輕鋼結構特性和在房屋工程中的應用

由于輕鋼結構具有自重輕、節能環保等特點，特別是其穩定性好、抗震能力強的優勢已經得到國內外建筑界的認可和推廣。本文首先分析了輕鋼結構及其特性，然后詳細闡述了輕鋼結構特性和在房屋工程中的設計要點，很后通過應用案例進一步探討了其設計要點。

一、輕鋼結構及其特性

（一）輕鋼結構

輕鋼結構建筑是以冷彎型鋼、熱軋或焊接H型鋼、T型鋼、焊接或無縫鋼管及其組合構件作為建筑承重骨架，以輕型墻體材料作為圍護結構所構成。輕鋼結構有著抗震性強、自重輕、施工周期短、節能環保等特點，其鋼屋架、梁和立柱的質量只有同等大小木結構質量的1/3、鋼筋混凝土構件的1/2，強度卻是混凝土構件的8倍。當受到地震的作用力時，相同外部環境下，輕鋼結構建筑受到的破壞遠小于砌體結構建筑和混凝土結構建筑受到的破壞。使用輕鋼構件不僅可減少材料，節約成本，更能提高建筑的穩定性。目前輕鋼構件已經在歐美和日本等發達國家得到了廣泛應用，在我國工業和民用建筑，具有廣闊的應用前景。

（二）特性

1、抗側力結構系統

抗側力結構系統可分為純鋼框架體系、框架—支撐體系、鋼框架—混凝土剪力墻體系、周圍抗側力體系等。對于輕鋼結構體系的選擇，可根據建筑平面設計的要求靈活處理，綜合使用不同的抗側力體系。

2、樓面屋蓋系統

樓面和屋蓋都須有足夠的強度、剛度和穩定性，同時應盡量減小樓板厚度，增加室內凈高。壓型鋼板—混凝土組合樓蓋是目前應用較為廣泛的形式。其樓蓋由C形輕鋼格柵與鋪于格柵上的薄板組成。樓面有三種做法，分別為：高密度木纖維水泥板；滿鋪壓型鋼板再澆筑20mm的陶粒輕骨料混凝土；滿鋪定向木纖維板或高密度層壓膠合板。

二、輕鋼結構在房屋建筑工程中的設計要點

（一）鋼架柱與梁

輕鋼結構鋼架柱和梁的設計主要應進行梁柱板件的寬厚比限值計算、梁柱構件的強度計算、梁腹板加勁肋的配置、鋼架柱整體穩定計算等。鋼結構住宅一般為大開間，鋼架柱在兩個方向都承受較大的彎矩，同時應該考慮強柱弱梁的要求。

（二）屋面板樓蓋設計

在多層輕鋼房屋中，樓板須有足夠的承載力、剛度和整體性，除了將豎向荷載直接分配給墻柱外，更主要的作用是保證與抗側力結構的空間協調作用；從抗震角度來看，還應采用相應技術和構造措施減輕樓板自重。常用的樓蓋結構有：壓型鋼板—現澆混凝土組合樓板，現澆鋼筋混凝土板以及鋼—混凝土疊合板，而以第一種很為常用，即在鋼梁上鋪設壓型鋼板，再澆筑100～150mm的鋼筋混凝土板，壓型鋼板與鋼梁之間用栓釘連接。

（三）節點設計

框架梁柱節點一般采用兩種連接方法，弱軸方向與梁的連接多采用鉸接，而強軸方向采用剛接形式。一般均采用在構件端部焊一塊端板（翼緣與端板應采用全焊透對接焊縫，腹板與端板可采用角焊縫），再用高強度螺栓互相連接。

（四）抗震設計

1、樓蓋抗震結構

輕鋼結構樓面體系主要是由樓面機構板、支撐、連接件、托梁以及加勁件幾個部分組成。通常采用纖維水泥壓力板、紙面石膏板、OSB板和ALC板作為樓面結構板的材料，結構板的厚度應大于15mm。為加強樓面腹板各部分的穩定性，宜在樓面梁集中處設置樓面腹板承壓加勁件，樓面板很好不要超過外墻1.2m。若輕鋼結構樓蓋伸出且上部加載承重墻時，懸臂輕鋼段長度不能夠超過跨度的1/3。

輕鋼結構樓蓋系統中的主要受力部分是樓面梁，它需要滿足設計中所要求的剛度和強度。樓面梁受拉部分長細比不能超過350，托梁間距在400mm-600mm很佳。當樓面連續梁跨度較大時，應在中間位置設置支撐，支撐方向與支座方向一致，要求間距小于3m，懸挑梁應在支撐處設置支撐件。樓蓋體系所有構件之間應采用螺栓進行連接，且各部分之間連接應分別滿足相應要求。

2、墻體抗震結構

輕鋼結構的墻體主要由頂部、墻體結構面板、立柱和底部導梁構成，此外，若輕鋼結構作為承重墻或抗震墻，還應該增加支撐、撐桿和拉條。墻體是輕鋼結構的核心部件，它兼具承豎向荷載、抗剪、抗水平荷載、圍護的作用。按照受力功能可將輕鋼結構分為三種：剪力墻、承重墻和非承重墻。承重墻主要承擔豎向荷載，剪力墻承擔水平荷載如水平地震力以及風力。

輕鋼結構的受拉立柱長細比不超過200。在剪力墻及承重墻的立面和剖面設計上，單層墻體高度應小于3.3m，且要保證上下層墻體處于同一垂直面，若有錯位，也應將錯位距離控制在2mm以內。剪力墻體連接時應在墻體端部、洞口兩側和拼裝處使用抗拔連接件，剪力墻和基礎連接處不僅要使用抗拔連接件，還需設置適量的地腳螺栓，地腳螺栓的直徑、布置間距和埋入深度都應符合相關要求。輕鋼結構的門窗要通過角鋼和螺釘等連接件連接到主柱上。若剪力墻或承重墻墻體未連接立柱，則應在未連接的那一端設置鋼帶或撐桿。

3、屋蓋抗震結構

輕鋼結構的屋蓋體系中包括屋架、面板、支撐、檁條和屋面覆蓋材料。屋面材料很好選擇高強耐用、輕質美觀的壓型鋼板。輕鋼結構中，通常采用有檁屋架的三角形或三鉸拱形式。若采用鋼帶拉條支撐屋架時，支撐與其它所有屋架的交點處需用螺釘連接。屋架下弦宜設置縱向支撐桿或鋪設結構板，腹桿處宜設置縱向支撐或交叉支撐，應在屋架上弦桿下翼緣及下弦桿上翼緣設置水平支撐，支撐鋼厚度大于0.84mm。若采用鋼帶支撐，則支撐截面應大于40mm*0.84mm，間距小于1.2mm。

4、開洞要求

開孔位置只允許在梁柱腹板的中心線上，而不允許在梁柱翼緣板及卷邊開孔，孔口應采用厚度大于腹板厚度的鋼板或槽型鋼進行加強。墻體轉角處的低層輕鋼不宜開孔，墻體門窗洞口處應設置梁和立柱。為滿足鋪設管線的要求，需在樓面板開洞，洞的寬度要求小于2.4m，洞孔下部設置桁架或箱型梁以加強樓面板。若樓面板開多個洞孔，開孔中心間距應大于600mm，直徑小于腹板厚度的一半，洞孔邊緣到很近端部支撐構件凈距離大于300mm。

三、應用案例分析

（一）輕鋼結構在民用住宅中的應用

目前輕鋼結構用于民宅的還不多，主要是在新型房屋中，不過由于其顯著的優點，應該在民用住宅領域得到大力的推廣。

（二）輕鋼結構在工業廠房中的應用

某采用輕鋼結構的典型廠房，雙20m跨，雙坡屋面，雙跨各設10t和20t吊車，軌頂處高8m，地處7度地震區。

該設計在廠房中應用較普遍，但有一些問題應該引起重視。其屋蓋橫向水平支撐設在端部第一跨，而柱間支撐則設在端部第二跨，與“在設置支撐的開間，宜同時設置屋蓋橫向水平支撐，以組成幾何不變體系”的原則不符，不能很好地起到作用。

同時這一廠房屋面坡度較大，中柱上柱高（牛腿標高以上）比邊柱高出1.2m，而中柱和邊柱使用同一尺寸的上柱柱間支撐，使得上柱支撐傳來的縱向力不能直接傳到下柱支撐，直至基礎頂面，使柱子中部承受上柱柱間支撐傳來的水平分力，會造成一定的結構隱患。

結語

綜上，輕鋼結構作為一種新型的技術，在我國當前的社會環境下有很大的發展前景。同時我們也要針對具體的工程項目，設計中要注意充分發揮輕鋼結構的優點，避免其缺點。