工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)中輕鋼和重鋼差異

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【摘要】本文首先闡述了輕鋼與重鋼的相關(guān)含義，分別從鋼結(jié)構(gòu)判定方法、輕鋼材料表現(xiàn)特點(diǎn)以及重鋼本身所具有的特點(diǎn)說(shuō)明二者之間存在的差異性，并分析輕鋼與重鋼在建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)特性以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的實(shí)際運(yùn)用，以期為后續(xù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有序進(jìn)行提供參考。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；輕鋼；重鋼

0引言

現(xiàn)代化工業(yè)背景下，促使新型鋼結(jié)構(gòu)得到大范圍普及，國(guó)家推行的裝配式建筑，鋼結(jié)構(gòu)直接為裝配式建筑，主體建筑和維護(hù)系統(tǒng)都為裝配式建筑，間接加快了城市建設(shè)的步伐。在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，可以將其細(xì)化為兩種類(lèi)型即輕鋼、重鋼，二者之間的差異性并不在于其結(jié)構(gòu)本身，但在對(duì)比時(shí)，也未制定出明確的界限，對(duì)此需重視對(duì)輕、重鋼差異性的分析，以此保證工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量。

1輕鋼與重鋼介紹

（1）輕鋼。根據(jù)《門(mén)式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（GB51022—2015）相關(guān)內(nèi)容可以明確輕鋼的相關(guān)定義：實(shí)腹門(mén)式鋼架的承重結(jié)構(gòu)為單跨或多跨形式，是一種輕鋼屋架（如圖1所示），也可以被視為鋼結(jié)構(gòu)架，在制作輕型鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，可以應(yīng)用輕鋼預(yù)制板結(jié)構(gòu)。房屋高度不大于18m，房屋高寬比小于1，承重結(jié)構(gòu)為單跨或多跨實(shí)腹門(mén)式剛架、具有輕型屋蓋、無(wú)橋式吊車(chē)或有起重量不大于20t的A1～A5工作級(jí)別橋式吊車(chē)或3t懸掛式起重機(jī)的單層鋼結(jié)構(gòu)房屋?，F(xiàn)階段，后一種制作方法的應(yīng)用較少，預(yù)制板結(jié)構(gòu)原理是在工業(yè)建筑鋼屋架的上方安裝預(yù)制板，但在實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，上述提到的兩類(lèi)結(jié)構(gòu)一般會(huì)選用鋼柱作為結(jié)構(gòu)支撐。一般來(lái)說(shuō)，有關(guān)于預(yù)制板的厚度并沒(méi)有明確的說(shuō)明與規(guī)定，設(shè)計(jì)為0.6～12cm即可。在輕型鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際使用期間，需先將已制作完成的預(yù)制板運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，嚴(yán)格按照要求與規(guī)范對(duì)預(yù)制板進(jìn)行安裝，這一工序與混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑不同。此外，工業(yè)建筑輕鋼屋架中所使用的彩鋼類(lèi)型輕鋼結(jié)構(gòu)，但通過(guò)分析現(xiàn)階段各工業(yè)建筑工程的施工現(xiàn)狀后可以看出，該類(lèi)屋架結(jié)構(gòu)跨度較大。

（2）重鋼。重型鋼結(jié)構(gòu)與輕型鋼結(jié)構(gòu)是相對(duì)的，在劃分界限方面并不清晰，一般來(lái)說(shuō)，將厚度大于2.5cm的H型鋼柱板制成的鋼構(gòu)件稱(chēng)為重型鋼結(jié)構(gòu)。但實(shí)際而言，輕、重型鋼并沒(méi)有確切分別，因此需結(jié)合工業(yè)建筑工程實(shí)際情況分析二者之間存在的差異及功能。

2工業(yè)建筑設(shè)計(jì)所用的輕鋼與重鋼的區(qū)別

（1）輕鋼重鋼判定標(biāo)準(zhǔn)。判定結(jié)構(gòu)為輕鋼或重鋼時(shí)，并沒(méi)有統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)，在開(kāi)展工業(yè)建筑工程設(shè)計(jì)與施工時(shí)，很多設(shè)計(jì)人員以及施工人員會(huì)根據(jù)自身多年的施工經(jīng)驗(yàn)判斷所選用的鋼結(jié)構(gòu)，但其僅可以明確該建筑需應(yīng)用到的鋼結(jié)構(gòu)類(lèi)型，對(duì)于二者之間的差異性無(wú)法給出準(zhǔn)確的說(shuō)明。因此，在判定輕鋼與重鋼時(shí)，需明確輕鋼材料的表現(xiàn)特點(diǎn)以及重鋼本身所具有的特點(diǎn)，以此為依據(jù)，判斷工業(yè)建筑工程中應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)類(lèi)型。同時(shí)，也可以利用施工時(shí)采集到的數(shù)據(jù)判斷結(jié)構(gòu)類(lèi)型，判定方法如下：①分析建筑施工期間每平方米所使用的鋼結(jié)構(gòu)材料總量，若材料用量大于50kg/m2，則可以將其認(rèn)定為重型鋼結(jié)構(gòu)；②對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)單臺(tái)起吊車(chē)吊起的鋼結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行判斷，若起吊重量不小于25t，便可以將其判定為重鋼；③將構(gòu)件鋼板厚度作為判定依據(jù)，如果鋼板厚度大于1cm，則說(shuō)明在該建筑工程施工中，使用的輕鋼結(jié)構(gòu)較少，間接表明此工程選用的鋼結(jié)構(gòu)為重鋼。此外，還可以依托于多項(xiàng)參數(shù)對(duì)輕鋼與重鋼進(jìn)行判定，比如最大跨度、檐高、結(jié)構(gòu)形式等（如表1所示），若使用的鋼結(jié)構(gòu)為表1中所列舉的數(shù)值，則可以判定工程應(yīng)用的鋼結(jié)構(gòu)是輕鋼。事實(shí)上，不論是站在國(guó)家層面還是技術(shù)層面，均未使用過(guò)“重鋼”作為鋼結(jié)構(gòu)的表達(dá)方法，但為了能夠?qū)⑵渑c輕鋼結(jié)構(gòu)區(qū)分開(kāi)來(lái)，可以將重鋼稱(chēng)為普鋼。因普鋼應(yīng)用的范圍較廣，其中又包括多種類(lèi)型的鋼結(jié)構(gòu)，因輕鋼技術(shù)是以“輕”為特點(diǎn)對(duì)該類(lèi)型鋼結(jié)構(gòu)加以強(qiáng)調(diào)，并以此為依據(jù)，對(duì)一些具體事項(xiàng)進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定，但其涉獵的范圍僅限于單層門(mén)式框架。通常來(lái)說(shuō)，開(kāi)展工業(yè)建筑工程施工時(shí)，會(huì)采取輕鋼、重鋼交替的施工方法，對(duì)于電廠廠房、展覽中心等比較大型的建筑工程會(huì)使用重鋼，而對(duì)于輕鋼屋架中的彩鋼則為輕鋼結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)，輕鋼與重鋼之間的差異性并不體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)本身的重量，而是根據(jù)其所承受?chē)o(hù)材料的重量進(jìn)行確定。

（2）輕鋼材料表現(xiàn)特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)輕鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，因腹板屈曲后，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也會(huì)隨之發(fā)生改變，因此需嚴(yán)格控制對(duì)加勁肋的設(shè)置，應(yīng)用少量的鋼便可，若增加加勁肋的設(shè)置，便會(huì)增加鋼梁整體使用量，間接形成重鋼結(jié)構(gòu)。通常來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)踯?chē)噸位不高于20t時(shí)，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)選擇輕型鋼結(jié)構(gòu)，若超過(guò)限值，則應(yīng)選擇重鋼展開(kāi)建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，因輕鋼在安全度方面無(wú)法達(dá)到相關(guān)要求。此外，開(kāi)展工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，涉及的分類(lèi)較廣，比如電力輸送型、建筑類(lèi)等，站在廣義的視角來(lái)看，鋼結(jié)構(gòu)被認(rèn)定為建筑類(lèi)，如工業(yè)廠房、場(chǎng)館網(wǎng)架等。在工業(yè)建筑表現(xiàn)特點(diǎn)上，主要有輕型屋蓋、輕型外墻等，根據(jù)相關(guān)規(guī)定所提出的在不同抗震區(qū)域，不通過(guò)外墻單層實(shí)腹門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)的均可以被歸類(lèi)為輕型鋼結(jié)構(gòu)。該類(lèi)結(jié)構(gòu)通常指鋼結(jié)構(gòu)單位的重量，一般由輕型材料制成，在制作過(guò)程中，使用的構(gòu)件截面厚度大于0.6cm，小于1.2cm，截面結(jié)構(gòu)多數(shù)為H型。通過(guò)上述對(duì)輕型鋼材料以及鋼結(jié)構(gòu)的分析可以看出，輕鋼是指達(dá)到相關(guān)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)腹門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)。此外，還可以依托于受力構(gòu)件截面構(gòu)成對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，以此確定輕鋼的其他范疇，主要包括三種結(jié)構(gòu)即由方管或圓管組成的結(jié)構(gòu)、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)以及由上述所提到的各個(gè)構(gòu)件共同組成的結(jié)構(gòu)。

（3）重鋼對(duì)比輕鋼特點(diǎn)。相較于輕型鋼結(jié)構(gòu)而言，重鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)有的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：①在同一工業(yè)建筑工程施工中，若使用總鋼材用量超過(guò)50kg/m2，則該建筑工程所使用的鋼結(jié)構(gòu)被認(rèn)定為重鋼結(jié)構(gòu)；②開(kāi)展項(xiàng)目施工期間，如果同時(shí)需要2臺(tái)或2臺(tái)以上的起吊車(chē)，且每臺(tái)車(chē)輛單次起吊重量高于20t時(shí)，便可以說(shuō)明該建筑工程采用的是重型鋼結(jié)構(gòu)；③運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)且在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)后的鋼板厚度不小于1.2cm，構(gòu)件截面為型鋼組合結(jié)構(gòu)時(shí)，則表示該結(jié)構(gòu)為重型結(jié)構(gòu)；④工業(yè)建筑項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)搭建的廠房，檐高大于12m，可以將其認(rèn)定為重鋼；⑤在結(jié)構(gòu)開(kāi)間方面，若開(kāi)間大于900cm，則說(shuō)明該工業(yè)建筑工程所使用的鋼結(jié)構(gòu)為重型鋼結(jié)構(gòu)，需要執(zhí)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017—2017）。

3工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中輕鋼與重鋼的實(shí)際運(yùn)用

某生產(chǎn)廠房規(guī)模為408.5m×84m，主廠房為4跨21m的鋼結(jié)構(gòu)廠房，鋼柱間距設(shè)定為6m，縱向設(shè)置溫度收縮縫。廠房設(shè)計(jì)施工時(shí)，共安排2臺(tái)32t的起吊車(chē)，同時(shí)又引進(jìn)1臺(tái)雙層吊車(chē)，其下方承重能力為20t，上方承重能力為32t，并在適當(dāng)?shù)膮^(qū)域安置2臺(tái)16t的吊車(chē)。

（1）建筑結(jié)構(gòu)。采用框架體系設(shè)計(jì)廠房橫梁，縱向則用鋼柱進(jìn)行支撐，設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)時(shí)，邊柱設(shè)計(jì)成實(shí)腹工字型柱、中柱為格構(gòu)柱、上段柱、屋面房梁為焊接工字型柱。利用角鋼對(duì)屋面進(jìn)行支撐，同時(shí)設(shè)計(jì)適量的縱向支撐，在橫向水平支撐的共同作用下，提高廠房整體剛度。連接水平支撐與梁腹板，并將壓桿安置在適當(dāng)?shù)牟课弧?/p>

（2）設(shè)計(jì)特性。設(shè)計(jì)該廠房時(shí)，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括格構(gòu)柱、分離柱，應(yīng)用到的設(shè)備為下層為20t、下層為32t的雙層吊車(chē)。在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮后，確定格構(gòu)柱與分離柱共同施工的方案：結(jié)構(gòu)柱在工程中所起到的作用是能夠承擔(dān)風(fēng)荷載、屋面荷載等，分離柱的實(shí)際價(jià)值是支撐雙層吊車(chē)的下方吊車(chē)豎向荷載，促使其在力的作用下而分離。利用水平工字型柱將雙肢進(jìn)行連接，以此提高框架內(nèi)部整體穩(wěn)定性，針對(duì)框架外部，則可以采用縱向交叉的方式，實(shí)現(xiàn)外部框架穩(wěn)定性的進(jìn)一步增強(qiáng)。此外，還可以計(jì)算框架內(nèi)部的水平連接間距，其中外部長(zhǎng)度為0.7H，H表示為獨(dú)立柱肢的高度，柱腳則使用直插式插入鋼混凝土杯口內(nèi)。

（3）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)單層廠房柱腳時(shí)，會(huì)使用大量的鋼材，而整體施工中，鋼材的用量占總柱重量的15%左右，因此，為了節(jié)省鋼材用量，減小施工難度，便采取插入式柱腳施工方式，將其插入鋼混凝土杯口中，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定柱腳的埋置深度，在柱底板合適的位置設(shè)置通氣孔。為了保證吊車(chē)梁與最初設(shè)計(jì)方案相符，便將上柱連接與水平連接板分別設(shè)置在相鄰兩個(gè)屋梁上，再使用螺栓將連接板與端部連接在一起。

4結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)化以及建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，促使建筑工程被大規(guī)模建設(shè)，鋼結(jié)構(gòu)作為工業(yè)建筑中重要構(gòu)成部分，需重視對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)比研究后發(fā)現(xiàn)，輕鋼與重鋼存在的差異性由其所圍護(hù)材料的重量而決定，但任何一種鋼結(jié)構(gòu)，均可以為工業(yè)建筑工程整體質(zhì)量與穩(wěn)定性提供保障，達(dá)到增強(qiáng)建筑使用安全性的目的。

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作者:李述祥 單位:卓美雅（成都）項(xiàng)目管理有限公司