分析工业建筑钢结构设计中轻钢和重钢的差异

分析工业建筑钢结构设计中轻钢和重钢的差异

刘江

陕西省燃气设计院有限公司，陕西 西安 710043

摘要：伴随着我国工业建设的不断扩张，建筑行业也步入了全新的发展历程，以钢材制作为主的结构，是主要的建筑结构类型之一。钢结构在工业厂房方面的应用一般有轻钢厂房和重钢厂房之称，类似的判定没有一个统一的标准，但可以通过一些数据综合考虑并加以判断。

关键词：工业建筑；钢结构设计；轻钢；重钢；差异

引言

在现代化工业背景下，新型钢结构的日益普及，对城市建设具有重要意义。在钢结构设计特别是钢结构厂房的设计中，针对厂房来说一般有轻钢厂房和重钢厂房之称，下面从规范和实际工程来分析两者之间的简要差异。

1 工业建筑设计中轻钢和重钢的差异

1.1轻钢

按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）（以下简称“门刚规范”）总则1.0.2规定，本规范适用于：（1）房屋高度不大于18m，房屋高宽比小于1；（2）承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架；（3）具有轻型屋盖；（4）无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1~A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层钢结构房屋。这里所指的单梁吊车并未给出限制，是由于单梁吊车的额定起重量最大值通常不会超过10t，故在单梁吊方面并未明确限制。

以上为门刚规范给出的适用条件，即轻钢结构的适用条件。由于轻型钢结构屋面荷载较轻，因而杆件截面较小较薄，屋盖结构的用钢量也很小，经济指标较好。结合以上内容来看，轻钢主要是指满足规定标准的实腹门式刚架结构。除了上述门式刚架结构外，根据受力构件截面的构成划分，以下结构也应该属于轻钢的范畴：（1）冷弯薄壁型钢结构；（2）方管、圆管等组成的结构；（3）以上各个构件组成的结构。此外，我们也可以根据一些参考数值判定是否为轻钢，如：（1）最大跨度不大于36m；（2）含钢量的限值为45-50kg/m²以下；（3）圆形、H型等构件截面形式；（4）结构形式为门式刚架或类似结构；这些数据也可以判定是否为轻钢结构。

1.2重钢

我国以往的技术文件、规范标准中并没有提出明确的“重钢”概念，主要是有别于轻钢和轻钢结构而衍生出的重钢概念。重钢更多是应用在大型厂房中，如冶金厂房、发电厂汽机房、石化行业压缩机厂房，这类厂房的主要特点为厂房跨度大、檐口高度高、吊车吨位大等。由此可见，重钢是轻钢结构概念提出之后所衍生的概念，所以称为“普钢”更为接近。相比轻钢，重钢（结构）的特点有：（1）厂房行车起吊重量不低于20t；（2）单位钢材用量为50kg/m²以上；（3）构件钢板厚度大于12mm，构件截面是型钢组合结构；（4）厂房高度在18m以上；（5）结构开间在9m以上等。

2 轻钢与重钢的判定

轻钢、重钢结构的判断没有明确统一的标准，但可以根据一些参考值对二者进行判定，如最大跨度、檐高、结构形式、吊车起吊重量、单位钢材用量等，通过上述数值可为轻、重钢的衡量提供一定参考。其实轻钢技术规范中单纯对“轻”的特点进行了强调，并在此基础上规定一些具体内容，但范围仅限于单层门式刚架钢结构。体现在常见的工业建筑上，主要是具有轻型屋盖和轻型外墙的房屋。轻型屋盖和轻型外墙主要是指采用金属压型钢板的屋面和墙面，除了重量轻之外，其蒙皮刚度有利于加强作为平面结构的门式刚架的整体刚度，这也是门式刚架轻型房屋钢结构区别于普通钢结构的重要特点。^[1]

3 轻钢和重钢的区分在工业建筑结构设计中的应用

从工程设计角度来看，具体在结构设计的过程中，对于轻、重钢厂房的区分主要为了在规范的选择上更加贴切，使得结构设计既能满足规范规程对于结构极限状态的要求，又能兼顾经济性，合理控制钢材用量，做到规范所提出的安全适用、经济合理的总体要求。下面以某钢结构厂房为例作为参考。

3.1 工程概况

某工程钢结构厂房长69.5m，宽25.4m，檐口高度19m，女儿墙顶高度20.8m，总建筑面积为1765.30m²。厂房跨度为24m，柱距6.5m，厂房内设32t/8t地面操作吊车一台。屋面恒载0.3KN/m²，屋面活载0.5KN/m²，五十年一遇风荷载为0.5KN/m²，百年一遇雪荷载为0.3KN/m²。建筑抗震设防烈度为 7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为II类 。

3.2 结构计算

首先根据规范选取控制性参数，选取门刚规范和《建筑结构荷载规范》、《钢结构设计标准》中相应的控制参数（表1）进行设计，结果对比详见表2所示。

控制性参数 表1

计算结果对比 表2

以上结果对比明显体现出，采用门刚规范计算得出的主刚架的截面和基础的尺寸较钢结构设计标准计算得出的要小，这是因为两个规范所规定的限值差异较大造成的。

经与门刚规范的适用范围对比，该厂房高度、吊车吨位均超出规范适用范围，门刚规范在条文说明中给出了适用范围的解释：“房屋高度不大于18m，高宽比小于1，主要是针对本规范的风荷载系数的要求而规定的。本规范的风荷载系数主要是根据美国金属房屋制造商协会（MBMA）低矮房屋的风压系数借鉴而来。^[2]”由此可知，单层房屋的尺寸超过门刚规范的适用范围时，其根据门刚规范所查得的体形系数将偏于不安全。

所以主体结构计算不能依据门刚规范进行设计，风荷载体型系数应采用《建筑结构荷载规范》的要求来选取，主刚架的限值应以《钢结构设计标准》作为依据进行设计。值的注意的是，门式刚架钢结构作为一种结构形式，对超出门刚规范适用范围的单层房屋来说依然可以采用，只是主结构的设计应执行《钢结构设计标准》GB50017的相关规定。

4 结论

综上所述，实际工程中可根据一些设计条件进行判定，如最大跨度、檐高、结构形式、吊车起吊重量、单位钢材用量等，并根据不同的设计条件，选择合适的规范条文作为设计依据。当厂房超出门刚规范的适用条件时，则主结构建议执行《钢结构设计标准》的相关规定，抗震设防地区的房屋还应执行《建筑抗震设计规范》GB50011的相关规定。

参考文献

[1] 陈友泉,魏潮文.门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义.

[2] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规范（GB51022-2015）.