轻钢框架结构体系施工技术的研究应用

轻钢框架结构体系施工技术的研究应用

贾栋梁

山西二建集团有限公司

0引言

轻型钢结构是现代建筑工程中较普通的结构选型之一，以往在工业建筑中应用较多，如今则更多地用作小型民用公共建筑的结构选型。轻型钢结构形式多样，其中轻钢框架结构是一种以高效能结构钢材等作为建筑主要受力构件，辅以各类建筑围护装饰材料连接组装而成，能满足特定建筑使用功能、造型和空间需求的轻型全装配建筑结构体系。比较传统砖木和混凝土结构体系，轻钢框架结构具有设计灵活、空间利用率高、抗震抗风、保温隔声、环保节能，自重轻、工业化生产、施工周期短，综合效益好等突出优点，具有广阔的应用前景。

1轻钢框架结构体系特征

采用轻钢框架结构体系，其简捷高效的构筑方式对适应复杂空间造型十分有利。针对构件形式及构筑方式的技术特点做简要的概述。

1.1钢结构基础构件

体量相对较大的建筑单体在独立基础承台下设置预应力混凝土管桩，用基础地梁将承台连接成整体，个别体量较小的建筑单体仅采用独立基础承担上部结构荷载。

1.2钢结构框架构件

结构钢柱截面常见为矩形、圆管、工字/H形;结构钢梁截面常见为矩形、T形、工字/H形;楼板或屋面板常见为压型钢板或与现浇混凝土面层组成的复合板;钢檩条截面形式常见为C形，Z形;其他钢构件还包括钢支撑等。

1.3钢框架结构构件连接方式

（1）钢结构梁柱与混凝土构件的连接方式。钢构件与混凝土构件连接部位有三种情况：a.钢柱与混凝土基础承台构件连接；b.钢柱与下部混凝土结构梁板构件连接；c.钢梁与边侧混凝土结构梁、柱构件连接。钢结构柱与混凝土基础承台构件采用刚接锚板式柱脚的连接方式，将上部结构内力传给下部基础。2层钢柱与底层混凝土结构梁板构件也可采用相同的连接方式完成内力传递过程。刚接柱脚一般采用 4 个或以上锚栓连接，以限定柱脚转动使其固定。

钢结构梁与混凝土结构梁柱的连接方式分为铰接( 连接次梁或受力较小构件) 和刚接( 连接主梁或受力较大构件) 两类。钢梁端板靠化学锚栓或膨胀螺栓固定在混凝土柱或梁上，端板上伸出的连接板与钢梁腹板采用高强度螺栓连接。

（2）钢框架结构构件之间连接方式。钢构件之间的连接方式分为焊缝连接和螺栓连接两类。焊缝连接主要为电弧焊，分为对接焊缝和角焊缝两种形式; 螺栓连接主要为普通或高强螺栓及连接件包括螺栓杆、螺母和垫圈。主次钢梁或钢梁与钢柱等主要结构构件之间必须采用刚性连接方式，一般分为全焊连接和栓焊混合连接两类。前者在梁的上下节点处用坡口焊全熔透焊缝，在腹板处用角焊缝与柱翼缘相连接;后者仅在梁的上下翼缘用全熔透焊缝，在腹板处用高强螺栓与柱翼缘上的剪力板连接。

2轻钢结构住宅框架结构体系设计要点

1、纯框架结构体系的设计

2、钢结构住宅的体系相对较多，但是纯钢结构作为基本体系，柱间与柱间不设置竖向支撑体系，往往是使用较大的柱距以保证建筑空间或布局，结构自振的时间持续较长，对地震的感觉不明显，延性较好。此外梁柱之间的接节点应使用钢制结构，能够抵挡风荷载力或地震影响。而那些结构内部不是很重要的构建，则可以使用铰连接，不仅能够保证结构的灵活性，还可以简化连接内部构造的实用性。上文我们也谈到，钢框架结构的侧向刚度是比较柔和的，无论是风荷载力还是地震影响下都极易造成位移情况的出现。建筑设计的过程之中必须要考虑钢的轻度，保证钢材的刚强度和柔韧性，只要满足我国制定的相关技术规程要求对位移区间的要求即可，结构的刚度是设计的重要前提和基础，需要引起严格把关，保证结构能够符合标准。当前我国框架体系应用十分广泛，而主要还是集中在那些二至三层的商场、别墅、住宅等建筑。

2、框架中心支撑体系的设计

当框架体系层数较多时，由于侧向作用力的增大，使得梁柱等构件尺寸也相对较大，失去其经济合理性。这时宜增设支撑，形成框架支撑体系。中心支撑体系包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形或 V 形支撑。

K 形支撑的交点位于柱中，地震时，因受压斜撑屈曲或受拉斜撑屈服引起较大的侧向变形，柱容易首先破坏，因此地震区很少采用。单斜杆支撑应该在结构中相向对称布置，并且每层中不同方向斜杆的截面面积在水平方向的投影，相差不得超过 10％。交叉支撑和人字形支撑在弹性工作阶段，具有较大的刚度，层向变形小，能很好地满足正常使用的功能要求。

交叉支撑在往复荷载作用下，杆件的屈曲变形只在交叉节点的一侧发展，其滞回曲线呈反 S 滑移形。随着循环次数的增加，其承载力下降多次循环后承载力趋于稳定，最后因低周疲劳而破坏。按支撑仅能承受拉力设计的中心支撑钢框架，其受力性能较差，抗震结构不宜采用。同时承受拉压的支撑，通过受压屈曲或者受压屈曲和受拉屈服来耗散能量。

人字形或 V形支撑的滞回性能同样呈反S 滑移形。与刚度较大的横梁相连的人字形支撑体系，在首次达到水平极限荷载后，有明显的承载力下降现象，但降幅不大。而与有限刚度横梁相连的人字形支撑体系，在往复荷载作用下，承载力下降幅度甚大，只有原来的 40％左右，在设计时应该特别注意。这种体系在设计时，人字形支撑横梁应该有足够的刚度，使其在受压支撑屈曲后横梁不至弯折。

3、框架偏心支撑体系的设计

偏心支撑框架(EBF)是指支撑偏离梁柱节点的钢结构框架，是近二十年来发展起来的抗震结构。这种体系有很好的刚度，有极好的耗能能力以抵抗大的地震作用。它比框架中心支撑体系和纯框架体系，有相对较小的侧向位移和更均匀的层间分布。由于偏心支撑具有非常有效的控制变形能力，使得偏心支撑框架比纯框架节省钢材 25％～30％，比中心支撑框架节省钢材 18％～20％。

3结语

随着钢材的普及，轻型钢结构越来越多地应用于各类民用公共建筑。对于主题乐园等具有复杂空间造型的小型民用公共建筑来说，轻钢框架结构体系因其自身优点成为非常合适的结构选型。并且各类装饰围护材料的安装工艺都可与结构框架主次构件匹配，构筑出丰富多彩的室内外空间。随着时代的发展，轻钢框架结构体系将更多地被中国建筑师接纳和运用，在建筑艺术作品的创作过程中，扮演着越来越重要的角色。