浅谈轻钢结构建筑设计

 装修问答     |      2018-10-30 20:42
轻钢结构是指由下列钢材所构成的结构:冷弯薄壁型钢结构;热轧轻型钢结构;焊接或高频焊接轻型钢结构;轻型钢管结构;板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。钢结构一般分为普通钢结构和轻钢结构,它们之间并无明显的界限。其计算规则都是一样的。所谓轻钢结构,一般是结构荷载较小,结构杆件也较小,构件壁厚较薄的一类结构,一般采用门式钢架、屋架和网架为主要承重结构。正因为轻钢结构上作用的荷载较小,所以,使得结构效应产生的内力一般较小,这就使得结构的强度往往不成问题,而由于构件断面较小,截面惯性距较小,使得结构的刚度也随着减小,结构的整体和局部稳定成为在设计中必须引起重视的主要问题。这就是轻钢结构自己的特点。
 一、一体化设计理念
1.建筑结构设计一体化。传统钢结构建筑的设计都是按着先建筑设计后结构设计的理念进行设计,而轻钢结构建筑由于其特殊的材料和先进的设计软件,得以使设计程序实现建筑结构一体化设计,即建筑设计完成与结构设计同时完成。目前,国外知名的设计公司都是遵循这样一条理念,而国内的大多数设计院较为保守,其建筑设计按传统设计方式进行,一方面很难完整地表现其建筑风格,另一方面也破坏了轻钢结构建筑特有的建筑特色。这主要由于目前国内设计院缺少先进的设计软件的原因造成的。今后随着各种先进的钢结构设计软件的引进与开发,这一问题会得到逐步解决。
2. 围护系统与主体结构设计一体化。国内设计项目基本做法是,主体结构的设计、围护系统的设计分开来进行,合理的做法是统一进行设计,为保证建筑整体安装的精确度,如在两柱之间安装轻质墙板,有必要执行建筑模数制。
3. 配件系统与整体建筑系统设计一体化。在安装时或基本保证安装结束的时候,应该是地面上没有多余的配件,建筑上也没有缺少的配件。而实际施工中却是少配件,或者多配件。因为配件系统的设计与整个建筑系统的设计不统一的结果。这里需要考虑配件标准化的问题。

浅谈轻钢结构建筑设计
二、截面优化设计理念
1. 轻钢结构建筑设计,降低其用钢量是设计的主要任务之一,但这就使得结构分析和构件计算变得复杂化。在门式刚架中,常规是采用轻型焊接变截面工形柱和分段变截面工形梁并利用腹板屈曲后强度来完成这一目标。
2.截面优化的实现方法
(1)最优化理论。
把问题归结为一个单目标规划问题,优化的目标函数是用钢量最少或造价最低,各种设计条件如结构反应(应力、位移等)的允许范围等都可作为约束条件,用数学规划的理论来寻求最优解或最满意解
(2)穷举法。
 即把各种合理的构件截面形式都进行计算比较,在满足设计要求的情况下,以用钢量最少或造价最低为控制条件,得到满意的截面尺寸。实际上,完全用最优化理论来实现截面优化设计有一定的复杂性,还需要进一步实践与研究。另外,用穷举法解决截面优化问题时,多因素决定了计算次数随构件数增加而呈指数关系增加,故当刚架构件较多时,要花费很长的计算时间。所以实际上当设计者确定了结构形式后,比较简单易行的方法是按照构件的内力来调整截面尺寸,试算确定重量最小的截面,从而进行变化构件的截面来适应内力变化以达到节约钢材的目的。这种方法不但计算次数少,而且可以人工干预截面优化范围,快速地得到比较理想的截面尺寸。由于截面优化设计的计算量大,采用软件计算是广大设计人员的首要选择。大部分设计软件在截面优化设计计算基本应遵循以下的步骤:
①定义设计限值。定义强度、稳定及变形限值。
②确定截面优化范围。这一步骤中应由程序对定义的范围进行校核,当这个范围不合理时
(最小截面满足或最大截面不够),程序会给出提示,直到优化范围合理。
③进行截面优化。进行截面优化计算
④查看优化结果
三、轻钢结构设计的优点
抗震性:低层别墅的屋面大都为坡屋面,因此屋面结构基本上采用的是由冷弯型钢构件做成的三角型屋架体系,轻钢构件在封完结构性板材及石膏板之后,形成了非常坚固的"板肋结构体系",这种结构体系有着更强的抗震及抵抗水平荷载的能力,适用于抗震烈度为8度以上的地区。
抗风性:型钢结构建筑重量轻、强度高、整体刚性好、变形能力强。建筑物自重仅是砖混结构的五分之一,可抵抗每秒70米的飓风,使生命财产能得到有效的保护。
耐久性:轻钢结构住宅结构全部采用冷弯薄壁钢构件体系组成,钢骨采用超级防腐高强冷轧镀锌板制造,有效避免钢板在施工和使用过程中的锈蚀的影响,增加了轻钢构件的使用寿命。结构寿命可达100年。
保温性:采用的保温隔热材料以玻纤棉为主,具有良好的保温隔热效果。用以外墙的保温板,有效的避免墙体的“冷桥”现象,达到了更好的保温效果。100mm左右厚的R15保温棉热阻值可相当于1m厚的砖墙。
隔音性:隔音效果是评估住宅的一个重要指标,轻钢体系安装的窗均采用中空玻璃,隔音效果好,隔音达40分贝以上;由轻钢龙骨、保温材料石膏板组成的墙体,其隔音效果可高达60分贝。
舒适性:轻钢墙体采用高效节能体系,具有呼吸功能,可调节室内空气干湿度;屋顶具有通风功能,可以使屋内部上空形成流动的空气间,保证屋顶内部的通风及散热需求。
轻钢结构是一种年轻而极具生命力的钢结构体系,已广泛应用于一般工农业、商业、服务性建筑,如办公楼、别墅、仓库、体育场馆、娱乐、旅游建筑和低、多层住宅建筑等领域,还可用于旧房增层、改造、加固和建材缺乏地区、运输不便地区、工期紧、活动式可拆迁建筑等,倍受业主青睐。
四、轻钢结构设计方法
 1. 选用材料
用于承重的冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢和钢板,?应采用现行国家标准《碳素结构钢》规定的Q235和《低合金高强度结构钢》规定的Q345钢。
 2. 优化目标
在进行轻钢结构设计时,应在确保结构安全的前提下,使结构的用钢量最省、造价最低。这也就是我们采用优化设计方法的优化目标。而在实际设计中,轻钢结构的用钢量和造价又是由结构杆件的截面尺寸决定的。因此,我们的优化目标可以直接简化为如何选择经济合理的截面尺寸,使其在满足强度、刚度、稳定性等要求的前提下,截面面积最小。
 3.优化方法
与网架钢结构的优化方法相似,门式刚架结构的优化方法也采用渐近满应力法,即门式刚架结构杆件通过多次计算分析选择修改其截面尺寸,使其达到或尽量接近满应力状态,直到门式刚架结构的全部杆件的截面尺寸不需修改为止,使门式刚架结构的用钢量最小,以达到造价最低的优化目标。构件截面尺寸的修改,也就是截面尺寸的优化,其方法是选取的截面尺寸力求其在平面、出平面两个方向的截面抗弯抵抗力矩最大,而其截面面积最小,即在外荷载作用下,截面尺寸的选择既要能满足强度、稳定验算中构件材料的设计强度要求,又要使材料用量最省。
五、小结
建筑钢结构虽然发展很快,但在住宅领域还是空白。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。当然这和我国传统思想、观念以及对钢结构的认识偏差有关。可喜的是,全国有不少政府在这方面都做出了不少的努力,比如天津市政府已率先示范,启动了轻型钢结构建筑,建设10万平方米的轻钢住宅,其示范效应不可低估。我们要学好轻钢结构的设计方法,能在以后对轻钢住宅建筑的发展作出应有贡献。