輕型鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景.docx

輕型鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀及前景隨著國內(nèi)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(dāng)前國內(nèi)住宅建筑發(fā)展的趨勢。由于我國是鋼產(chǎn)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(nèi)經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)住宅越來越能夠滿足人們的需求，并漸漸得到認(rèn)可，但是并沒有得到廣泛的普及，這種結(jié)構(gòu)仍存在著諸多問題需要解決。輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅主要的構(gòu)建材料就是鍍鋅輕型鋼龍骨為主要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，運(yùn)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(gòu)建的住宅具有自重輕、工廠預(yù)制化程度高、建造速度快、勞動強(qiáng)度小的優(yōu)點。但是輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國還處于發(fā)展階段，在對住宅進(jìn)行設(shè)計的過程中還存在一些嚴(yán)重的問題，還需要進(jìn)一步的研究。1、 國內(nèi)外輕型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀（1） 國外輕型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展 國外輕型鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑用于營房和庫房。1960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(jié)構(gòu)的發(fā)展。目前， 歐美各國由輕型鋼結(jié)構(gòu)體系建造的非居住單層建筑物占50%以上，日本新建的1-4層建筑大多采用輕型鋼結(jié)構(gòu)。瑞典是當(dāng)今世界上最大的輕型鋼結(jié)構(gòu)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(yùn)。外國輕鋼公司大都有自己的輕型鋼結(jié)構(gòu)系列，各公司的輕型鋼結(jié)構(gòu)系列大同小異。（2） 國內(nèi)輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展 早在1960年代初，我國鋼材十分匱乏，為了解 決在設(shè)計中長期存在的“深基、重蓋、肥梁、胖柱”的問題，當(dāng)時以小角鋼和小圓鋼為主要材料組成的輕型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。這些輕型鋼結(jié)構(gòu)主要為屋蓋承重結(jié)構(gòu)，取材容易，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較好，用鋼量較少，接近相同條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼量，并可節(jié)省大量木材、水泥和其他建筑材料, 減輕結(jié)構(gòu)自重70%- 80%，為改革笨重的結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)造了條件。 冷彎型鋼是一種公認(rèn)的經(jīng)濟(jì)斷面型材, 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(jié)構(gòu)試點工程。關(guān)于門式剛架，早在1960年代初我國就進(jìn)行了研究試驗，主要是剛架的塑性設(shè)計，并在試點工程中采用。近年來，我國輕型鋼結(jié)構(gòu)得到飛速發(fā)展，每年總體增長近200萬m2，相當(dāng)于1980年代我國輕型鋼結(jié)構(gòu)的全部建筑工程量，然而與一些發(fā)達(dá)國家相比，我國還存在一定的差距。2、 輕型鋼結(jié)構(gòu)的特點（1） 重量輕。 重量輕是輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋最大的優(yōu)點。其承重結(jié)構(gòu)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(jìn)行設(shè)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，單位重量輕，可節(jié)省鋼材20%-50%。（2） 供貨迅速, 安裝方便。 材料的工業(yè)化大生產(chǎn)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(hù)期，冬季工期不受影響，根據(jù) 以往的工期經(jīng)驗，可以比混凝土結(jié)構(gòu)至少縮短一半以上的工期。（3） 施工周期短。 輕型鋼結(jié)構(gòu)中所有構(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 1-2個月，而若采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則需要10-12個月左右。（4） 抗震性能好。 由于鋼結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)且自重輕，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。墻體龍骨在封閉完結(jié)構(gòu)板材和石膏板后形成非常堅固的板肋結(jié)構(gòu)體系，從而提供 了更強(qiáng)的抗震及抵抗水平荷載能力。輕鋼建筑可以抗御8級強(qiáng)度的地震。（5） 造型美觀, 節(jié)奏明快, 內(nèi)部空間大。 比一般的結(jié)構(gòu)更容易分隔空間，從而可以方便地進(jìn)行擴(kuò)建和改建，可靈活布設(shè)各種工業(yè)管線。（6） 經(jīng)濟(jì)效果好。 由于這種結(jié)構(gòu)的構(gòu)件都是采用工業(yè)化的大批量生產(chǎn)，所以其質(zhì)量容易控制。采用這樣的建筑結(jié)構(gòu)體系要比混凝土結(jié)構(gòu)造價低，經(jīng)濟(jì)效果要好得多。（7） 鋼材強(qiáng)度高, 塑性和韌性較好。 輕型鋼結(jié)構(gòu)所采用的鋼材強(qiáng)度高，塑性和韌性較好，所以能保證結(jié)構(gòu)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。 （8） 采光好。 工業(yè)廠房一般需要更好地利用自然光線，輕型鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)大量使用采光帶，既滿足了生產(chǎn)上對光線的要求, 又降低了造價。（9） 輕型鋼結(jié)構(gòu)安裝方便, 拆除也容易。 由上所述，采用輕型鋼結(jié)構(gòu)，特別是輕型門式剛架房屋，在造價上低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，早投產(chǎn)、早受益的綜合經(jīng)濟(jì)效益更高。3、 輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的常用結(jié)構(gòu)體系（1） 門式剛架 門式剛架結(jié)構(gòu)體系是我國輕型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑中最主要和最受歡迎的結(jié)構(gòu)形式。采用門式剛架作為主承重結(jié)構(gòu)，壓型鋼板為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計上一方面允許腹板局部失穩(wěn)，并利用腹板的屈曲后強(qiáng)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(yīng)結(jié)構(gòu)彎矩內(nèi)力的分布規(guī)律，因此，可較同等條件下的普通鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材 10%-20%。目前，我國門式剛架結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制作、安裝技術(shù)已日趨成熟，應(yīng)用范圍包括各類輕型工業(yè)廠房、超市、綜合樓、倉庫、機(jī)庫、農(nóng)貿(mào)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(nèi)外大規(guī)模現(xiàn)代化工業(yè)廠房的首選結(jié)構(gòu)形式。目前，這種結(jié)構(gòu)在我國的實際工程中最大跨度已達(dá)72m，廠房單體最大建筑面積超過了75萬m2。（2） 多層多跨框架結(jié)構(gòu)體系 多層多跨框架結(jié)構(gòu)體系的主要組成部分是梁、柱及與之相連接的屋樓面結(jié)構(gòu)、支撐體系和墻板或墻架結(jié)構(gòu)。其廠房高寬比不宜大于6，柱網(wǎng)設(shè)置宜為6-12m，常設(shè)計成強(qiáng)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(yīng)不敏感，但框架體系的側(cè)向剛度較小，需設(shè)置各種側(cè)向支撐，或者結(jié)合電梯井的布置，采用框架抗剪桁架結(jié)構(gòu)、框架抗剪鋼板剪力墻、框架鋼混剪力墻等新體系，以確保結(jié)構(gòu)水平位移控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。這種承重結(jié)構(gòu)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， 如：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(jī)械等行業(yè)的工業(yè)廠房；10層以下的多層民用住宅。（3） 交錯桁架結(jié)構(gòu)體系 這種結(jié)構(gòu)體系由上述框架結(jié)構(gòu)體系演變而來，是20世紀(jì)60年代美國麻省理工學(xué)院開發(fā)的一種新型結(jié)構(gòu)體系，可以在建筑上獲得兩倍柱距的大開間，便于室內(nèi)靈活布置。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)都低。該結(jié)構(gòu)體系建筑在美國、 澳大利亞等國家已有應(yīng)用，最高已建到43層。我國尚無工程應(yīng)用，目前國內(nèi)有關(guān)部門、機(jī)構(gòu)和科研院所正致力于該體系的研究。（4） 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)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(jīng)冷壓或冷彎而成，基本形狀為C形、Z形和矩形，并可形成各種折皺和卷邊，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(hù)結(jié)構(gòu)的單體構(gòu)件，只有少量作為結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系。 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)墻為輕質(zhì)隔斷墻，外墻則用輕質(zhì)保溫板。由于冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件較小，構(gòu)件之間全部采用螺栓連接, 且施工現(xiàn)場多為干作業(yè)，因此 具有安裝簡便、搬運(yùn)重量少、僅需小型起重設(shè)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)摿?。這種結(jié)構(gòu)體系在我國的發(fā)展剛剛起步，現(xiàn)階段的設(shè)計依據(jù)主要為冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范。（5） 金屬拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)體系 金屬拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)體系是一種用彩色鋼板現(xiàn)場滾壓成型的屋蓋結(jié)構(gòu)體系，集承重與維護(hù)功能于一體，屋蓋的保溫功能靠內(nèi)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(jī)庫、軍營建設(shè)。從結(jié)構(gòu)形式看，金屬拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)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蓋。由于這是一種薄壁拱殼結(jié)構(gòu)，其內(nèi)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(qiáng)了局部穩(wěn)定性，但對整體失穩(wěn)影響很大，因此需要進(jìn)一步對拱殼的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。（6） 節(jié)點構(gòu)造 輕型鋼結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(fù)雜，往往需通過試驗來取得較準(zhǔn)確的設(shè)計數(shù)據(jù)。同時，輕型鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件相對較薄，應(yīng)盡量避免工地現(xiàn)場焊接。為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度，可以把次梁做成連續(xù)梁的形式。 （7） 基礎(chǔ)形式 輕鋼房屋基礎(chǔ)常用柱下獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、十字形基礎(chǔ)。采用柱下獨立基礎(chǔ)時，應(yīng)注意各基礎(chǔ)相對不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)的影響?；A(chǔ)梁常用現(xiàn)澆或預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有時根據(jù)要求也可采用鋼基礎(chǔ)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。4、 輕型鋼結(jié)構(gòu)體系需要注意的技術(shù)問題（1） 輕型鋼結(jié)構(gòu)體系的隔震減震技術(shù) 鋼結(jié)構(gòu)具有塑性韌性好、變形能力強(qiáng)、 抗震性能優(yōu)越的特點。作為面向新世紀(jì)的建筑減災(zāi)技術(shù)，在輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系中，應(yīng)充分采用。隔震即隔離地震。在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置一層隔震層（隔震層可采用橡膠隔震支座），把房屋結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)隔離開來， 隔離地面運(yùn)動能量向建筑物的傳遞，以減少建筑物的地震反應(yīng)，即地震時建筑物只發(fā)生輕微運(yùn)動和變形，從而保證建筑物的安全。消能減震則是通過在建筑物中設(shè)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锏哪芰恳徊糠直幌懿考?，一部分由結(jié)構(gòu)的動能和變形能承擔(dān)，以此達(dá)到減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。 （2） 輕型鋼結(jié)構(gòu)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(qiáng)度將降至室溫的一半， 溫度達(dá)到600度時，鋼材基本喪失全部強(qiáng)度和剛度。當(dāng)建筑采用無防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)時, 一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞甚至倒塌，所以，鋼結(jié)構(gòu)一方面要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計, 另一方面要采用防火保護(hù)措施。一般不加保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)耐火極限僅為10-20min。為提高鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能，需采取防火措施，使鋼構(gòu)件達(dá)到規(guī)定的耐火極限要求。鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)措施有三種：一是緊貼包裹法。采用防火涂料，緊貼鋼構(gòu)件的外露表面，將鋼構(gòu)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(dá)0.5-1.5h，非膨脹型防火涂料，耐火極限可達(dá)0.5-3h。二是空心包裹法。采用防火板或耐火磚，沿鋼構(gòu)件的外圍邊界，將鋼構(gòu)件包裹起來。三是實心包裹法。采用混凝土將鋼構(gòu)件澆注在其中。 （3） 輕型鋼結(jié)構(gòu)的防腐 鋼結(jié)構(gòu)耐銹蝕性較差，產(chǎn)生銹蝕后，會使構(gòu)件截面減少，降低承載能力, 影響結(jié)構(gòu)的使用壽命, 特別 是對輕型鋼結(jié)構(gòu)影響更大。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定, 除有特殊需要外，設(shè)計中一般不應(yīng)因考慮銹蝕而加大鋼材截面或厚度。為此，需采取措施防止鋼結(jié)構(gòu)腐蝕。非金屬涂層保護(hù)，是鋼結(jié)構(gòu)防腐最常用的一種方法。在鋼材表面涂以非金屬保護(hù)層，使鋼材不受空氣中有害介質(zhì)的侵蝕。目前，我國涂料品種多，價格便宜，施工方便。鋼結(jié)構(gòu)除必須采取防銹措施外，尚應(yīng)在構(gòu)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(gòu)造措施雖沒有直接防銹的作用，但它可為減緩鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕速度創(chuàng)造一個良好的環(huán)境，對鋼結(jié)構(gòu)的防銹起著積極的作用，在從事鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計時這些構(gòu)造防腐措施不可忽視。5、 輕型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的機(jī)遇及發(fā)展中存在的主要問題（1） 輕型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的機(jī)遇 我國鋼產(chǎn)量1978年為3178萬噸，1999年為12395萬噸，目前年產(chǎn)近3億噸，已成為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國和鋼材消費國。重視鋼結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大鋼結(jié)構(gòu)的使用范圍，已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的迫切需要。隨著鋼鐵企業(yè)進(jìn)一步推出適合建筑使用的高品質(zhì)鋼材（如高強(qiáng)、耐候鋼材等），鋼結(jié)構(gòu)將迎來更加良好的發(fā)展機(jī)遇。從建筑市場容量來看，我國建筑業(yè)年增長速度達(dá)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(jié)構(gòu)也提供了一些相應(yīng)的有利政策。（2） 輕型鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在我國得到了空前發(fā)展，我國也出臺了很多相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，為輕型鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了有力支持，但是設(shè)計、施工方法和規(guī)范等仍然落后于輕型鋼結(jié)構(gòu)實際發(fā)展，現(xiàn)有的規(guī)范也很難涵蓋新內(nèi)容。2. 在計算理論和設(shè)計方法方面與發(fā)達(dá)國家也有很大差距，現(xiàn)有計算軟件主要依靠進(jìn)口，且無法同時完成主結(jié)構(gòu)、次結(jié)構(gòu)、附件配置、材料統(tǒng)計等設(shè)計與構(gòu)造工作，因此，急需開發(fā)自主軟件。 3. 輕型鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)住宅所面臨的主要問題不是結(jié)構(gòu)方面的問題，而是怎樣解決與輕型鋼結(jié)構(gòu)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(zhì)量管理相對落后，缺乏精通專業(yè)的技術(shù)人員。單純追求經(jīng)濟(jì)效益，忽視了對輕型鋼結(jié)構(gòu)的制作、安裝中的質(zhì)量控制。廠家往往只注重引進(jìn)多少設(shè)備，不重視研究設(shè)計和配套技術(shù)的投入，導(dǎo)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(jīng)濟(jì)地防腐、防火是擺在工程技術(shù)人員面前的一個重要課題。 6. 缺乏看待發(fā)展輕型鋼結(jié)構(gòu)在環(huán)保方面的意義。 7. 國內(nèi)幾家大型的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)所生產(chǎn)的輕型鋼結(jié)構(gòu)材料規(guī)格和品種非常有限，工程設(shè)計和建設(shè)人員選擇的余地很小，在一定程度上限制了輕型