普通轻钢结构上部经济性含钢指标分析

普通轻钢结构上部经济性含钢指标分析

王 冲1   曾丽2

（1.绵阳市芙蓉建筑有限责任公司，绵阳621000；2.四川金沙人力资源开发管理有限公司，成都610000）  

摘要：文章探讨了轻钢结构范畴及其屋面构造、恒载统计；以普通门刚厂房为例对比分析了《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068-2018执行前和《工程结构通用规范》GB55001-2021执行后，上部结构含钢量变化率；统计分析了典型轻钢结构经济性含钢量范围；探讨轻钢结构设计优化的几个方向。

关键词：轻钢结构；门刚；设计优化

当前，我国钢产量已居世界第一位，政策鼓励采用钢结构，钢结构正处于历史上最好的发展时期。国家标准《钢结构设计标准》GB 50017—2017的颁布实施，标志着我国钢结构技术领域的又一个重要进程[1]。近年来随着各大产业的迭代升级和环保的严格要求，传统的钢混和砖混已不能满足生产对建造效率、高大空间等的需求。轻钢结构跨度大、柱网布置灵活、自重轻、预制程度高、施工效率高、材料可循环使用等优势非常明显，同时由于其强度高、延展性好，部件容易加工和运输，前期成本投入相对较低，符合当前政策推行的绿色节能政策要求，因而得到广泛应用，可预见未来很长时间里随着技术、建筑材料等领域的发展，轻钢结构在工程中的应用占比会越来越重，因此重视轻钢结构的发展，统计分析现行规范下轻钢结构含钢指标组成、经济范围、优化方向，在经验中总结并统筹轻钢结构适用性、安全性和经济性，在结构设计实践中具有重要的意义。

一、轻钢结构范畴及其屋面构造、恒载统计

1. 轻型钢结构一般以热轧、焊接和高频焊接轻型型钢、冷弯薄壁型钢以及薄柔截面构件等作为主要受力构件的结构，亦可部分重要构件参照普钢设计采用一般型材的结构，轻型钢结构主要以轻型框架（排）体系、交错桁架体系、门式刚架体系及低层龙骨体系四类房屋钢结构为代表[2]。其中量大面广的又以门式刚架、框（排）架、屋盖结构（平面桁架、空间网架）三类最为普遍。轻钢结构普遍特性为建筑构造轻，使用荷载小，多为不上人屋面，表皮多采用金属压型板。
2. 笔者在近几年的图纸优化咨询中发现，相近类别和规模的项目，同样的屋面构造，不同设计公司在轻钢结构上考虑的恒载取值差别较大，从0.15~0.8KN/㎡不等，虽绝对值都较小，但轻钢结构一般跨度大、对荷载敏感，荷载对造价影响大，甚至出现不安全或过分浪费两种对立的情况。
3. 准确统计建筑构造是荷载取值正确的前提，以门刚为例统计荷载：檩条计算除自重、建筑表皮外，还应计入其上的拉条、撑杆、吊顶、设备等荷载；主刚架计算除自重、檩条上荷载外，还应计入隅撑、屋面支撑、檩条搭接长度、吊顶、设备等荷载；
4. 轻型钢结构屋面一般引用《压型金属板建筑构造》17J925-1图集，对应屋面典型构造有以下几类：

(1)0.6厚单层彩钢瓦+防水层+隔汽层+100厚玻璃棉毡+加筋高强度丙烯膜，参图集屋面2、屋面3，表皮约0.14KN/㎡；檩条计算按0.17~0.2KN/㎡，主钢架计算按0.27~0.3KN/㎡；

(2)0.6厚单层彩钢瓦+防水+隔汽层+100厚玻璃棉毡+0.5厚内层瓦，参图集屋面4-10，表皮约0.17KN/㎡；檩条计算按0.20~0.25KN/㎡，主钢架计算按0.30~0.35KN/㎡；

(3)考虑光伏面板附加约0.18KN/㎡，考虑喷淋附加约0.1KN/㎡，考虑暖通风附加约0.02KN/㎡；考虑保温棉为100厚岩棉板时增加约0.1~0.15KN/㎡。要求特殊的表皮材质还有铝合金板（高铝锰板）、钛锌板、不锈钢板、干挂树脂瓦，阳光棚玻璃屋面，仿古类建筑陶瓷瓦、琉璃瓦；工业吊扇、吊挂设备、检修通道等应按实际考虑。

二、新旧规范普通门刚上部结构含钢量变化率分析

1. 以某建成的普通门刚厂房为例，对比现行规范与GB50068-2018执行前主体结构含钢量变化率。主要设计条件：7（0.1g）度，标准风压0.3KN/㎡，主钢架恒载标准值0.45KN/㎡（玻璃棉+光伏），结构计算高度6.3m，建筑平面尺寸72.5*26约1885㎡，柱距9m，单跨刚架共九榀，主材Q355-B，采用Z型连续屋檩和C型简支墙梁，采用PKPM2021V1.3版结构设计软件计算。

新旧规范普通门刚厂房含钢量对比（kg/㎡）表2.1

2. 新旧规范对荷载效应设计值的影响：

(1)《建筑结构可靠性设计统一标准》 GB50068-2018第8.2.9条将恒载作用分项系数γG提高到1.3，活载作用分项系数γQ提高到1.5；GB55001-2021第4.2.8条不上人屋面活荷载取值0.5KN/㎡；第4.6.4条要求主要受力结构风荷载放大系数不小于1.2，围护结构风荷载放大系数不小于1+0.7/√uz；新建建筑要求执行《建筑节能与可再生能源利用通用规范》，一般考虑光伏恒载附加约0.18KN/㎡。

(2)新旧规范主钢架重力荷载组合效应设计值变化1.8倍（计光伏变化）或1.4倍（不计光伏变化），风荷载工况效应设计值变化1.17倍；

(3)屋面檩条重力荷载组合效应设计值变化1.32倍（计光伏变化）或1.07倍（不计光伏变化），风荷载工况效应设计值变化约1.21倍；

3. 考虑层高、柱距、荷载、表面积比等影响，新规范引起的上部结构指标变动约为10%～20%，与规范更新引起的各类构件按重量加权平均后的效应设计值变化率相匹配。

三、典型轻钢结构经济性含钢量分析

1. 通规系列发布后，笔者参与设计或优化咨询了二十余个轻钢结构项目，对其中有代表性的单体做如表3.1统计分析，可作为此类项目（荷载特殊、雪荷载起控制作用项目除外）上部结构含钢量参考，实际工程单体会有差异，相近单体整体指标出现±10%左右的偏差应视为经济合理的范畴。

现行规范典型轻钢上部结构经济性含钢量          表3.1

2. 以上数据处于同类型项目经验中位数，客观反映该相近类型的经济含钢量大体范围，对数据统计归类后得到以下验证性结论：

(1)宏观上平面桁架体系最为经济，空腹或格构式形式比实腹更经济，符合一般工程经验，平面体系传力清晰、力学分析简便，但应注重面外传力和稳定性问题；

(2)普通门刚主钢架含钢量约12～16kg/㎡，当有5～10t吊车时含钢量约18～22kg/㎡，当有10～20t吊车时含钢量约22～28kg/㎡；平板网架结构主网格含钢量约28～35kg/㎡；普通平面桁架主排架含钢量约10～14kg/㎡；

(3)围护构件屋檩与墙梁之和含钢量约9～12kg/㎡；

(4)支撑系统、隅撑、连接板件等其他用材约6～10kg/㎡。

四、轻钢结构设计优化方向

上述内容探讨的方向和数据统计，可归纳轻钢结构设计优化方向有如下几点：

1. 优化荷载：满足建筑功能前提下尽可能的使用轻薄的建筑构造和轻质的材料，需熟悉图集构造和实际工程做法。例如以往工程中大量采用的岩棉板可优化为更轻质的玻璃棉，可减少计算用钢量；
2. 优化布置：在允许的情况下尽可能使用多跨连续的布置，少设结构缝，充分发挥结构整体抗力性能；
3. 优化参数：需了解计算参数内涵，例如门刚的自重放大系数与防火涂料和节点形式关联，网架结构的节点自重占比与球节点的类型和大小关联，稳妥的做法应是先确定做法试算后反填相关参数；
4. 优化构造：从表3.1可以看出构造用钢含量占比约为20%～40%，该部分一般不是计算控制，在满足相关要求下优化设置。例如在满足计算前提下改变隅撑布置减小构件厚度，支撑用截面特性更好的圆管代替角钢。
   五、结语

经济指标好的轻钢结构，需要充分发挥设计的主观能动性，从设计资料收集，设计概念与经验协调，到结构体系的选择，再到规范框架下试算验证；也需要与建筑、设备专业的深度沟通、密切配合，在制图过程中的精细设计；还需要了解经典设计手册和相近工程已有的经验等资料佐证。经济性好的轻钢设计项目很大程度上是设计人员学习-应用-总结-修正-再应用这样一个良性成长和蜕变的结果。

参考文献：

[1] 但泽义等编.钢结构设计手册（第四版）.北京：中国建筑工业出版社，2019.

[2]轻型钢结构技术规程：DG/TJ08-2089-2012[S].上海：上海市建设委员会，2012.

[3]建筑结构可靠性设计统一标准：GB50068-2018[S].北京:中国建筑工业出版社，2019.

[4]工程结构通用规范：GB55001-2021[S].北京:中国建筑工业出版社，2021.

[5]门式刚架轻型房屋钢结构技术规范:GB51022-2015[S].北京:中国建筑工业出版社，2016.

[6]建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

[7]建筑抗震设计规范（2016年版）：GB50011-2010[S].北京:中国建筑工业出版社，2016.