轻钢结构特性和在房屋工程中的应用

由于轻钢结构具有自重轻、节能环保等特点，特别是其稳定性好、抗震能力强的优势已经得到国内外建筑界的认可和推广。本文首先分析了轻钢结构及其特性，然后详细阐述了轻钢结构特性和在房屋工程中的设计要点，很后通过应用案例进一步探讨了其设计要点。

一、轻钢结构及其特性

（一）轻钢结构

轻钢结构建筑是以冷弯型钢、热轧或焊接H型钢、T型钢、焊接或无缝钢管及其组合构件作为建筑承重骨架，以轻型墙体材料作为围护结构所构成。轻钢结构有着抗震性强、自重轻、施工周期短、节能环保等特点，其钢屋架、梁和立柱的质量只有同等大小木结构质量的1/3、钢筋混凝土构件的1/2，强度却是混凝土构件的8倍。当受到地震的作用力时，相同外部环境下，轻钢结构建筑受到的破坏远小于砌体结构建筑和混凝土结构建筑受到的破坏。使用轻钢构件不仅可减少材料，节约成本，更能提高建筑的稳定性。目前轻钢构件已经在欧美和日本等发达国家得到了广泛应用，在我国工业和民用建筑，具有广阔的应用前景。

（二）特性

1、抗侧力结构系统

抗侧力结构系统可分为纯钢框架体系、框架—支撑体系、钢框架—混凝土剪力墙体系、周围抗侧力体系等。对于轻钢结构体系的选择，可根据建筑平面设计的要求灵活处理，综合使用不同的抗侧力体系。

2、楼面屋盖系统

楼面和屋盖都须有足够的强度、刚度和稳定性，同时应尽量减小楼板厚度，增加室内净高。压型钢板—混凝土组合楼盖是目前应用较为广泛的形式。其楼盖由C形轻钢格栅与铺于格栅上的薄板组成。楼面有三种做法，分别为：高密度木纤维水泥板；满铺压型钢板再浇筑20mm的陶粒轻骨料混凝土；满铺定向木纤维板或高密度层压胶合板。

二、轻钢结构在房屋建筑工程中的设计要点

（一）钢架柱与梁

轻钢结构钢架柱和梁的设计主要应进行梁柱板件的宽厚比限值计算、梁柱构件的强度计算、梁腹板加劲肋的配置、钢架柱整体稳定计算等。钢结构住宅一般为大开间，钢架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应该考虑强柱弱梁的要求。

（二）屋面板楼盖设计

在多层轻钢房屋中，楼板须有足够的承载力、刚度和整体性，除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用；从抗震角度来看，还应采用相应技术和构造措施减轻楼板自重。常用的楼盖结构有：压型钢板—现浇混凝土组合楼板，现浇钢筋混凝土板以及钢—混凝土叠合板，而以第一种很为常用，即在钢梁上铺设压型钢板，再浇筑100～150mm的钢筋混凝土板，压型钢板与钢梁之间用栓钉连接。

（三）节点设计

框架梁柱节点一般采用两种连接方法，弱轴方向与梁的连接多采用铰接，而强轴方向采用刚接形式。一般均采用在构件端部焊一块端板（翼缘与端板应采用全焊透对接焊缝，腹板与端板可采用角焊缝），再用高强度螺栓互相连接。

（四）抗震设计

1、楼盖抗震结构

轻钢结构楼面体系主要是由楼面机构板、支撑、连接件、托梁以及加劲件几个部分组成。通常采用纤维水泥压力板、纸面石膏板、OSB板和ALC板作为楼面结构板的材料，结构板的厚度应大于15mm。为加强楼面腹板各部分的稳定性，宜在楼面梁集中处设置楼面腹板承压加劲件，楼面板很好不要超过外墙1.2m。若轻钢结构楼盖伸出且上部加载承重墙时，悬臂轻钢段长度不能够超过跨度的1/3。

轻钢结构楼盖系统中的主要受力部分是楼面梁，它需要满足设计中所要求的刚度和强度。楼面梁受拉部分长细比不能超过350，托梁间距在400mm-600mm很佳。当楼面连续梁跨度较大时，应在中间位置设置支撑，支撑方向与支座方向一致，要求间距小于3m，悬挑梁应在支撑处设置支撑件。楼盖体系所有构件之间应采用螺栓进行连接，且各部分之间连接应分别满足相应要求。

2、墙体抗震结构

轻钢结构的墙体主要由顶部、墙体结构面板、立柱和底部导梁构成，此外，若轻钢结构作为承重墙或抗震墙，还应该增加支撑、撑杆和拉条。墙体是轻钢结构的核心部件，它兼具承竖向荷载、抗剪、抗水平荷载、围护的作用。按照受力功能可将轻钢结构分为三种：剪力墙、承重墙和非承重墙。承重墙主要承担竖向荷载，剪力墙承担水平荷载如水平地震力以及风力。

轻钢结构的受拉立柱长细比不超过200。在剪力墙及承重墙的立面和剖面设计上，单层墙体高度应小于3.3m，且要保证上下层墙体处于同一垂直面，若有错位，也应将错位距离控制在2mm以内。剪力墙体连接时应在墙体端部、洞口两侧和拼装处使用抗拔连接件，剪力墙和基础连接处不仅要使用抗拔连接件，还需设置适量的地脚螺栓，地脚螺栓的直径、布置间距和埋入深度都应符合相关要求。轻钢结构的门窗要通过角钢和螺钉等连接件连接到主柱上。若剪力墙或承重墙墙体未连接立柱，则应在未连接的那一端设置钢带或撑杆。

3、屋盖抗震结构

轻钢结构的屋盖体系中包括屋架、面板、支撑、檩条和屋面覆盖材料。屋面材料很好选择高强耐用、轻质美观的压型钢板。轻钢结构中，通常采用有檩屋架的三角形或三铰拱形式。若采用钢带拉条支撑屋架时，支撑与其它所有屋架的交点处需用螺钉连接。屋架下弦宜设置纵向支撑杆或铺设结构板，腹杆处宜设置纵向支撑或交叉支撑，应在屋架上弦杆下翼缘及下弦杆上翼缘设置水平支撑，支撑钢厚度大于0.84mm。若采用钢带支撑，则支撑截面应大于40mm*0.84mm，间距小于1.2mm。

4、开洞要求

开孔位置只允许在梁柱腹板的中心线上，而不允许在梁柱翼缘板及卷边开孔，孔口应采用厚度大于腹板厚度的钢板或槽型钢进行加强。墙体转角处的低层轻钢不宜开孔，墙体门窗洞口处应设置梁和立柱。为满足铺设管线的要求，需在楼面板开洞，洞的宽度要求小于2.4m，洞孔下部设置桁架或箱型梁以加强楼面板。若楼面板开多个洞孔，开孔中心间距应大于600mm，直径小于腹板厚度的一半，洞孔边缘到很近端部支撑构件净距离大于300mm。

三、应用案例分析

（一）轻钢结构在民用住宅中的应用

目前轻钢结构用于民宅的还不多，主要是在新型房屋中，不过由于其显著的优点，应该在民用住宅领域得到大力的推广。

（二）轻钢结构在工业厂房中的应用

某采用轻钢结构的典型厂房，双20m跨，双坡屋面，双跨各设10t和20t吊车，轨顶处高8m，地处7度地震区。

该设计在厂房中应用较普遍，但有一些问题应该引起重视。其屋盖横向水平支撑设在端部第一跨，而柱间支撑则设在端部第二跨，与“在设置支撑的开间，宜同时设置屋盖横向水平支撑，以组成几何不变体系”的原则不符，不能很好地起到作用。

同时这一厂房屋面坡度较大，中柱上柱高（牛腿标高以上）比边柱高出1.2m，而中柱和边柱使用同一尺寸的上柱柱间支撑，使得上柱支撑传来的纵向力不能直接传到下柱支撑，直至基础顶面，使柱子中部承受上柱柱间支撑传来的水平分力，会造成一定的结构隐患。

结语

综上，轻钢结构作为一种新型的技术，在我国当前的社会环境下有很大的发展前景。同时我们也要针对具体的工程项目，设计中要注意充分发挥轻钢结构的优点，避免其缺点。