、抗震性能優(yōu)越的特點。作為面向新世紀的建筑減災技術，在輕型鋼結構住宅建筑體系中，應充分采用。隔震即隔 離地震。在建筑物基礎與上部結構之間設置一層隔震層（隔震層可采用橡膠隔 震支座），把房屋結構與基礎隔離開來，隔離地面運動能量向建筑物的傳遞，以減少建筑物的地震反應，即地震時建筑物只發(fā)生輕微運動和變形，從而保證 建筑物的安全。消能

15、減震則是通過在建筑物中設置消能部件（消能部件可由消 能器及斜撐、填充墻、梁或節(jié)點等組成），使地震傳輸?shù)浇ㄖ锏哪芰恳徊糠直?消能部件所消耗，一部分由結構的動能和變形能承擔，以此達到減少結構地震 反應的目的。（二）輕型鋼結構的防火鋼材雖為非燃燒材料，但不耐火，溫度為400度時，鋼材的屈服強度將降至室溫的一半， 溫度達到600度時，鋼材基本喪失全部強度和剛度。當建筑采 用無防火保護措施的鋼結構時，一旦發(fā)生火災，結構很容易遭到破壞甚至倒塌， 所以，鋼結構一方面要進行結構的抗火設計 ，另一方面要采用防火保護措施。 一般不加保護的鋼結構耐火極限僅為10-20min。為提高鋼結構的抗火性能，需采取防火措施

16、，使鋼構件達到規(guī)定的耐火極限要求。鋼結構的防火保護措施有 三種：一是緊貼包裹法。采用防火涂料，緊貼鋼構件的外露表面，將鋼構件包 裹起來。防火涂料分為膨脹型和非膨脹型兩大類，膨脹型防火涂料，耐火極限可達0.5-1.5h，非膨脹型防火涂料，耐火極限可達 0.5-3h。二是空心包裹法。 采用防火板或耐火磚，沿鋼構件的外圍邊界，將鋼構件包裹起來。三是實心包 裹法。采用混凝土將鋼構件澆注在其中。（三）輕型鋼結構的防腐鋼結構耐銹蝕性較差，產生銹蝕后，會使構件截面減少，降低承載能力，影 響結構的使用壽命，特別 是對輕型鋼結構影響更大。鋼結構設計規(guī)范規(guī)定 ，除 有特殊需要外，設計中一般不應因考慮銹蝕而加大鋼材

17、截面或厚度。為此，需 采取措施防止鋼結構腐蝕。非金屬涂層保護，是鋼結構防腐最常用的一種方法。 在鋼材表面涂以非金屬保護層，使鋼材不受空氣中有害介質的侵蝕。目前，我 國涂料品種多，價格便宜，施工方便。鋼結構除必須采取防銹措施外，尚應在 構造上盡量避免出現(xiàn)難于檢查、清刷和油漆之處，以及能積留濕氣和大量灰塵 的死角或凹槽。這些構造措施雖沒有直接防銹的作用，但它可為減緩鋼結構的 銹蝕速度創(chuàng)造一個良好的環(huán)境，對鋼結構的防銹起著積極的作用，在從事鋼結 構的設計時這些構造防腐措施不可忽視。五、輕型鋼結構發(fā)展的機遇及發(fā)展中存在的主要問題（一）輕型鋼結構發(fā)展的機遇我國鋼產量1978年為3178萬噸，1999年為

18、12395萬噸，目前年產近3億 噸，已成為世界上最大的鋼鐵生產國和鋼材消費國。重視鋼結構、擴大鋼結構 的使用范圍，已經成為鋼鐵企業(yè)進一步發(fā)展的迫切需要。隨著鋼鐵企業(yè)進一步 推出適合建筑使用的高品質鋼材（如高強、耐候鋼材等），鋼結構將迎來更加良 好的發(fā)展機遇。從建筑市場容量來看，我國建筑業(yè)年增長速度達十幾個百分點， 最近幾年出現(xiàn)了更大的增長勢頭，國家對發(fā)展鋼結構也提供了一些相應的有利 政策。（二）輕型鋼結構發(fā)展中存在的問題和建議存在的問題：1. 近些年，輕型鋼結構在我國得到了空前發(fā)展，我國也出臺了很多相關規(guī)范和標準，為輕型鋼結構的發(fā)展提供了有力支持，但是設計、施工方法和規(guī)范等 仍然落后于輕型鋼結

19、構實際發(fā)展，現(xiàn)有的規(guī)范也很難涵蓋新內容。2. 在計算理論和設計方法方面與發(fā)達國家也有很大差距，現(xiàn)有計算軟件主要依靠進口，且無法同時完成主結構、次結構、附件配置、材料統(tǒng)計等設計與構 造工作，因此，急需開發(fā)自主軟件。3. 輕型鋼結構在民用住宅建筑方面尚未廣泛發(fā)展起來，開發(fā)輕型鋼結構住宅所面臨的主要問題不是結構方面的問題，而是怎樣解決與輕型鋼結構住宅相配套的體系和材料的問題，包括墻體、樓板、廚衛(wèi)等。4. 施工企業(yè)質量管理相對落后， 缺乏精通專業(yè)的技術人員。單純追求經濟效 益，忽視了對輕型鋼結構的制作、安裝中的質量控制。廠家往往只注重引進多 少設備，不重視研究設計和配套技術的投入，導致發(fā)展緩慢。5. 鋼材本身具有耐熱而不耐火、不耐腐蝕等問題，如何做到高效、經濟地防 腐、防火是擺在工程技術人員面前的一個重要課題。6. 缺乏看待發(fā)展輕型鋼結構在環(huán)保方面的意義。7. 國內幾家大型的鋼鐵生產企業(yè)所生產的輕型鋼結構材料規(guī)格和品種非常 有限，工程設計和建設人員選擇的余地很小，在一定程度上限制了輕型鋼結