轻钢结构的特点与展望
2003-04-15 00:00 来源： 我的钢铁
20世纪90年代以来，我国钢结构建筑的发展十分迅速，特别是轻钢结构的发展更是如火如荼，尤其在工业厂房的建设中更是迅猛。本文拟就轻钢结构的特点、材料选择和设计中的注意问题、发展趋势等作一概略介绍，使读者对轻钢结构有一个比较全面的了解和认识。
一、轻钢结构及其适用范围
所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结构：①冷弯薄壁型钢结构；②热轧轻型钢结构；③焊接或高频焊接轻型型钢结构；5轻型钢管结构；⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。
1、适用范围根据我国目前情况来看，这种结构由于用途广，优势明显，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。对单层工业厂房而言，通常以H形钢，采用焊接连接作为梁柱，以C形或Z形轻钢板作檩条，屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也可以再配钢筋。墙面围护也可采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。
2、主要优点（1）施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需45天至2个月，而若采用钢筋混凝土结构则需要8-12个月左右。
（2）综合经济效益好：施工周期短，可以提前投入使用，提前获取投资效益；采用色彩鲜艳的彩色压型钢板，改善了周边环境的动态感；建筑物本身的自重轻，可以节省投资，耐久性也较好。根据目前我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构，当厂房的跨度越大时，其优势更为明显，这也是竞争的一大优势。
（3）抗震性能好：由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。
（4）宜于拆卸搬迁：一旦业主对所选厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而这是钢筋混凝土建筑所无法具备的。
（5）有利于环保：轻钢结构与目前普遍使用的混凝土结构相比，一是可干式施工，节约用水，施工占地少，产生的噪音小、粉尘少；二是由于自重减轻，基础施工取土量少，对土地这一宝贵资源破坏小；三是大量减少混凝土和砖瓦的使用；四是建筑使用寿命到期，结构拆除产生的固体垃圾少，废钢资源回收价格高。从目前来看，钢结构建筑是对城市环境影响最小的一种结构之一，在西方已被广泛采用，所以有“绿色建筑”之称。
随着近年来防火、防腐新产品的不断出现，已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。
当然，轻型钢结构也有一些自身的不足之处。如耐火性、耐腐蚀性差等。因此对有较高耐火性要求的钢结构建筑和一些酸洗车间等结构，用于钢结构防火和防腐蚀上的投入也相当大。
二、材料选择和设计中的注意事项
轻钢结构作为普通钢结构的衍生结构，其基本计算理论和后者基本相同。这里着重强调几点：
1、在用材上应优先采用“H”形钢，它受力合理，拼接方便，加工容易。对于承重结构宜用Q235钢或低合金钢中的16Mn、15MnV或15MnV钢，但需注意Q235?A钢的含碳量不作为交货条件，可焊性无保证，故不宜用作焊接结构。对于板厚大于25mm的梁翼缘与柱，现场焊接的梁柱节点不宜用Q235?B.F，应尽量选用Q235?B.F或Q235?B.b，对于特别重要结构宜选用Q235?C或Q235?D。
2、对厚度为17?40mm的Q235钢的设计指标比现行GBJ17?88《钢结构设计规范》中的规定值提高5Mpa（上海标准），焊缝强度也作了相应调整。
3、考虑了技术进步因素，将主要受力构件的壁厚调小了，即在现行GBJ18?87《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中的主要受力构件的壁厚不小于2mm调整为不小于1.5mm，框架梁柱构件不小于3mm。
4、在风荷载作用下，门式刚架的侧移按GBJ18?87《冷弯薄壁型钢结构技术规范》规定为柱顶高度的1／150。但在这2个规程中均作了细化规定并作相应调整，但具体数值不尽相同。设计者在使用时应予以注意。
5、在设计刚架、屋架和檩条等时，应考虑由风吸力作用所引起构件内力变化的不利影响，此时永久荷载分项系数取为1.0。这一规定主要是考虑到当设计的刚架、屋架、檩条在屋面材料较轻的情况下，若受风吸力作用，构件内力将会变号，会出现拉杆变为压杆的情况。在内力变号时永久荷载起减载作用，若仍将永久荷载分项系数取为1.2，则会造成结构可靠度的降低，导致不安全因素。
三、未来展望
当前，我国钢结构（含轻钢结构）发展的形势很好，我国钢结构年产已超过1亿吨，可以预言，21世纪将是钢结构快速发展时期，长期以来，由混凝土结构、砌体结构一统天下的格局将被打破，从事钢结构制造的施工企业前景广阔，各建筑设计院也面临着新的机遇和挑战。但是，以下几点仍需各方加以重视。
1、应加大推广钢结构建筑的宣传力度目前，钢结构行业的竞争非常激烈。这种竞争，更重要的来自于钢结构和钢筋混凝土结构这两种建筑之间的竞争。美国、日本等发达国家，钢结构建筑要占整个建筑的50％以上，而我国只占5％还不到，差距甚远。钢结构建筑具有很大的发展潜力。
对于钢结构与混凝土结构的造价问题，应有一个全面、综合的认识，不能笼统地认为钢结构比混凝土结构造价贵。事实上一个高层建筑的工程总投资、包括工程造价，动迁费、征地费等许多方面，工程造价只占工程总投资的50％。而工程造价又包括结构造价、装饰造价、设备造价等，结构造价只占工程造价的30％左右。而结构造价又分上部结构和基础造价，上部结构造价占总结构造价的50％?70％。而钢结构只是工程中的上部结构部分，在工程总投资中仅占10％还不到。因此，高层建筑采用钢结构与采用混凝土结构间的差价所占工程总投资的比例将更小，一般不到工程投资的4％。
3、推广应用轻钢结构住宅建筑钢结构虽然发展很快，但在住宅领域应用还很少。全国每年要建数千万平方米的住宅建筑，但采用钢结构的几乎没有。目前，上海、北京、大连等地，都在积极开展多层轻钢结构建筑试点。多层轻钢结构住宅可提高居住功能水准，有利于构件标准化，减少成本，提高施工速度，钢结构自重轻，可以减少地基费用，抗震性能好，能消化我国大量库存钢材。发展多层钢结构住宅是量大面广的工程类型，它的启动将为建筑钢结构开辟新的应用领域。
4、应积极提高各钢结构制造、施工企业、设计院所等技术人员的业务水平
我国在较长一段时间内，由于钢结构使用很少，各设计院所、建筑企业大多从事单一的混凝土结构工程的设计和施工。目前应大力加强和提高各级技术人员的钢结构业务水平。另外，应充分发挥各高等学校、学术团体的技术优势，定期举办钢结构技术讲座、规范培训班等。
5、发展钢结构要在政策上给予支持和倾斜这种政策性的扶持应包括：把钢结构技术的发展纳入国家建筑技术发展规划，并在科研项目、经费等方面予以重点支持；对于钢结构的住宅建筑，在土地征用、税收等方面予以优惠，以降低建设成本，使其更具市场竞争力；大力推广使用国产钢材，以此和钢铁生产企业形成良性循环。轻钢结构可做到大跨度、大空间，而且具有分隔使用灵活、施工速度快、抗震有利等的优点。且轻钢结构属绿色环保建筑体系，它的崛起必将给建筑业带来一次产业革命。
6、发展的关键是标准化和产业化我国的轻钢结构发展的比较迅速，但到目前为止全国还没有统一的技术标准，轻钢结构在住宅建筑上的应用基本上还是空白。上海每年竣工的住宅使用面积为1500万平方米，但只有很少一部分是采用轻钢结构的。在全国范围，轻钢结构在多层或高层住宅中的应用更是罕见。制约轻钢结构发展的瓶颈问题是产品的标准化和定型化。还有各种标准、规范、技术文本的滞后，都不利于轻钢结构体系发展的产业化。
一、轻钢结构及其适用范围
所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结构：①冷弯薄壁型钢结构；②热轧轻型钢结构；③焊接或高频焊接轻型型钢结构；5轻型钢管结构；⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。
1、适用范围根据我国目前情况来看，这种结构由于用途广，优势明显，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。对单层工业厂房而言，通常以H形钢，采用焊接连接作为梁柱，以C形或Z形轻钢板作檩条，屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也可以再配钢筋。墙面围护也可采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。
2、主要优点（1）施工周期短：轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需45天至2个月，而若采用钢筋混凝土结构则需要8-12个月左右。
（2）综合经济效益好：施工周期短，可以提前投入使用，提前获取投资效益；采用色彩鲜艳的彩色压型钢板，改善了周边环境的动态感；建筑物本身的自重轻，可以节省投资，耐久性也较好。根据目前我国的市场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构，当厂房的跨度越大时，其优势更为明显，这也是竞争的一大优势。
（3）抗震性能好：由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。
（4）宜于拆卸搬迁：一旦业主对所选厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，而这是钢筋混凝土建筑所无法具备的。
（5）有利于环保：轻钢结构与目前普遍使用的混凝土结构相比，一是可干式施工，节约用水，施工占地少，产生的噪音小、粉尘少；二是由于自重减轻，基础施工取土量少，对土地这一宝贵资源破坏小；三是大量减少混凝土和砖瓦的使用；四是建筑使用寿命到期，结构拆除产生的固体垃圾少，废钢资源回收价格高。从目前来看，钢结构建筑是对城市环境影响最小的一种结构之一，在西方已被广泛采用，所以有“绿色建筑”之称。
随着近年来防火、防腐新产品的不断出现，已较好地解决了轻钢结构抗腐蚀性差的缺点，使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。
当然，轻型钢结构也有一些自身的不足之处。如耐火性、耐腐蚀性差等。因此对有较高耐火性要求的钢结构建筑和一些酸洗车间等结构，用于钢结构防火和防腐蚀上的投入也相当大。
二、材料选择和设计中的注意事项
轻钢结构作为普通钢结构的衍生结构，其基本计算理论和后者基本相同。这里着重强调几点：
1、在用材上应优先采用“H”形钢，它受力合理，拼接方便，加工容易。对于承重结构宜用Q235钢或低合金钢中的16Mn、15MnV或15MnV钢，但需注意Q235?A钢的含碳量不作为交货条件，可焊性无保证，故不宜用作焊接结构。对于板厚大于25mm的梁翼缘与柱，现场焊接的梁柱节点不宜用Q235?B.F，应尽量选用Q235?B.F或Q235?B.b，对于特别重要结构宜选用Q235?C或Q235?D。
2、对厚度为17?40mm的Q235钢的设计指标比现行GBJ17?88《钢结构设计规范》中的规定值提高5Mpa（上海标准），焊缝强度也作了相应调整。
3、考虑了技术进步因素，将主要受力构件的壁厚调小了，即在现行GBJ18?87《冷弯薄壁型钢结构技术规范》中的主要受力构件的壁厚不小于2mm调整为不小于1.5mm，框架梁柱构件不小于3mm。
4、在风荷载作用下，门式刚架的侧移按GBJ18?87《冷弯薄壁型钢结构技术规范》规定为柱顶高度的1／150。但在这2个规程中均作了细化规定并作相应调整，但具体数值不尽相同。设计者在使用时应予以注意。
5、在设计刚架、屋架和檩条等时，应考虑由风吸力作用所引起构件内力变化的不利影响，此时永久荷载分项系数取为1.0。这一规定主要是考虑到当设计的刚架、屋架、檩条在屋面材料较轻的情况下，若受风吸力作用，构件内力将会变号，会出现拉杆变为压杆的情况。在内力变号时永久荷载起减载作用，若仍将永久荷载分项系数取为1.2，则会造成结构可靠度的降低，导致不安全因素。
三、未来展望
当前，我国钢结构（含轻钢结构）发展的形势很好，我国钢结构年产已超过1亿吨，可以预言，21世纪将是钢结构快速发展时期，长期以来，由混凝土结构、砌体结构一统天下的格局将被打破，从事钢结构制造的施工企业前景广阔，各建筑设计院也面临着新的机遇和挑战。但是，以下几点仍需各方加以重视。
1、应加大推广钢结构建筑的宣传力度目前，钢结构行业的竞争非常激烈。这种竞争，更重要的来自于钢结构和钢筋混凝土结构这两种建筑之间的竞争。美国、日本等发达国家，钢结构建筑要占整个建筑的50％以上，而我国只占5％还不到，差距甚远。钢结构建筑具有很大的发展潜力。
对于钢结构与混凝土结构的造价问题，应有一个全面、综合的认识，不能笼统地认为钢结构比混凝土结构造价贵。事实上一个高层建筑的工程总投资、包括工程造价，动迁费、征地费等许多方面，工程造价只占工程总投资的50％。而工程造价又包括结构造价、装饰造价、设备造价等，结构造价只占工程造价的30％左右。而结构造价又分上部结构和基础造价，上部结构造价占总结构造价的50％?70％。而钢结构只是工程中的上部结构部分，在工程总投资中仅占10％还不到。因此，高层建筑采用钢结构与采用混凝土结构间的差价所占工程总投资的比例将更小，一般不到工程投资的4％。
3、推广应用轻钢结构住宅建筑钢结构虽然发展很快，但在住宅领域应用还很少。全国每年要建数千万平方米的住宅建筑，但采用钢结构的几乎没有。目前，上海、北京、大连等地，都在积极开展多层轻钢结构建筑试点。多层轻钢结构住宅可提高居住功能水准，有利于构件标准化，减少成本，提高施工速度，钢结构自重轻，可以减少地基费用，抗震性能好，能消化我国大量库存钢材。发展多层钢结构住宅是量大面广的工程类型，它的启动将为建筑钢结构开辟新的应用领域。
4、应积极提高各钢结构制造、施工企业、设计院所等技术人员的业务水平
我国在较长一段时间内，由于钢结构使用很少，各设计院所、建筑企业大多从事单一的混凝土结构工程的设计和施工。目前应大力加强和提高各级技术人员的钢结构业务水平。另外，应充分发挥各高等学校、学术团体的技术优势，定期举办钢结构技术讲座、规范培训班等。
5、发展钢结构要在政策上给予支持和倾斜这种政策性的扶持应包括：把钢结构技术的发展纳入国家建筑技术发展规划，并在科研项目、经费等方面予以重点支持；对于钢结构的住宅建筑，在土地征用、税收等方面予以优惠，以降低建设成本，使其更具市场竞争力；大力推广使用国产钢材，以此和钢铁生产企业形成良性循环。轻钢结构可做到大跨度、大空间，而且具有分隔使用灵活、施工速度快、抗震有利等的优点。且轻钢结构属绿色环保建筑体系，它的崛起必将给建筑业带来一次产业革命。
6、发展的关键是标准化和产业化我国的轻钢结构发展的比较迅速，但到目前为止全国还没有统一的技术标准，轻钢结构在住宅建筑上的应用基本上还是空白。上海每年竣工的住宅使用面积为1500万平方米，但只有很少一部分是采用轻钢结构的。在全国范围，轻钢结构在多层或高层住宅中的应用更是罕见。制约轻钢结构发展的瓶颈问题是产品的标准化和定型化。还有各种标准、规范、技术文本的滞后，都不利于轻钢结构体系发展的产业化。
