轻型钢结构设计轻量化的主要途径

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 METHODS FOR LIGHTENING OF LIGHT-WEIGHT STEEL STRUCTURE DESIGNS

Han Fan gj un

（Shan g hai EIectronics En g ineerin g Desi g n &Research Institute

Shan g hai 200135）

Abstract ：With the stud y of the two Re g uIations for Li g ht-wei g ht SteeI aIread y p ubIished and combined with

the en g ineerin g p ractices ，this articIe has been written in an attem p t to tackIe the main methods Ieadin g to Ii g htenin g of the Ii g ht-wei g ht steeI structures ，mainI y the p ortaI frames ，incIudin g the p Iastic desi g ns ，the utiIization of p ost-buckIin g stren g th of I-sha p ed cross-section webs ，the a pp Iication of ta p ered members and the variabIe cross-section members ，the em p Io y ment of rockin g coIumns in muIti p Ie s p an frames and aIso considerin g the mutuaI restricted effect of the structuraI s y stems and the skin effect ，etc.

Ke y words ：Ii g ht-wei g ht steeI structure

coIumn

skin effect

p Iastic desi g n p ost-buckIin g stren g th ta p ered member rockin g

国外的轻钢结构20世纪80年代末以来，

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58

IndustriaI Construction 2000，VoI. 30，No. 2

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：，上海的《轻型钢结构设计规程》（DBJ08-98）

作者：韩方俊男1951年10月出生高级工程师

收稿日期：19990426

工业建筑2000年第30卷第2期

。正在报批的有中国工程建筑标准68-97）

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20~40k g /m 2不等，比普通钢结构的用钢量大为减少。1. 1

减轻荷载和使用高强钢材

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7. 5~8. 3m 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4. 5~7. 5m 时，其经济用钢量的中柱间距为24~30m 。1. 4

塑性设计

弹性设计时，在强度计算方面，是控制最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0. l kN /m 2）；新型轻质保温材料———超细玻璃纤维棉毡（每m 2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@345钢。国外厂商也有采用抗拉强度标准值为365Mpa 的。1. 2

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。1. 3

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

轻型钢结构设计轻量化的主要途径———韩方俊

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［l ］。

1. 5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［l ］。在传统的钢结构

设计中，构件腹板的局部稳定以高厚比（! 0/" 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250

梁为300

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

59

降低。

考虑构件腹板屈曲后强度时，应验算腹板局部屈曲后构件的承载力。对于受弯构件和压弯构件，验算时应按腹板的有效宽度计算截面特性。但是，按塑性设计时，不得利用屈曲后强度。1. 6

采用楔形构件和变截面构件

框架梁的内力以弯矩为主，柱虽是压弯构件，也是弯矩的效应大于压力。假如变化构件截面使之适应弯矩图形，即构件按接近满应力设计截面，显然可以大大节省钢材。轻型钢结构房屋特别是门式刚架在设计中正是按这一方法，采用楔形构件和变截面构件，包括变翼缘宽度、厚度，变腹板厚度。图la 是一种常用的单跨门式刚架在竖向荷载下的弯矩图，图lb 是该刚架的立面图。刚架柱为单楔形构件，刚架梁为对称双楔形构件。设计时，在给定荷载下使梁柱截面和屋脊截面同时达到承载极限。为了更好地符合弯矩图形，在采用楔形构件同时，还可以变化翼缘厚度和腹板厚度，

则省钢效果更为明显。

在生活实践中，我们有这样的经验：用四根木条钉成一个矩形框架，在其一组对角上施加一对方向相反的力，我们可以观测到框架在其平面内的明显变形。但是在框架上钉上一块夹板之类的薄板后，我们发现框架在其平面内形成一片刚度很大的盘体，在上述蒙皮形式，或无法经过大量试验证明为确实可靠的数值计算方法时，必须通过试验方法

［3］

确定该形式应力蒙皮的强度和刚度。规程

（DBJ08-68-97）附录D 还规定了应力蒙皮强度和刚度的整体试验方法。鉴于试验费时费工，目前国内设计尚未普遍采用蒙皮效应力的作用下，其变形微乎其微。这就是蒙皮效应。

在轻型钢结构单层房屋中，屋面和墙面采用压型钢板，并通过可靠的连接件固定在结构的横向框架和纵向联系构件上时，可以将其作为应力蒙皮对待，并按有关规定，在结构分析中考虑其平面内的强度和刚度。考虑应力蒙皮作用时，中间框架的柱顶水平荷载可通过蒙皮传至山墙构架。后者常做成带支撑构架，并由于墙面蒙皮效应而具有强劲的刚度。中间框架只承担很小一部分水平荷载，其引起的弯矩也就很小，且稳定性能接近于无侧移框架，因此可省不少钢材。

影响蒙皮效应的因素很多。主要有结构布置，剖面形式，板材类型，板材开孔率，纵向联系构件（檩条和墙梁）类型，连接材料和构造，边缘纵向构件（檐口檩条）的刚度等。其中最主要的是板和板接缝处的连接，板和檩条、墙梁的连接。由于具体工程情况各异，因而要定量地计算出蒙皮的强度和刚度比较困难。因此，规程规定，对任意一种实际应用的

的设计方法。!

结

语

除了上述轻钢结构设计轻量化的几个主要途径外，还有其他一些措施。如无吊车房屋支撑系统采用张紧的圆钢；梁柱、梁梁节点采用端板高强螺栓连接；当水平荷载不太大时，柱脚采用铰接方式；等等。所有这些轻钢结构设计轻量化的措施都是切实有效的，在两本规程中均有体现。文献［3］以三个工程实例进行了计算比较，按“规程”（CECS 102：

981）

设计，较按现行“规范”（GBJ17-88）和“规范”（GBJ18-87）设计可节省钢材5%~

15%以上，经济效益是明显的，反映出规程的技术先进性。

参考文献

1欧阳可庆. 钢结构. 上海：同济大学出版社，19862陈绍蕃. 门式钢框架轻型化的技术措施. 建筑结构，1998（2）

3

魏潮文，郭培红《. 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》试设计. 建筑结构，1998

（8）

轻型钢结构设计轻量化的主要途径

作者：

作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

韩方俊， Han Fangjun

上海电子工程设计研究院,上海,200135工业建筑

INDUSTRIAL CONSTRUCTION2000,30(2)2次

参考文献(3条)

1. 欧阳可庆 钢结构 1986

2. 陈绍蕃 门式钢框架轻型化的技术措施 1998(02)

3. 魏潮文;郭培红 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程>试设计 1998(08)

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引证文献(2条)

1. 李莉莹 轻钢结构受力蒙皮作用的有限元模拟分析[学位论文]硕士 20052. 马琳琳 门式刚架轻钢房屋优化设计探讨[期刊论文]-山西建筑 2004(19)

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