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我国门式刚架轻型房屋钢结构的发展概况
摘 要 本文介绍了门式刚架轻型房屋钢结构的特点、应用及其在我国的发展研究概况,总结了目前门式刚架轻型房屋钢结构的研究热点。关键词 门式刚架 轻型房屋钢结构 发展
中图分类号:TU39文献标识码:A
门式刚架轻型房屋钢结构主要是由梁、柱、檩条、墙梁、支撑、屋面和墙体等构件组成的一种结构体系。具有重量轻、整体刚度较好、柱网布置灵活、支撑系统简洁、综合经济效益较高等特点。被广泛应用于工业、商业及文化娱乐公共设施等工业与民用建筑中。如各类轻型厂房、体育场馆、车站候车大厅、仓库、物流中心、大型超市、展览厅、活动房屋、加层建筑、码头建筑、办公场所以及辅助性建筑等。
1 门式刚架轻型房屋钢结构的发展历史
从人类发展历史看,建筑形式与结构体系的产生与发展总与一定时期的生产和生活水平密切相关,门式刚架轻型房屋钢结构的产生也有着特定的历史背景。
轻型钢结构在国外发展较早,最初是随着汽车工业的发展,主要用于建造私人车库等简易房屋。第二次世界大战期间,由于战争的需要,轻型房屋钢结构主要用于建造一些拆装方便的营房和库房。
门式刚架轻型房屋钢结构最早起源于美国,并且发展最快、应用最广。后来在欧洲、日本和澳大利亚等国也得到了广泛发展和应用。因其构件制作快捷、便于工厂化加工、施工周期短等特点,此种结构形式一经推出就深受建筑业喜爱。
上世纪20世纪中期,建筑钢材产量大增,钢材的冶炼水平也有了很大突破,色彩丰富、耐久性强的彩色压型钢板随之出现, H型钢和冷弯薄壁型钢相继问世,这些都极大地推动了门式刚架轻型房屋钢结构的发展。加之加工设备的不断改善,设计形式的多样化,使门式刚架轻型房屋钢结构体系逐渐应用于大型工业厂房、商业建筑及公共交通设施等。实现了结构分析、设计、出图的程序化,构件加工的工厂化,安装施工和经营管理的一体化流程。
目前,大部分国外轻钢结构公司都具有自己的门式刚架轻型房屋钢结构系列,由于门式刚架构件的刚度良好,其平面内、外的刚度差别较小,为制作、运输、安装提供了较有利的条件。结构构件可全部在工厂制作,工业化程度高,运输便捷,安装方便快速,土建施工量小,综合经济效益高。在美国、日本等一些钢结构技术比较发达的国家,门式刚架轻型房屋钢结构体系已经作为一种及既经济又快捷的建筑结构体系,以商品的形式对外出售。
2 我国门式刚架轻型房屋钢结构的发展
我国门式刚架轻型房屋钢结构的研究和应用起步较晚,建国初期在一些旧工厂改建时曾应用过类似门式刚架体系的结构。上世纪50年代我国大规模建设时期,为了节约钢材,则大量地采用钢筋混凝土构件。80年代后,随着外资的引进,门式刚架结构因其结构简洁、刚度良好、受力合理、使用空间大及施工方便等特点,得到迅速发展。主要表现在两个方面:
2.1 外国厂家的进入,新技术新产品的引进
(1)1979年上海引进日本S60压型钢板成型机并用于厂房仓库的屋面,1980年上海宝钢引进日本W550、V115N压型钢板成型机,并在一期工程屋面墙面围护结构应用近60万平方米,是80年代初首次用量最大的工程。
(2)1983年开始深圳经济开发区蛇口工业区大量引进英国、美国、澳洲和日本等国门式刚架轻型钢结构厂房仓库。随后沿海经济开发区也陆续引进国外轻钢厂房仓库。
(3)1994年美国公司投资创建上海美建钢结构有限公司,1996年嘉定工厂建成投产。
(4)1994年美国美联钢结构有限公司(U.S.A.公司)和美国宏宇建筑有限公司在中国建成工程数十项。
(5)1994年ASTRON建筑体系进入中国,先后在北京、苏州等地建成十几项大工程。
而后还有很多外资、台资企业进入我国。
2.2 门式刚架轻型钢结构房屋在我国的发展
(1)1980年上海宝钢建设指挥部成立压型钢板压型铝板试验研究专题组,对一期工程引进的日本彩色涂层压型钢板及成型设备进行消化吸收,试验利用国内铝合金板替代彩色涂层钢板做成压型板用于屋面墙面围护结构,经过调查及大量的试验研究,在宝钢一期工程屋面墙面推广应用铝合金压型钢板60多万平方米。
(2)1984年冶金部建筑研究总院科研人员在学习上宝钢及深圳蛇口工业区压型钢板及门式刚架轻型钢结构国外先进技术的基础上,结合我国具体情况研究开发门式刚架轻型钢结构厂房仓库,首先用于商业部急需建设的'国家棉花储备仓库,三年间在冀鲁豫三省四十多个地区,建设轻钢棉花仓库300多栋,建筑面积达20多万平方米。
(3) 冶金部建筑研究总院是国内最早进行轻型钢结构房屋研究开发的单位,院内有一批科研人员对轻型焊接H型钢、冷弯薄壁型钢、压型钢板的力学性能、加工工艺及其加工设备、另配件连接件及密封材料进行研究开发,并结合工程进行轻型钢结构建筑的设计和推广应用,主持或参加国家规程规范和标准的编制。
(4)随着我国经济的快速增长,门式刚架轻型钢结构房屋行业也得到飞速发展,尤其在东南沿海地区,新建工厂仓库的需求增长促使轻型钢结构房屋加工安装的厂家如雨后春笋般的发展起来,从开始的小规模发展到现在的现代化大企业,杭萧钢构、浙江精工、恒达钢构、上海通用、吴泰钢构、宝钢彩板、北方空间钢构、北京福田钢构、北京多维钢构、四川恒升等企业都是专业门式刚架轻型钢结构厂家,每年的销售额都在几亿、十几亿元以上。
(5)压型钢板夹芯板加工厂家遍布全国各地,有的厂家已经具有独自的屋面墙面围护系统,有的厂家引进国外先进设备,技术水平不断提高。目前国内的压型板板型几十种,其生产线大部分都是国内制造的。引进夹芯板生产线的厂家比较多,据不完全统计有二十多条生产线,主要从意大利、德国、韩国、澳洲等国引进。目前国内厂家也能制作夹芯板生产线。
(6)门式刚架轻型钢结构房屋的大量应用,带动了相关配套行业的发展和兴旺,设计软件的开发,焊接型钢、冷弯薄壁型钢及压型钢板等加工设备的制造,采光瓦、零配件连接件和密封材料的生产厂家和代理也很多,技术水平都在逐步提高。
回顾我国二十多年来钢结构建筑发展历史,可以说以门式刚架为主的轻型钢结构房屋是一项发展最快、应用最广的建筑新技术新产品。
除此之外,门式刚架轻型房屋钢结构的有关设计施工规程规范和图集也在进一步完善。
(1)冶金工业部部标准《压型金属板设计施工规程》YBJ216-88,冶金工业部建筑研究总院主编。
(2)中国工程建设标准化协会标准《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002。《门式刚架轻型房屋钢构件》JG144-2002。
(3)中华人民共和国国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018-2002,《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2002中都有刚架、檩条与墙梁、压型钢板的专门章节。
(4)新编标准图集有:《门式刚架轻型房屋钢结构(无吊车)》图集号02SG518-1,《门式刚架轻型房屋钢结构(有吊车)》图集号04SG518-3,《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》01J925-1,06J925-2等。
3 目前门式刚架轻型房屋钢结构的研究热点
与传统结构体系相比,门式刚架轻型房屋钢结构体系的理论还不很完善,存在着很大的理论探索空间。目前的热点问题有以下几个方面:
理论研究方面:
(1)门式刚架体系中存在着较大的蒙皮效应,蒙皮结构具有较大承载力及刚度,而自重却很轻。如何考虑蒙皮效应与结构共同工作的空间作用。
(2)由于刚架的截面抵抗矩与抗弯承载力成正比,故刚架梁和柱都可以根据其截面上的弯矩值大小,采用变截面形式,变截面位置处根据需要可改变腹板的高度和厚度及翼缘的宽度,以达到节省材料的目的。又因为门式刚架的腹板较薄,可按有效宽度设计,即允许部分腹板失稳,并可利用其屈曲后强度。
而变截面的梁柱,在腹板局部屈曲后,其刚架结构体系稳定极限承载力的研究还有待进一步深入。
实验验证方面:在静力和动力荷载及地震荷载作用下,节点、基本构件和整体刚架结构的受力性能、破坏机理,及其对门式刚架体系的极限稳定承载力的影响。
设计方面:
(1)需进一步开发更合理的设计软件,如以用钢量为目标函数,以极限承载力或不适合变形为控制参数的计算机分析、优化设计软件。
(2)构件、刚架节点、彩板节点设计的可靠性、方便性和适用性。
生产技术方面:焊接工艺的连续性和高效性,切割、组立(或拼装)、焊接、校正以及抛丸除锈和防腐处理技术等。吊装过程中的安全性以及安装精度对结构受力的影响。压型板以及配套附件安装的安装工艺,板型连接和节点处理质量等。
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