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【摘 要】伴随着我国建筑业的高速发展，轻型钢结构建筑逐渐较多地进入人们的视野，在轻钢结构设计过程中，如何选用合理的参数和构造形式，实现更合理的技术经济性能，是设计人员所需要考虑和深入研究的问题，本文从设计角度对轻钢结构计算参数及连接构造等问题进行分析总结。
【关键词】钢结构；轻型；性能特点；计算分析；连接构造
伴随着我国建筑业的高速发展，轻型钢结构因其建筑平面设计有较大的灵活性，并且可采用较大的柱距来提供较大的使用空间等优势，不仅在工业建筑中得到广泛的应用，而且在一些附属建筑设施，如造型新颖独特，屋盖自重较轻的公共建筑，或者与混凝土框架结合形成大跨度共享空间的屋盖体系等方面也发挥其特长，应用日益深化，逐渐较多地进入人们的视野。
轻型钢结构，首先是钢结构，而“轻型”从结构概念上讲是指结构承受相对较轻的荷载，结构型式包括轻型钢架结构和轻型钢框架结构。在轻钢结构设计过程中，如何选用合理的参数和构造形式，实现更合理的技术经济性能，是设计人员所需要考虑和深入研究的问题，本文从设计角度对轻钢结构计算参数及连接构造等问题进行分析总结，与同行共同商榷。
一、轻型钢结构技术性能特点
1、钢结构材料轻质而高强，显著减轻自重。
在设计工作中，为保证承重结构的承载能力和防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据结构的重要性、荷载特征、结构形式和工作环境等因素综合考虑，选用合适的钢材牌号和材性。Q345和Q235钢相比，屈服强度提高了45%左右，因此当结构构件截面由强度控制并有条件时，优先选用Q345钢，而构件截面由刚度控制时，优先选用Q235钢。
2、钢结构钢材在具有高强度的同时，还具有高延性，高韧性。
按《抗震设计规范》规定，弹性计算阶段层间位移限值，以框架结构为例，对于钢筋混凝土结构规定为h/550，而对于钢结构则可放宽到h/250，两者相差2.2倍。可见在地震作用下，由于钢结构有良好延性的优势特征，不仅因吸能而减弱地震作用，而且属于较理想的弹塑性结构，具有良好的强震变形能力。同时优质结构钢的屈强比均可达到1.2以上，更保证了钢材延性能力的发挥。
3、建筑平面设计有较大的灵活性
轻钢结构便于大柱网、大开门和提供较大共享空间等特殊平面布置，更好地满足建筑对大空间、独特造型、美观大方的设计要求，同时轻钢结构在设计大跨度时，有明显的经济效益。
二、轻钢结构整体计算分析的一般原则
轻型钢结构与钢筋混凝土结构相比，在结构体系，内力分析和设计程序上有很多共性，但由于材料不同，在结构形式、构件计算、构造处理方法等方面又有显著的差别，因此，轻型钢结构又具有自己的特点，包括以下几个方面：
1、结构的阻尼比
结构的阻尼比，是反映结构内部在动力作用下相对阻力情况的参数。通常，结构整体刚度越柔，阻尼比取值越小。不同的钢结构体系都有着不同的地震和风荷载阻尼比，不同的阻尼比对设计结果会产生较大影响。
根据《抗震设计规范》8.2.2条规定，“钢结构抗震计算的阻尼比，多遇地震下的计算，高度不大于50m是可取0.04”；根据《荷载设计规范》8.4.4条规定风荷载作用下“结构阻尼比，对钢结构可取0.01，对有填充墙的钢结构房屋可取0.02”。
2、楼（屋）面板对梁的约束能力弱
现浇楼板在采用刚性楼板假定时，楼板作为梁的翼缘，是梁的一部分，在结构分析时考虑了混凝土塑性变形内力重分布，考虑了楼板对梁的扭转的约束作用及楼板对梁的刚度的贡献。而轻型钢结构屋面通常由轻型屋面材料、檩条等组成，其连接构造和连接方式，不能达到刚性楼板假定的要求，因而轻型钢结构在梁端负弯矩调幅、梁扭矩折减和中梁刚度放大几个参数的输入上，与混凝土框架结构不同，均不能考虑楼板的有利作用；另外，钢框架结构的翼缘、腹板和加劲肋均较薄，梁柱节点并非理想的刚性节点，在框架梁柱节点域实际存在剪切变形，这种剪切变形会使钢框架产生不容忽视的水平位移，因此，钢框架结构节点域通常不作为刚域考虑。
3、考虑P-Δ效应
稳定问题是钢结构设计必须考虑的关键问题之一。由于钢框架在水平荷载作用下容易产生较大的水平位移，导致竖向荷载对结构产生附加内力，使结构的水平位移进一步增加，从而减低结构的承载力和整体稳定性，这种现象称为P-Δ效应，是重力二阶效应的重要组成部分。而计及二阶效应的结构极限承载力计算是稳定分析的主要内容，因此《抗震设计规范》8.2.3条规定，钢结构应考虑P-Δ效应，“应计入重力二阶效应”。
根据理论分析和实例计算，只要将结构的层间位移、柱的轴压比和长细比控制在一定范围之内，就能控制二阶效应对结构极限承载力的影响。
此外，如结构周期折减系数、活荷载不利布置等参数，需要根据项目的具体情况进行考虑。着重构件应力比和挠度的控制，梁的应力比控制在0.8~0.9，柱应力比在0.85以下，同时满足挠度的要求，进行多种核算，对比分析，得出安全、合理、经济的计算结果。
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三、为了使计算与实际相符，尚需满足基本构造和具体构件连接构造要求
（一）、钢结构梁柱连接的构造形式：
1、梁柱刚性连接设计
1）、梁柱刚性连接的构造形式有三种：全焊接链接，栓焊混合连接，全栓接连接。
梁柱连接节点主要验算内容：梁柱连接的承载力、柱腹板的局部抗压承载力和柱翼缘板的刚度，以及梁柱节点域的抗剪承载力
常用设计计算原则为翼缘和腹板分别承担弯矩和剪力，计算容易，结果偏于安全。但是事实上，根据钢结构梁柱刚性连接节点的抗震设计和节点设计，不做任何处理地将钢梁与钢柱进行栓焊等强连接是很难达到强节点弱构件的设计要求，对加强式节点设计具体做法主要有三种方式：梁端翼缘加焊楔形盖板、梁端底部加腋、犬骨式连接。而三者都存在增加施工难度的问题。实践证明，第四种方式：梁端翼缘加宽方式，当建筑对梁宽没有特殊要求的情况下，施工更为实用便捷。
梁柱刚性连接时，按抗震设防的结构，柱在梁翼缘上下各500mm节点范围内，柱翼缘和柱腹板间或箱型柱壁板间的组合焊缝应采用全熔透坡口焊。
2）、工字型截面柱在弱轴与主梁刚性连接
当工字形截面柱在弱轴与主梁刚性连接时，应在主梁翼缘对应位置设置柱水平加劲肋，在梁高范围内设置柱的竖向连接板，其厚度应分别与梁翼缘和腹板厚度相同。柱水平加劲肋与柱翼缘和腹板均为全熔透坡口焊，竖向连接板与柱腹板连接为角焊缝连接。
2、梁与柱的铰接
梁与柱的铰接连接分为：仅梁腹板连接、仅梁翼缘连接；
柱在弱轴与梁铰接分为：柱上伸出加劲板与梁腹板相连、梁与柱用双盖板相连。
（二）、柱的拼接节点
柱的拼接节点一般都是刚接节点，柱拼接接头应位于框架节点塑性区以外，一般宜在框架梁上方1.3m左右。考虑运输方便及吊装条件等因素，柱的安装单元一般采用长度10~12m左右。根据设计和施工的具体条件，柱的拼接可采取焊接或高强螺栓连接。
按非抗震设计的轴心受压柱或压弯柱，当柱的弯矩较小且不产生拉力的情况下，柱的上下端应铣平顶紧，并与柱轴线垂直。柱的25%的轴力和弯矩通过铣平端传递，此时柱的拼接节点可按75%的轴力和弯矩和全部剪力设计。抗震设计时，柱的拼接节点按与柱截面等强原则设计。
非抗震设计时的焊缝连接，可采用部分熔透焊缝，坡口焊缝的有效深度不宜小于板厚度的1/2，有抗震设防要求的焊缝连接，应采用全熔透坡口焊。
（三）、梁梁连接
梁梁连接有两种情况，一是主梁与主梁的连接，二是次梁与主梁的连接。
主梁的工地拼接主要用于梁与柱全焊接节点的柱外悬臂梁段与中间梁段的连接，其拼接形式有：栓焊连接、全栓接、全焊接。次梁与主梁的连接通常设计为铰接，主梁作为次梁的支座，次梁视为简支梁，其拼接形式为：次梁的腹板与主梁的竖向加劲板用高强螺栓连接，当次梁内力和截面较小时，也可直接与主梁腹板连接。当次梁跨数较多，跨度、荷载较大时，次梁与主梁的连接宜设计为刚接，此时次梁可视作连续梁，这样可以减少次梁的挠度，节约钢材。
（四）、刚接柱脚设计
常见柱脚分为：埋入式、外包式、外露式。用外露式柱脚现场安装定位方便。轻型钢架及轻型钢框架结构通常采用外露式柱脚。
设计时应注意柱脚的刚度是靠底板的弹性变形或塑性变形来实现的，这就意味着整个结构变形包括钢结构本身变形和底板受拉后引起的整体变形。如在内力分析时视外露式为刚性柱脚，设计要考虑层间位移角限值留有一定的富余，同时应考虑底层钢柱反弯点下移引起的柱顶弯矩增大。
另外，根据节点设计要求，为保证罕遇地震时不发生柱脚节点先于钢柱破坏，柱脚节点连接处的极限抗弯承载能力应大于1.1倍钢柱的塑性受弯承载力（wpc）。常见设计方法是根据柱脚及反力来确定柱脚螺栓直径，连接焊缝。这样只能保证柱脚节点在多遇地震下具有一定强度而不破坏，而柱脚弯矩设计值所代表截面抵抗模量，一般小于钢柱本身截面抵抗模量（wx）。以H628x260x10x14工字钢为例，1.1 wpc/ wx=1.25倍，外露式柱脚很难保证这项设计要求。而另外两种柱脚方式，在传递钢柱内力时则很容易满足该项要求，而且传力明确，构造简单，节省钢材。
四、小结
在轻钢结构设计中，根据建筑功能和荷载标准，应该充分考虑合理的受力模式，重视构件应力比和挠度的控制，在保证安全的前提下把握经济效益。随着轻钢结构建筑的逐渐增多，在具体的轻钢结构设计过程中，需要考虑和注意的问题还很多。结构工程师在设计过程中，应不断提升专业素质，把轻型钢结构设计做得更安全、更合理、更经济。
参考文献：
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[4] 钢结构设计手册（上册）ISBN 7-112-06110-5 2003 [ TU ] 391.04-62
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[6] 周绪红.钢结构设计指导与实例精选 ISBN 978-7-112-09613-8 2007 [ TU ] 391.04
[7] 杨星.PKPM结构软件从入门到精通 ISBN 978-7-112-10210-5 2008 [ TU ] 311.41
论文作者:何燕
论文发表刊物:《低碳地产》2016年第10期
论文发表时间:2016/9/1
标签：钢结构论文; 结构论文; 节点论文; 梁柱论文; 腹板论文; 荷载论文; 弯矩论文; 《低碳地产》2016年第10期论文;