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我國門式剛架輕型房屋鋼結構的發展概況
摘 要 本文介紹了門式剛架輕型房屋鋼結構的特點、應用及其在我國的發展研究概況,總結了目前門式剛架輕型房屋鋼結構的研究熱點。關鍵詞 門式剛架 輕型房屋鋼結構 發展
中圖分類號:TU39文獻標識碼:A
門式剛架輕型房屋鋼結構主要是由梁、柱、檁條、墻梁、支撐、屋面和墻體等構件組成的一種結構體系。具有重量輕、整體剛度較好、柱網布置靈活、支撐系統簡潔、綜合經濟效益較高等特點。被廣泛應用于工業、商業及文化娛樂公共設施等工業與民用建筑中。如各類輕型廠房、體育場館、車站候車大廳、倉庫、物流中心、大型超市、展覽廳、活動房屋、加層建筑、碼頭建筑、辦公場所以及輔助性建筑等。
1 門式剛架輕型房屋鋼結構的發展歷史
從人類發展歷史看,建筑形式與結構體系的產生與發展總與一定時期的生產和生活水平密切相關,門式剛架輕型房屋鋼結構的產生也有著特定的歷史背景。
輕型鋼結構在國外發展較早,最初是隨著汽車工業的發展,主要用于建造私人車庫等簡易房屋。第二次世界大戰期間,由于戰爭的需要,輕型房屋鋼結構主要用于建造一些拆裝方便的營房和庫房。
門式剛架輕型房屋鋼結構最早起源于美國,并且發展最快、應用最廣。后來在歐洲、日本和澳大利亞等國也得到了廣泛發展和應用。因其構件制作快捷、便于工廠化加工、施工周期短等特點,此種結構形式一經推出就深受建筑業喜愛。
上世紀20世紀中期,建筑鋼材產量大增,鋼材的冶煉水平也有了很大突破,色彩豐富、耐久性強的彩色壓型鋼板隨之出現, H型鋼和冷彎薄壁型鋼相繼問世,這些都極大地推動了門式剛架輕型房屋鋼結構的發展。加之加工設備的不斷改善,設計形式的多樣化,使門式剛架輕型房屋鋼結構體系逐漸應用于大型工業廠房、商業建筑及公共交通設施等。實現了結構分析、設計、出圖的程序化,構件加工的工廠化,安裝施工和經營管理的一體化流程。
目前,大部分國外輕鋼結構公司都具有自己的門式剛架輕型房屋鋼結構系列,由于門式剛架構件的剛度良好,其平面內、外的剛度差別較小,為制作、運輸、安裝提供了較有利的條件。結構構件可全部在工廠制作,工業化程度高,運輸便捷,安裝方便快速,土建施工量小,綜合經濟效益高。在美國、日本等一些鋼結構技術比較發達的國家,門式剛架輕型房屋鋼結構體系已經作為一種及既經濟又快捷的建筑結構體系,以商品的形式對外出售。
2 我國門式剛架輕型房屋鋼結構的發展
我國門式剛架輕型房屋鋼結構的研究和應用起步較晚,建國初期在一些舊工廠改建時曾應用過類似門式剛架體系的結構。上世紀50年代我國大規模建設時期,為了節約鋼材,則大量地采用鋼筋混凝土構件。80年代后,隨著外資的引進,門式剛架結構因其結構簡潔、剛度良好、受力合理、使用空間大及施工方便等特點,得到迅速發展。主要表現在兩個方面:
2.1 外國廠家的進入,新技術新產品的引進
(1)1979年上海引進日本S60壓型鋼板成型機并用于廠房倉庫的屋面,1980年上海寶鋼引進日本W550、V115N壓型鋼板成型機,并在一期工程屋面墻面圍護結構應用近60萬平方米,是80年代初首次用量最大的工程。
(2)1983年開始深圳經濟開發區蛇口工業區大量引進英國、美國、澳洲和日本等國門式剛架輕型鋼結構廠房倉庫。隨后沿海經濟開發區也陸續引進國外輕鋼廠房倉庫。
(3)1994年美國公司投資創建上海美建鋼結構有限公司,1996年嘉定工廠建成投產。
(4)1994年美國美聯鋼結構有限公司(U.S.A.公司)和美國宏宇建筑有限公司在中國建成工程數十項。
(5)1994年ASTRON建筑體系進入中國,先后在北京、蘇州等地建成十幾項大工程。
而后還有很多外資、臺資企業進入我國。
2.2 門式剛架輕型鋼結構房屋在我國的發展
(1)1980年上海寶鋼建設指揮部成立壓型鋼板壓型鋁板試驗研究專題組,對一期工程引進的日本彩色涂層壓型鋼板及成型設備進行消化吸收,試驗利用國內鋁合金板替代彩色涂層鋼板做成壓型板用于屋面墻面圍護結構,經過調查及大量的試驗研究,在寶鋼一期工程屋面墻面推廣應用鋁合金壓型鋼板60多萬平方米。
(2)1984年冶金部建筑研究總院科研人員在學習上寶鋼及深圳蛇口工業區壓型鋼板及門式剛架輕型鋼結構國外先進技術的基礎上,結合我國具體情況研究開發門式剛架輕型鋼結構廠房倉庫,首先用于商業部急需建設的國家棉花儲備倉庫,三年間在冀魯豫三省四十多個地區,建設輕鋼棉花倉庫300多棟,建筑面積達20多萬平方米。
(3) 冶金部建筑研究總院是國內最早進行輕型鋼結構房屋研究開發的單位,院內有一批科研人員對輕型焊接H型鋼、冷彎薄壁型鋼、壓型鋼板的力學性能、加工工藝及其加工設備、另配件連接件及密封材料進行研究開發,并結合工程進行輕型鋼結構建筑的設計和推廣應用,主持或參加國家規程規范和標準的編制。
(4)隨著我國經濟的快速增長,門式剛架輕型鋼結構房屋行業也得到飛速發展,尤其在東南沿海地區,新建工廠倉庫的需求增長促使輕型鋼結構房屋加工安裝的廠家如雨后春筍般的發展起來,從開始的小規模發展到現在的現代化大企業,杭蕭鋼構、浙江精工、恒達鋼構、上海通用、吳泰鋼構、寶鋼彩板、北方空間鋼構、北京福田鋼構、北京多維鋼構、四川恒升等企業都是專業門式剛架輕型鋼結構廠家,每年的銷售額都在幾億、十幾億元以上。
(5)壓型鋼板夾芯板加工廠家遍布全國各地,有的廠家已經具有獨自的屋面墻面圍護系統,有的廠家引進國外先進設備,技術水平不斷提高。目前國內的壓型板板型幾十種,其生產線大部分都是國內制造的。引進夾芯板生產線的廠家比較多,據不完全統計有二十多條生產線,主要從意大利、德國、韓國、澳洲等國引進。目前國內廠家也能制作夾芯板生產線。
(6)門式剛架輕型鋼結構房屋的大量應用,帶動了相關配套行業的發展和興旺,設計軟件的開發,焊接型鋼、冷彎薄壁型鋼及壓型鋼板等加工設備的制造,采光瓦、零配件連接件和密封材料的生產廠家和代理也很多,技術水平都在逐步提高。
回顧我國二十多年來鋼結構建筑發展歷史,可以說以門式剛架為主的輕型鋼結構房屋是一項發展最快、應用最廣的建筑新技術新產品。
除此之外,門式剛架輕型房屋鋼結構的有關設計施工規程規范和圖集也在進一步完善。
(1)冶金工業部部標準《壓型金屬板設計施工規程》YBJ216-88,冶金工業部建筑研究總院主編。
(2)中國工程建設標準化協會標準《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102:2002。《門式剛架輕型房屋鋼構件》JG144-2002。
(3)中華人民共和國國家標準《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》GB50018-2002,《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB50205-2002中都有剛架、檁條與墻梁、壓型鋼板的專門章節。
(4)新編標準圖集有:《門式剛架輕型房屋鋼結構(無吊車)》圖集號02SG518-1,《門式剛架輕型房屋鋼結構(有吊車)》圖集號04SG518-3,《壓型鋼板、夾芯板屋面及墻體建筑構造》01J925-1,06J925-2等。
3 目前門式剛架輕型房屋鋼結構的研究熱點
與傳統結構體系相比,門式剛架輕型房屋鋼結構體系的理論還不很完善,存在著很大的理論探索空間。目前的熱點問題有以下幾個方面:
理論研究方面:
(1)門式剛架體系中存在著較大的蒙皮效應,蒙皮結構具有較大承載力及剛度,而自重卻很輕。如何考慮蒙皮效應與結構共同工作的空間作用。
(2)由于剛架的截面抵抗矩與抗彎承載力成正比,故剛架梁和柱都可以根據其截面上的彎矩值大小,采用變截面形式,變截面位置處根據需要可改變腹板的高度和厚度及翼緣的寬度,以達到節省材料的目的。又因為門式剛架的腹板較薄,可按有效寬度設計,即允許部分腹板失穩,并可利用其屈曲后強度。
而變截面的梁柱,在腹板局部屈曲后,其剛架結構體系穩定極限承載力的研究還有待進一步深入。
實驗驗證方面:在靜力和動力荷載及地震荷載作用下,節點、基本構件和整體剛架結構的受力性能、破壞機理,及其對門式剛架體系的極限穩定承載力的影響。
設計方面:
(1)需進一步開發更合理的設計軟件,如以用鋼量為目標函數,以極限承載力或不適合變形為控制參數的計算機分析、優化設計軟件。
(2)構件、剛架節點、彩板節點設計的可靠性、方便性和適用性。
生產技術方面:焊接工藝的連續性和高效性,切割、組立(或拼裝)、焊接、校正以及拋丸除銹和防腐處理技術等。吊裝過程中的安全性以及安裝精度對結構受力的影響。壓型板以及配套附件安裝的安裝工藝,板型連接和節點處理質量等。
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