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格瑞豪斯与您探讨轻钢和普钢的本质区别!

大家口中的轻钢,一般指的是门刚(这儿讨论的是狭义的门刚。有人说鸟巢、央视大楼也是门刚,从广义上说,也可以这么认为),即门式刚架轻型钢结构厂房,按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范 GB 51022》(简称“门规”)设计;所谓的普钢,一般指的是传统钢结构厂房,按《钢结构设计标准 GB 50017》(简称“钢规”)和《建筑抗震设计规范 》(简称“抗规”)设计。经常有人纠结,某个结构到底是按轻钢还是按普钢设计呢?按普钢设计,结果似乎意味着用钢量的大量增加。那么,同样是钢结构,轻钢和普钢,它们的本质区别到底是啥?如何把他们统一起来看待,而不是那么割裂呢?


实际上,跟上述问题基本等价的一个问题是,为啥要为门刚单独编个规范呢?相信大家都理解,特别地为某种结构编个规范,那就意味着它不符合现行规范体系,需要单独的规范给它的诞生开个准生证。那么很显然,门规特别为门刚规定了啥,实际上就代表了门刚的特征,也就是门刚与普钢的本质区别。事实上,用一句话可以归纳,门刚的实质,就是在普钢的基础上,经过简化或者降低某些要求,带有自己体系特征的钢结构。


一、《门规》是个啥?有《钢标》还要他做甚?


众所周知,《门规》是针对门式刚架轻型房屋钢结构制定的一本专门的规范,其前身是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102,并在条文说明中明确表示“参照和吸取了多项国外先进标准和手册中有关轻型房屋结构设计、制作和安装的规定。主要参考的国外手册是美国金属房屋制造协会MBMA《低层房屋体系手册》等……”(下图是MBMA手册的2006版,有兴趣可以找来翻翻)。



MBMA手册的主要内容大致为:荷载(重点是风荷载和吊车荷载)、适用性(正常使用相关的一些设计要求和考虑)、一般的工业实践(订购和合同文件中关于设计、制造、交易和安装等的指导)、规格指导、美国钢结构协会金属房屋的认证程序、建筑节能、抗火、风雪地震和降雨资料。也就是说,MBMA手册更像是一个指导行业产品买卖的文件,而非规范。其中关于设计施工的内容很笼统,风荷载的内容也是原封不动从美国ASCE 7规范(相当于《建筑设计荷载规范》)引来的。


对照看我们的《门规》,却是一个针对门式刚架轻型房屋钢结构的完整的技术规范,包括结构设计(结构布置、荷载取值和组合、结构和构件计算、节点、围护板设计等)、防护、制作、运输、安装和验收等内容。这些内容,在原来的规范中并不覆盖。换句话说,按原来的规范,门式刚架压根没法设计,或者说即便设计出来,也不再是国外引进的那个门式刚架。


因此,这么对比一下就很清楚了——《门规》是啥?《门规》为了门式刚架引进国内应用,专门编制的一本规范,是在原先国内规范不覆盖、不支持这种结构形式的情况下,从夹缝中生出来的一个小儿子。


《门规》和《钢标》(之前是《钢结构设计规范》GB 50017,简称《钢规》)在国标体系中并列,某种意义上说,是规范体系的混乱。按照逻辑关系,《门规》中跟钢结构静力计算相关的内容应该体现在《钢标》(或《钢规》),荷载的规定应该在《建筑结构荷载规范》,而抗震设计的内容则应该在《抗规》中表达。如果需要有专门针对门式刚架的详细的指导性文件,可以作为协会规程或者手册处理,为一种结构形式编一本国家规范,只会让规范体系愈发庞大和累赘。如果说以前的《钢规》不覆盖门式刚架钢结构,现在的《钢标》实际上已经基本覆盖了。


二、为啥说门刚的基础是普钢?


经常有人说,门刚的本质特征是考虑了构件的屈曲后强度。事实上,钢标明确规定了受弯构件考虑屈曲后强度的计算方法,也给出了受压构件的屈曲后强度计算方法,基本思路与门规一致。同时规范规定,有疲劳问题的构件不允许考虑屈曲后强度。所以,在设计中考虑屈曲后强度,并非门刚所特有,普钢也有这个规定。


事实上,门刚中关于整体结构和构件的受力计算,均是基于常规的结构力学和钢结构理论,与普钢并无本质的区别。在构件校核时,门规在钢规基础上给出了一套专门针对门刚特点的计算公式(因为现行的钢标未完全覆盖至门刚)。但究其力学本质,并没脱离常规钢结构理论。


这一点在门规的主要参考对象——美国的MBMA手册(Metal Building Systems Manual, MBMA)中表现更为明显。MBMA手册中并没有结构和构件计算的具体内容,只是索引参考美国钢结构协会AISC 360规程,即钢结构设计规范。也就是说,美国的钢规已经覆盖了门刚的计算。


三、门刚简化了啥?


门刚厂房的结构,可以看做是在传统普钢厂房基础上进行简化后的产物。


由于结构尺度和荷载较小,门刚的横向框架实际上采用了最简洁的实腹式框架结构,梁柱连接为安装便捷的端板连接,而非普钢中常见的格构式排架或框架(梁柱连接为焊接或栓焊混接)。


由于吊车吨位不大,柱距较小,门刚的吊车梁系统一般不需要采用普钢中复杂的制动系统,仅采用吊车梁自身抵抗侧向力或者设置较为简单的制动结构。


由于柱距不大,门刚中屋面和墙面一般均为檩条直接架越两榀框架,不需采用普钢中常见的托梁和墙架柱。山墙一般采用抗风柱直接将风荷载传递至基础和屋面,不需要像普钢那样设置墙架柱和抗风桁架等构件。


门刚的屋面钢梁之间一般直接设置圆钢或者型钢支撑,靠檩条、系杆和隅撑体系来保证屋面梁的稳定,不需要采用普钢中的横向水平支撑、纵向水平支撑和竖向支撑系统来维系结构整体性和屋面构件的稳定性(事实上屋面轻型化后普钢中也有借鉴门刚屋面隅撑体系的做法)。


檩条-隅撑体系实际上部分等价于普钢厂房中屋面竖向支撑系统。而檩条-隅撑系统成立,需要进行隅撑和檩条的一些验算来确保。


从上述内容可以看到,门刚实际上是因为荷载小、柱距小、构件薄柔等因素,在普钢的基础上简化成了一套带有自身特征的典型的结构系统。


四、门刚降低了哪些要求?


门刚在普钢的基础上,主要降低了变形、抗震构造(长细比、构件截面宽厚比等)要求。


可以清楚地看到,由于金属压型板围护的变形适应性,门规中将结构侧移、构件挠度等变形控制要求大大地降低了。钢结构由于刚度较小,变形控制的情况并不少见。变形要求的放宽,使得按普钢变形控制远不满足规范要求的门刚得以实现,更使得铰接柱脚、摇摆柱等设计成为可能。


虽然门规貌似也提出了抗震要求,但与抗规一刀切的抗震构造要求做法对比,明显灵活而且要求较低(事实上门规按“小震”控制与否来判断是否需要进行抗震设计的做法并不妥当。抗震设防的基准是“中震”,而同时门刚延性较差)。    导致的事实是,按门规进行门刚设计,在大部分情况下免除了普钢按抗规设计时的严格抗震构造要求,如构件截面的板件宽厚比、长细比、连接极限承载力等。这是门规针对门刚重量一般较轻的事实而开辟的一块自留地。


五、门刚的体系特征有些啥?


门式刚架钢结构具有其自身鲜明的体系特征,所以需要从整个体系上去把握和理解其内在逻辑,而不能割裂开来用传统普钢的眼光去挑三拣四。


门刚有蒙皮作用,这是门刚体系得以成立的一个内在体系特征。这儿说的蒙皮,是指门刚构件较为薄柔,金属围护压型板可对其稳定形成可靠的支撑,并非蒙皮参与结构整体受力。这一点需要特别加以甄别,同时也是门规没有明确指出但是却隐含的内容。


门刚的变形要求低,构件薄柔,重量轻,所以允许采用圆钢支撑等作为抗侧力系统,也允许采用圆钢拉条作为檩条的面外支撑。


门刚一般为低矮房屋,风荷载也有着显著的特征。门规事实上参考美国MBMA手册(等同ASCE 7 - Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures对于18m以下建筑的规定,可见美国的“荷载规范”覆盖了门刚的风荷载规定)原样引入了其考虑内压和外压的风荷载计算体系以及具体的体型系数等,并且与荷载规范协调,规定了1.1和1.5的风荷载调整系数。


六、小结


上述关于轻钢(门刚)与普钢内在区别的阐述,旨在帮助设计者更深层次理解门刚的本质,避免盲人摸象。同时,在结构选型时,能更好地评估门刚的适用性,减少一些按轻钢还是按普钢的纠结,也能更具体地比较采用门刚还是普钢设计所导致的用钢量差异及其合理性。

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