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摘要：随着建筑钢结构技术的迅速发展和机械化程度的日益提高，轻型金属板材及其配套的门式刚架等系列轻钢结构已得到了较为广泛的应用。本文结合笔者多年从事轻钢结构的设计经验，总结了轻钢结构设计中常见问题进行分析，并提出相应的处理方法，对轻钢结构的设计工作有一定的参考意义。
关键词：轻钢结构；设计；方法；房屋建筑；厂房
１轻钢结构建筑的特点
随着钢产量的不断提高，经济的不断发展，对绿色环保型建筑的不断要求，钢材应用于现代建筑主体结构是历史所趋。我国正在加速发展钢结构建筑产业化进程，发展以标准化、系列化、通用化，以专业化、社会化生产和商品化供应为基本方向的住宅产业现代化体制。国家建设部和中国工程建设标准化协会正在组织研制和开发多层轻钢结构的住宅建筑体系的结构选型，新型围护结构与隔断体系以及钢结构构件及配件，结构体系设计与施工技术，编制相应的设计与施工技术规范和规程。可以预见，不远的将来钢结构住宅的发展和应用会有新的飞跃。
目前经国内广泛研究、实验分析，轻钢结构建筑具有独特的优势，其主要特点是：
1.1自重轻，可减轻建筑物的重量约30%，有利于建设高层，特别是在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方，其综合经济效益优于一般建筑体系。
1.2布置灵活，开间大，约可提高建筑面积3%~5%。具有充分的灵活性、可改性和安全性。
1.3可以工厂化生产，更易实现工业化、定型化、批量化生产，提高劳动生产率。
1.4施工周期大大缩短。据研究，钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半，减少湿作业量，且其节能指标可达50%，属环保型绿色建筑体系。
下面结合笔者多年工作实践经验，对轻钢结构设计中常见问题与方法进行阐述。
2轻钢结构建筑设计
2.1结构布置
(１）没有吊车荷载或吊车荷载较小(小于１０ｔ）的钢筋混凝土柱轻型屋架钢结构房屋，如果纵向设有钢筋混凝土梁，且梁柱按框架结构进行计算并采用相应的构造措施，则房屋纵向可不设柱间支撑，因为钢筋混凝土框架是相当好的抗侧力结构体系。
(２）抗风柱与屋架应有可靠的连接。抗风柱与屋架的上下弦均应有可靠的连接点，对于变截面抗风柱，屋架下弦应有效连接于抗风柱的下部截面，抗风柱所在的纵轴应视屋架的类型设置垂直支撑和刚性系杆。
(３）为增加屋盖系统的刚度，增强屋盖的整体性，凡屋脊及檐口处均应设置双檩条。
(４）对于门式刚架Ｈ型钢斜梁，由于施工和运输条件的限制可将斜梁划分成若干个单元构件，单元构件本身采用焊接，单元构件之间可通过端板以高强度螺栓连接。应注意的是单元构件之间的节点位置应选择在刚架弯矩剪力等内力较小的位置。在设计过程中有些设计人员忽略了这一问题，往往将节点位置放在刚架的正中或端部，这种做法增加了连接节点的设计难度和造价，是不合理的。
2.2荷载取值
(１）一般情况下，单层轻钢结构的风荷载体型系数按ＣＥＣＳ１０２∶００２门式刚架轻型房屋钢结构技术规程被认为是安全的，部分设计人员不分房屋的高度(Ｈ）和跨度(Ｌ）具体情况，统一按ＣＥＣＳ１０２∶００２取值。当房屋高度较高(单层大于１５ｍ）而跨度较小时，应按ＣＥＣＳ１０２∶００２和ＧＢ５０００９２２００１建筑结构荷载规范分别计算所得风荷载进行比较，发现按ＣＥＣＳ１０２∶００２计算所得风荷载下梁的内力较后者大，而刚架柱的内力则偏小，随着房屋高度的增加，这种差别愈加明显。因此，对于对风荷载较为敏感且有吊车的建筑应引起高度的重视。比较按两本规范计算所得风荷载效应，不能简单从两本规范的体型系数上进行比较，应将两者的弯矩组合设计值进行比较，选择比较合理的结果作为刚架截面设计的依据。
(２）对于檐口、雨篷和屋面局部凸出部分的风荷载的取值应按ＧＢ５０００９２２００１建筑结构荷载规范第７．３．３的取值来验算，不能遗漏。工程实际中相当多的檐口、雨篷由于风荷载取值不当而发生局部破坏，设计时应引起重视。
(３）恒荷载应按实际情况进行取值，不能偏小，也不应任意加大。恒荷载偏小引起结构不安全，这是尽人皆知的，故一般情况下极少出现这种情况。相反，有些设计人员认为加大恒荷载会使结构安全度增大，然而在风荷载参与组合的情况下，由于风荷载的作用方向一般与屋面荷载作用方向相反，在风荷载工况下框架梁常出现上部翼缘受拉，下翼缘受压的情况，不按实际情况任意加大恒荷载反而会偏于不安全。
2.3结构模型和机构计算
(１）轻刚结构厂房一般情况下宜计及屋盖的横向弹性变形，按多质点空间结构分析。现在的情况是大多数设计人员按平面排架模型进行横向计算，纵向并未按排架计算而是按设有完整支撑系统的体系进行设计；进行横向排架内力分析时，为减小柱截面尺寸，排架柱的平面外计算长度均未按实际长度取值，而是按纵向支撑和系杆的布置情况确定，而做纵向支撑系统设计又忽略了，这样往往是排架柱平面外刚度不足而导致柱侧向失稳而破坏。
(２）钢筋混凝土柱钢管屋架轻型房屋钢结构，应按柱与基础连接为刚接，屋架与柱的连接为铰接的排架模型进行计算。现有的计算软件不能将钢管屋架和混凝土柱共同计算，只能将屋架视为一刚架梁来计算。应特别注意的是这类轻刚结构厂房屋面多采用压型钢板，屋面刚度小，对屋架的约束较弱，所以排架横梁只能按一定的等效刚度参与计算。其等效刚度应按屋架的几何尺寸计算，并考虑屋、盖屋面板的整体作用。这样计算得出的排架结果才是较为合理安全的。横梁的刚度并非无限大，如果视梁的刚度无限大计算出的柱的配筋相当小，这是不符合实际情况的。尚有些设计人员将梁的刚度视为无限大来计算，均被施工图审查中心驳回，但有些不需要送审的项目则无法纠正，存在较大隐患。这也就是常听到一些业主抱怨“人家的柱截面那么小，用钢量那么少”的缘由了。
2.4构件计算与设计
(１）有些建筑，为了追求立面和谐美观，往往将檐口或山墙高出屋面，甚至高出达４～５ｍ，由于这部分墙体常为单独的悬臂墙，在风载作用下将产生一个相对较大的弯矩和剪力，所以在刚架内力分析时一定要将此内力按最不利的形式加到刚架上。设计中这部分内力常被忽略，或者并没有按最不利的形式来处理，所以结构分析结果往往存在不安全因素，如果墙体较高，这种影响相当严重，应引起注意。
(２）带斜杆的大悬挑雨篷在现代建筑中应用较多，内力分析时斜杆应分别对雨篷重力作用下的拉力和风荷载作用下的压力进行计算分析，计算长细比时应满足压杆要求。如果不考虑压力的作用按拉杆设计，得出的斜杆截面比较小，在大风作用下将发生破坏。
2.5构造措施
(１）檩条通常是风荷载作用下工况起控制作用，设计时常忽略验算风吸力作用下的稳定，导致大风时很容易失稳破坏。为了保证风吸力作用下的整体稳定，通常在檩条之间设置拉条。计算中已考虑拉条的作用而施工图中忽略了布置拉条或拉条布置不当都将导致檩条失稳破坏。正确的拉条布置位置是根据计算结果在檩条上下翼缘附近，上下稳定均需要拉條约束时，也可设一根拉条从一檩条的下翼缘处连接于相邻檩条的上翼缘处。
(２）设置隅撑是保证梁柱构件整体稳定的主要措施，隅撑间距是梁柱计算时确定的，大小规格也需通过计算确定。若因特殊原因不能设置隅撑，应采取可靠措施保证梁柱翼缘不会因失稳而屈曲，否则存在安全隐患。
(３）柱脚锚栓按承受拉力计算，水平力由柱脚底板与混凝土的摩擦或设置底板抗剪键来承受，锚栓不得承受水平力。锚栓直径除按计算确定外，还应考虑构造要求以及工程实际当中可能承受部分剪力等不利因素，直径不宜太小。应特别注意的是锚栓应有足够的锚固长度或在端部设置锚板，应采用双螺母。工程中因锚固不足被拔出而引发工程事故的情况时有发生。因此，应按最不利工况设计锚栓，并应考虑与柱脚的刚度相称。当柱脚为铰接时，对于一般的跨度不大于１８ｍ的门式刚架，采用２个Ｍ２４锚栓，跨度不大于２７ｍ时采用４个Ｍ２４锚栓，跨度不小于３０ｍ时用４个Ｍ３０锚栓。对于支承于混凝土柱上的屋架，考虑到屋架梁的屈曲等不利影响，为保证支座的有效接触面，每一支座的螺栓个数均应不少于４个。当柱脚为刚接时，则应通过计算确定锚栓的直径和数量。
3结束语
总之，要做好轻钢结构的设计工作，必须从概念设计、结构计算、构造措施等各方面考虑，做到方案正确、模型合理、措施得当，以保证结构的安全性和经济性。
参考文献：
[1] 轻钢结构设计.人民交通出版社.2008-8-1
[2] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(ＣＥＣＳ１０２∶００２)
[3] 钢结构设计规范(GB50017-2003)
关键词：轻钢结构；设计；方法；房屋建筑；厂房
１轻钢结构建筑的特点
随着钢产量的不断提高，经济的不断发展，对绿色环保型建筑的不断要求，钢材应用于现代建筑主体结构是历史所趋。我国正在加速发展钢结构建筑产业化进程，发展以标准化、系列化、通用化，以专业化、社会化生产和商品化供应为基本方向的住宅产业现代化体制。国家建设部和中国工程建设标准化协会正在组织研制和开发多层轻钢结构的住宅建筑体系的结构选型，新型围护结构与隔断体系以及钢结构构件及配件，结构体系设计与施工技术，编制相应的设计与施工技术规范和规程。可以预见，不远的将来钢结构住宅的发展和应用会有新的飞跃。
目前经国内广泛研究、实验分析，轻钢结构建筑具有独特的优势，其主要特点是：
1.1自重轻，可减轻建筑物的重量约30%，有利于建设高层，特别是在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方，其综合经济效益优于一般建筑体系。
1.2布置灵活，开间大，约可提高建筑面积3%~5%。具有充分的灵活性、可改性和安全性。
1.3可以工厂化生产，更易实现工业化、定型化、批量化生产，提高劳动生产率。
1.4施工周期大大缩短。据研究，钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半，减少湿作业量，且其节能指标可达50%，属环保型绿色建筑体系。
下面结合笔者多年工作实践经验，对轻钢结构设计中常见问题与方法进行阐述。
2轻钢结构建筑设计
2.1结构布置
(１）没有吊车荷载或吊车荷载较小(小于１０ｔ）的钢筋混凝土柱轻型屋架钢结构房屋，如果纵向设有钢筋混凝土梁，且梁柱按框架结构进行计算并采用相应的构造措施，则房屋纵向可不设柱间支撑，因为钢筋混凝土框架是相当好的抗侧力结构体系。
(２）抗风柱与屋架应有可靠的连接。抗风柱与屋架的上下弦均应有可靠的连接点，对于变截面抗风柱，屋架下弦应有效连接于抗风柱的下部截面，抗风柱所在的纵轴应视屋架的类型设置垂直支撑和刚性系杆。
(３）为增加屋盖系统的刚度，增强屋盖的整体性，凡屋脊及檐口处均应设置双檩条。
(４）对于门式刚架Ｈ型钢斜梁，由于施工和运输条件的限制可将斜梁划分成若干个单元构件，单元构件本身采用焊接，单元构件之间可通过端板以高强度螺栓连接。应注意的是单元构件之间的节点位置应选择在刚架弯矩剪力等内力较小的位置。在设计过程中有些设计人员忽略了这一问题，往往将节点位置放在刚架的正中或端部，这种做法增加了连接节点的设计难度和造价，是不合理的。
2.2荷载取值
(１）一般情况下，单层轻钢结构的风荷载体型系数按ＣＥＣＳ１０２∶００２门式刚架轻型房屋钢结构技术规程被认为是安全的，部分设计人员不分房屋的高度(Ｈ）和跨度(Ｌ）具体情况，统一按ＣＥＣＳ１０２∶００２取值。当房屋高度较高(单层大于１５ｍ）而跨度较小时，应按ＣＥＣＳ１０２∶００２和ＧＢ５０００９２２００１建筑结构荷载规范分别计算所得风荷载进行比较，发现按ＣＥＣＳ１０２∶００２计算所得风荷载下梁的内力较后者大，而刚架柱的内力则偏小，随着房屋高度的增加，这种差别愈加明显。因此，对于对风荷载较为敏感且有吊车的建筑应引起高度的重视。比较按两本规范计算所得风荷载效应，不能简单从两本规范的体型系数上进行比较，应将两者的弯矩组合设计值进行比较，选择比较合理的结果作为刚架截面设计的依据。
(２）对于檐口、雨篷和屋面局部凸出部分的风荷载的取值应按ＧＢ５０００９２２００１建筑结构荷载规范第７．３．３的取值来验算，不能遗漏。工程实际中相当多的檐口、雨篷由于风荷载取值不当而发生局部破坏，设计时应引起重视。
(３）恒荷载应按实际情况进行取值，不能偏小，也不应任意加大。恒荷载偏小引起结构不安全，这是尽人皆知的，故一般情况下极少出现这种情况。相反，有些设计人员认为加大恒荷载会使结构安全度增大，然而在风荷载参与组合的情况下，由于风荷载的作用方向一般与屋面荷载作用方向相反，在风荷载工况下框架梁常出现上部翼缘受拉，下翼缘受压的情况，不按实际情况任意加大恒荷载反而会偏于不安全。
2.3结构模型和机构计算
(１）轻刚结构厂房一般情况下宜计及屋盖的横向弹性变形，按多质点空间结构分析。现在的情况是大多数设计人员按平面排架模型进行横向计算，纵向并未按排架计算而是按设有完整支撑系统的体系进行设计；进行横向排架内力分析时，为减小柱截面尺寸，排架柱的平面外计算长度均未按实际长度取值，而是按纵向支撑和系杆的布置情况确定，而做纵向支撑系统设计又忽略了，这样往往是排架柱平面外刚度不足而导致柱侧向失稳而破坏。
(２）钢筋混凝土柱钢管屋架轻型房屋钢结构，应按柱与基础连接为刚接，屋架与柱的连接为铰接的排架模型进行计算。现有的计算软件不能将钢管屋架和混凝土柱共同计算，只能将屋架视为一刚架梁来计算。应特别注意的是这类轻刚结构厂房屋面多采用压型钢板，屋面刚度小，对屋架的约束较弱，所以排架横梁只能按一定的等效刚度参与计算。其等效刚度应按屋架的几何尺寸计算，并考虑屋、盖屋面板的整体作用。这样计算得出的排架结果才是较为合理安全的。横梁的刚度并非无限大，如果视梁的刚度无限大计算出的柱的配筋相当小，这是不符合实际情况的。尚有些设计人员将梁的刚度视为无限大来计算，均被施工图审查中心驳回，但有些不需要送审的项目则无法纠正，存在较大隐患。这也就是常听到一些业主抱怨“人家的柱截面那么小，用钢量那么少”的缘由了。
2.4构件计算与设计
(１）有些建筑，为了追求立面和谐美观，往往将檐口或山墙高出屋面，甚至高出达４～５ｍ，由于这部分墙体常为单独的悬臂墙，在风载作用下将产生一个相对较大的弯矩和剪力，所以在刚架内力分析时一定要将此内力按最不利的形式加到刚架上。设计中这部分内力常被忽略，或者并没有按最不利的形式来处理，所以结构分析结果往往存在不安全因素，如果墙体较高，这种影响相当严重，应引起注意。
(２）带斜杆的大悬挑雨篷在现代建筑中应用较多，内力分析时斜杆应分别对雨篷重力作用下的拉力和风荷载作用下的压力进行计算分析，计算长细比时应满足压杆要求。如果不考虑压力的作用按拉杆设计，得出的斜杆截面比较小，在大风作用下将发生破坏。
2.5构造措施
(１）檩条通常是风荷载作用下工况起控制作用，设计时常忽略验算风吸力作用下的稳定，导致大风时很容易失稳破坏。为了保证风吸力作用下的整体稳定，通常在檩条之间设置拉条。计算中已考虑拉条的作用而施工图中忽略了布置拉条或拉条布置不当都将导致檩条失稳破坏。正确的拉条布置位置是根据计算结果在檩条上下翼缘附近，上下稳定均需要拉條约束时，也可设一根拉条从一檩条的下翼缘处连接于相邻檩条的上翼缘处。
(２）设置隅撑是保证梁柱构件整体稳定的主要措施，隅撑间距是梁柱计算时确定的，大小规格也需通过计算确定。若因特殊原因不能设置隅撑，应采取可靠措施保证梁柱翼缘不会因失稳而屈曲，否则存在安全隐患。
(３）柱脚锚栓按承受拉力计算，水平力由柱脚底板与混凝土的摩擦或设置底板抗剪键来承受，锚栓不得承受水平力。锚栓直径除按计算确定外，还应考虑构造要求以及工程实际当中可能承受部分剪力等不利因素，直径不宜太小。应特别注意的是锚栓应有足够的锚固长度或在端部设置锚板，应采用双螺母。工程中因锚固不足被拔出而引发工程事故的情况时有发生。因此，应按最不利工况设计锚栓，并应考虑与柱脚的刚度相称。当柱脚为铰接时，对于一般的跨度不大于１８ｍ的门式刚架，采用２个Ｍ２４锚栓，跨度不大于２７ｍ时采用４个Ｍ２４锚栓，跨度不小于３０ｍ时用４个Ｍ３０锚栓。对于支承于混凝土柱上的屋架，考虑到屋架梁的屈曲等不利影响，为保证支座的有效接触面，每一支座的螺栓个数均应不少于４个。当柱脚为刚接时，则应通过计算确定锚栓的直径和数量。
3结束语
总之，要做好轻钢结构的设计工作，必须从概念设计、结构计算、构造措施等各方面考虑，做到方案正确、模型合理、措施得当，以保证结构的安全性和经济性。
参考文献：
[1] 轻钢结构设计.人民交通出版社.2008-8-1
[2] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(ＣＥＣＳ１０２∶００２)
[3] 钢结构设计规范(GB50017-2003)