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我國門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展概況
摘 要 本文介紹了門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、應(yīng)用及其在我國的發(fā)展研究概況,總結(jié)了目前門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞 門式剛架 輕型房屋鋼結(jié)構(gòu) 發(fā)展
中圖分類號:TU39文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)主要是由梁、柱、檁條、墻梁、支撐、屋面和墻體等構(gòu)件組成的一種結(jié)構(gòu)體系。具有重量輕、整體剛度較好、柱網(wǎng)布置靈活、支撐系統(tǒng)簡潔、綜合經(jīng)濟(jì)效益較高等特點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)及文化娛樂公共設(shè)施等工業(yè)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(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史
從人類發(fā)展歷史看,建筑形式與結(jié)構(gòu)體系的產(chǎn)生與發(fā)展總與一定時期的生產(chǎn)和生活水平密切相關(guān),門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生也有著特定的歷史背景。
輕型鋼結(jié)構(gòu)在國外發(fā)展較早,最初是隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,主要用于建造私人車庫等簡易房屋。第二次世界大戰(zhàn)期間,由于戰(zhàn)爭的需要,輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最早起源于美國,并且發(fā)展最快、應(yīng)用最廣。后來在歐洲、日本和澳大利亞等國也得到了廣泛發(fā)展和應(yīng)用。因其構(gòu)件制作快捷、便于工廠化加工、施工周期短等特點(diǎn),此種結(jié)構(gòu)形式一經(jīng)推出就深受建筑業(yè)喜愛。
上世紀(jì)20世紀(jì)中期,建筑鋼材產(chǎn)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(qiáng)的彩色壓型鋼板隨之出現(xiàn), 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(jié)構(gòu)的發(fā)展。加之加工設(shè)備的不斷改善,設(shè)計(jì)形式的多樣化,使門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)體系逐漸應(yīng)用于大型工業(yè)廠房、商業(yè)建筑及公共交通設(shè)施等。實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)、出圖的程序化,構(gòu)件加工的工廠化,安裝施工和經(jīng)營管理的一體化流程。
目前,大部分國外輕鋼結(jié)構(gòu)公司都具有自己的門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)系列,由于門式剛架構(gòu)件的剛度良好,其平面內(nèi)、外的剛度差別較小,為制作、運(yùn)輸、安裝提供了較有利的條件。結(jié)構(gòu)構(gòu)件可全部在工廠制作,工業(yè)化程度高,運(yùn)輸便捷,安裝方便快速,土建施工量小,綜合經(jīng)濟(jì)效益高。在美國、日本等一些鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國家,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)作為一種及既經(jīng)濟(jì)又快捷的建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的發(fā)展
我國門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用起步較晚,建國初期在一些舊工廠改建時曾應(yīng)用過類似門式剛架體系的結(jié)構(gòu)。上世紀(jì)50年代我國大規(guī)模建設(shè)時期,為了節(jié)約鋼材,則大量地采用鋼筋混凝土構(gòu)件。80年代后,隨著外資的引進(jìn),門式剛架結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)簡潔、剛度良好、受力合理、使用空間大及施工方便等特點(diǎn),得到迅速發(fā)展。主要表現(xiàn)在兩個方面:
2.1 外國廠家的進(jìn)入,新技術(shù)新產(chǎn)品的引進(jìn)
(1)1979年上海引進(jìn)日本S60壓型鋼板成型機(jī)并用于廠房倉庫的屋面,1980年上海寶鋼引進(jìn)日本W(wǎng)550、V115N壓型鋼板成型機(jī),并在一期工程屋面墻面圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)蛇口工業(yè)區(qū)大量引進(jìn)英國、美國、澳洲和日本等國門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房倉庫。隨后沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)也陸續(xù)引進(jìn)國外輕鋼廠房倉庫。
(3)1994年美國公司投資創(chuàng)建上海美建鋼結(jié)構(gòu)有限公司,1996年嘉定工廠建成投產(chǎn)。
(4)1994年美國美聯(lián)鋼結(jié)構(gòu)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(shù)十項(xiàng)。
(5)1994年ASTRON建筑體系進(jìn)入中國,先后在北京、蘇州等地建成十幾項(xiàng)大工程。
而后還有很多外資、臺資企業(yè)進(jìn)入我國。
2.2 門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋在我國的發(fā)展
(1)1980年上海寶鋼建設(shè)指揮部成立壓型鋼板壓型鋁板試驗(yàn)研究專題組,對一期工程引進(jìn)的日本彩色涂層壓型鋼板及成型設(shè)備進(jìn)行消化吸收,試驗(yàn)利用國內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu),經(jīng)過調(diào)查及大量的試驗(yàn)研究,在寶鋼一期工程屋面墻面推廣應(yīng)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(xué)習(xí)上寶鋼及深圳蛇口工業(yè)區(qū)壓型鋼板及門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國具體情況研究開發(fā)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房倉庫,首先用于商業(yè)部急需建設(shè)的國家棉花儲備倉庫,三年間在冀魯豫三省四十多個地區(qū),建設(shè)輕鋼棉花倉庫300多棟,建筑面積達(dá)20多萬平方米。
(3) 冶金部建筑研究總院是國內(nèi)最早進(jìn)行輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋研究開發(fā)的單位,院內(nèi)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(xué)性能、加工工藝及其加工設(shè)備、另配件連接件及密封材料進(jìn)行研究開發(fā),并結(jié)合工程進(jìn)行輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用,主持或參加國家規(guī)程規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的編制。
(4)隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長,門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋行業(yè)也得到飛速發(fā)展,尤其在東南沿海地區(qū),新建工廠倉庫的需求增長促使輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋加工安裝的廠家如雨后春筍般的發(fā)展起來,從開始的小規(guī)模發(fā)展到現(xiàn)在的現(xiàn)代化大企業(yè),杭蕭鋼構(gòu)、浙江精工、恒達(dá)鋼構(gòu)、上海通用、吳泰鋼構(gòu)、寶鋼彩板、北方空間鋼構(gòu)、北京福田鋼構(gòu)、北京多維鋼構(gòu)、四川恒升等企業(yè)都是專業(yè)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)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(jīng)具有獨(dú)自的屋面墻面圍護(hù)系統(tǒng),有的廠家引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備,技術(shù)水平不斷提高。目前國內(nèi)的壓型板板型幾十種,其生產(chǎn)線大部分都是國內(nèi)制造的。引進(jìn)夾芯板生產(chǎn)線的廠家比較多,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)有二十多條生產(chǎn)線,主要從意大利、德國、韓國、澳洲等國引進(jìn)。目前國內(nèi)廠家也能制作夾芯板生產(chǎn)線。
(6)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的大量應(yīng)用,帶動了相關(guān)配套行業(yè)的發(fā)展和興旺,設(shè)計(jì)軟件的開發(fā),焊接型鋼、冷彎薄壁型鋼及壓型鋼板等加工設(shè)備的制造,采光瓦、零配件連接件和密封材料的生產(chǎn)廠家和代理也很多,技術(shù)水平都在逐步提高。
回顧我國二十多年來鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展歷史,可以說以門式剛架為主的輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋是一項(xiàng)發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的建筑新技術(shù)新產(chǎn)品。
除此之外,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的有關(guān)設(shè)計(jì)施工規(guī)程規(guī)范和圖集也在進(jìn)一步完善。
(1)冶金工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)《壓型金屬板設(shè)計(jì)施工規(guī)程》YBJ216-88,冶金工業(yè)部建筑研究總院主編。
(2)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102:2002。《門式剛架輕型房屋鋼構(gòu)件》JG144-2002。
(3)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》GB50018-2002,《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2002中都有剛架、檁條與墻梁、壓型鋼板的專門章節(jié)。
(4)新編標(biāo)準(zhǔn)圖集有:《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)(無吊車)》圖集號02SG518-1,《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)(有吊車)》圖集號04SG518-3,《壓型鋼板、夾芯板屋面及墻體建筑構(gòu)造》01J925-1,06J925-2等。
3 目前門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)
與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系相比,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(yīng),蒙皮結(jié)構(gòu)具有較大承載力及剛度,而自重卻很輕。如何考慮蒙皮效應(yīng)與結(jié)構(gòu)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(jù)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(jù)需要可改變腹板的高度和厚度及翼緣的寬度,以達(dá)到節(jié)省材料的目的。又因?yàn)殚T式剛架的腹板較薄,可按有效寬度設(shè)計(jì),即允許部分腹板失穩(wěn),并可利用其屈曲后強(qiáng)度。
而變截面的梁柱,在腹板局部屈曲后,其剛架結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定極限承載力的研究還有待進(jìn)一步深入。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面:在靜力和動力荷載及地震荷載作用下,節(jié)點(diǎn)、基本構(gòu)件和整體剛架結(jié)構(gòu)的受力性能、破壞機(jī)理,及其對門式剛架體系的極限穩(wěn)定承載力的影響。
設(shè)計(jì)方面:
(1)需進(jìn)一步開發(fā)更合理的設(shè)計(jì)軟件,如以用鋼量為目標(biāo)函數(shù),以極限承載力或不適合變形為控制參數(shù)的計(jì)算機(jī)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。
(2)構(gòu)件、剛架節(jié)點(diǎn)、彩板節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可靠性、方便性和適用性。
生產(chǎn)技術(shù)方面:焊接工藝的連續(xù)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(shù)等。吊裝過程中的安全性以及安裝精度對結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)處理質(zhì)量等。
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