浅析轻钢筋结构住宅

浅谈轻钢结构住宅摘 要钢结构作为现代的“绿色建筑”，因其具有重量轻、强度高，工业化程度高，施工周期短，容易安装，安全可靠性、抗震抗风性能好，环保性能好等特点而被广泛应用于住宅、厂房、体育场等各类建筑中。本文所述轻钢结构住宅主要是一种以轻型冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高频焊接型钢、薄钢板、薄壁钢管、轻型热轧型钢拼接、焊接而成的组合构件为主要受力构件，大量采用轻质围护隔离材料的单层或多层建筑结构，每平方米钢用量在40kg以下的轻型钢结构。本文根据钢结构住宅的特点浅谈轻钢结构住宅的生产制造以与连接安装工艺，并对轻钢结构住宅发展遇到的问题进行分析和展望。关键词：住宅，钢结构技术，钢结构形式，连接安装，发展前景一、关于钢结构住宅（1）钢结构住宅发展现状轻钢结构住宅在国外已经有50多年的发展历史，我国还属于初级阶段，相比重钢结构，轻钢结构只能做别墅或多层住宅，上世纪九十年代中期在库尔勒就建造了一个轻钢结构的多层住宅小区，还有轻钢结构的别墅区，目前轻钢结构的住宅在我国还没有大围推广。钢结构是一种具有较大优势的建筑结构，随着改革开放进程的加快和钢材产量的不断提高，钢结构在我国已经过了20多年的发展，目前技术较为成熟，维护结构与装修水平也相当高，建造轻钢结构住宅没有技术问题。钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已被建设部列为重点推广项目。现在社会人们对住宅密度、环境绿地等要求越来越高的情况下，较大围应用钢结构住宅，是我国生产发展的必然趋势。 （2）钢结构住宅的优势1、重量轻、强度高在相同的跨度和荷载作用下，普通钢屋架重量只有同等跨度钢筋混凝土屋架的1/31/4。如果采用薄壁型钢屋架则更轻，只有1/10。可见，钢结构比钢筋混凝土结构自重更轻，截面更小，能承受更大的荷载，实现更大的跨度。2、塑性、韧性好钢材质地均匀，各向同性，弹性模量大，有良好的塑性和韧性。钢材破坏前会经过很大的塑性变形过程，能吸收和消耗很大的能量。3、工业化程度高、施工周期短 钢结构由各种型材和钢板组成，采用机械加工，在专业化的钢结构工厂制造，并由专业施工人员在现场安装，可缩短施工周期，降低造价，提高经济效益。4、环保性能好采用钢结构可大大减少砂、石、灰的用量，使用1t钢结构可减少7t混凝土用量，从而减轻不可再生资源的浪费。因此，使用钢结构有利于保护环境、节约资源。5、钢结构具有更好的综合经济性能由于钢结构自重轻，其地基基础费用可以相对节省。因为构件截面相对面积较小，可增加建筑物有效利用空间。钢结构施工快、工期短，可减轻业主贷款利息压力并提前发挥建筑物的使用效益。6、文明施工程度高与其他结构类型的建筑物相比，钢结构施工时占用临时用地少，工地现场没有传统建筑工地的机器轰鸣、尘土飞扬，现场管理的文明化施工程度高。虽然钢结构住宅优点甚多、用途广泛，但是钢材价格较贵。在设计和施工中，应尽量节约钢材，降低工程造价。（3）钢结构自身缺点1、耐热却不耐火钢材随着温度升高而弹性模量降低，导致钢材强度下降。温度在250以，钢的性质变化很小，温度达到300以后，强度明显下降。钢结构的防火性比钢筋混凝土差，对于钢结构住宅，应根据建筑物的重要性等级和防火规加以特别处理。2、耐腐蚀性差钢材在潮湿环境中易于锈蚀，处于有腐蚀性介质的环境中更易生锈，从而影响结构的使用寿命。因此，钢结构必须进行防锈处理，可采用油漆、热镀锌或热喷涂铝（锌）复合涂层，需每隔一段时间重新维修。目前，国外正开发和研制不易锈蚀的耐火钢。实践证明，含磷、铜的耐火钢强度、耐腐蚀性均优于常用的Q235等钢材。此外，长效油漆的研究也取得了一定进展，使用这种油漆防护可延长钢结构寿命，节省围护费用。二、钢结构住宅的生产制造（1）基本组成与结构形式以门式钢架轻型钢结构房屋为例，其组成可分为四大部分。如图2-1所示。图2-1门式钢架轻型钢结构房屋的组成主结构钢架、吊车梁；次结构檩条、墙架柱（与抗风柱）、墙梁；支撑结构屋盖支撑、柱间支撑、系杆；围护结构屋面（屋面板、采光板、通风器等）、墙面（墙板、门、窗）。门式钢架可分为单跨、双跨、多跨钢架以与带挑檐、带毗屋钢架等形式，屋盖可做成单坡或双坡。门式钢架构件体系，还可以分为实腹式和格构式；按截面形式，可分为等截面和变截面；按结构选材，可分为普通型钢、薄壁型钢或钢板焊成的。（2）钢结构品种规格与要求建筑工程中所用的建筑钢材基本上都是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。碳素结构钢共有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个品种。这五种不同强度的碳素钢随着屈服强度数值（Q）增大，其含碳量、强度和硬度增大，塑性降低。其中Q235在使用、加工和焊接方面的综合性能较好，是钢结构经常采用的品种之一。钢结构采用的型材有热轧成型的钢板、型钢以与冷弯（冷压）成型的薄壁型材。本文所述轻型钢结构住宅主要是以热轧轻型刚和冷弯薄壁型材等为主要构件的钢结构房屋。其中，冷弯薄壁型材是由薄钢板经冷弯或模压而成型的，主要用于跨度小，荷载轻的轻型钢结构。为保证结构安全可靠，经济合理，钢材选用需考虑以下主要因素：1、 抗拉强度和屈服强度较高。2、 塑性和韧性好。3、 有良好的加工性能。4、 耐久性好。5、 价格适宜。 （3）加工制作工艺钢结构加工制作的主要工艺流程有：加工制作图的绘制制作样杆、样板号料放线切割坡口加工开制孔组装（包括矫正）焊接摩擦面的处理涂装与编号。1、样杆、样板的制作样杆一般用薄钢板或扁钢制作，当长度较短时可用木尺杆。样板可采用厚度0.500.75mm的薄钢板或塑料板制作。样杆、样板应注明工号、图号、零件号、数量与加工边、坡口部位、弯折线和弯折方向、孔径和滚圆半径等。2、号料号料是以样杆、样板为依据，在原材料上画出实样并打上加工记号的过程。号料方法有集中号料法、套料法、统计计算法、预料统一号料法四中。一般工作容包括：检查核对材料，在材料上画出切、铣、刨、弯、钻等加工位置，打冲孔，标注出零件的编号。3、切割钢材的切割下料应根据钢材的截面形状、厚度以与切割边缘质量要求的不同而分别采用剪切、冲切、气体切割、锯断和高温热源切割等工艺，主要根据切割能力、切割精度、切剖面的质量与经济性来选择切割方法。4、边缘加工和端部加工方法主要有：铲边、刨边、铣边、碳弧气刨、气割和坡口机加工等。铲边：有手工铲边和机械铲边两种铲边后的棱角垂直误差不得超过弦长的1/3000，且不得大于2mm。刨边：使用的机械是刨边机。刨边加工有刨直边和刨斜边两种。一般的刨边加工余量24mm。碳弧气刨：使用的设备是气刨枪。效率高、无噪声、灵活方便。坡口加工：一般可用气体加工和机械加工，在特殊的情况下采用手动气体切割的方法，但必须进行打磨处理。5、制孔钢结构零部件加工的制孔有钻孔、冲孔和火焰割孔等几种方法。钻孔是利用切削原理，对孔壁部分损伤较小，孔精度较高。是目前常用的制孔方法。钻模板上下两平面应平行，其偏差不得大于0.2mm，钻孔套中心与钻模板平面应保持垂直，其偏差不得大于0.15mm，整体钻模制孔的允许偏差应符合有关规定。6、组装钢结构组装的方法包括地样法、仿形复制装配法、立装法、卧装法、胎膜装配法等。拼装必须按照工艺要求的次序进行，当有隐蔽焊接时，必须先施焊，经检验合格方可覆盖。为减少变形，尽量采用小件组焊，经矫正后再大件组装。钢结构组装允许的偏差见钢结构工程施工质量验收规GB50205有关规定。7、摩擦面的处理高强度螺栓摩擦面处理后的抗滑系数值应符合设计的要求（一般为0.450.55），摩擦面的处理可采用喷砂、喷丸、酸洗、砂轮打磨等方法。采用砂轮打磨处理摩擦面时，打磨围不应小于螺栓孔径的4倍，打磨方向与构件受力方向垂直。高强度螺栓的摩擦连接面不得涂装，高强度螺栓安装完后，应连接板周围封闭，再进行涂装。8、涂装、编号涂装前应对钢构件表面进行除锈处理，构件表面除锈方法和除锈等级应与设计采用的涂料相适应，并应符合规的规定。构件涂装后，应按设计图纸进行编号，编号的位置应符合便于堆放、便于安装、便于检查的原则。三、连接安装工艺（一）、钢结构的连接方法钢结构的连接是采用一定方式将各杆件连接成整体。钢结构的连接方法有焊缝连接、普通螺栓连接、高强度螺栓连接、铆钉连接等。目前应用较多的是焊接和高强度螺栓连接。1、钢结构的焊接在钢结构制作和安装领域中，广泛使用的是电弧焊。在电弧焊中又以药皮焊条手工电弧焊、自动埋弧焊、半自动与自动CO2气体保护焊和自保护电弧焊为主。焊接过程中，焊接热源对焊件进行局部加热，产生了不均匀的温度场，导致材料热胀冷缩的不均匀；处于高温区域的材料在加热（冷却）过程中产生较大的伸长（收缩）量，由于受到周围材料的约束而不能自由伸长（收缩）。于是在焊接中产生应力，使高温区域的材料受到挤压（拉伸），产生塑性形变。同时，金属材料在焊接过程中随着温度的变化还会发生相应的应变。不同的金属组织有不同的性能，也会引起体积的变化，对焊接应力与变形产生不同程度的影响。钢结构焊接节点构造，应符合这几点要求：尽量减少焊缝的数量和尺寸；焊缝的布置对称于构件截面的中和轴；便于焊接操作，避免仰焊位置施焊；采用适当的节点形式，避免焊缝密集和双向、三向相交；焊缝位置避开高应力区；根据不同焊接工艺方法合理选择适宜的坡口形式和尺寸。2、高强度螺栓连接高强度螺栓从外形上可分为大六角头高强度螺栓和抗剪型高强度螺栓两种类型。按性能等级分为8.8级、10.9级、12.9级，目前我国使用的大六角头高强度螺栓有8.8级和10.9级两种，扭剪型高强度螺栓只有10.9级一种。高强度螺栓连接工艺流程：作业指导书编制与交底被连接构件制孔检查螺栓、螺母、垫圈检查轴力、扭矩系数试验合格连接件摩擦实验合格检查连接面，清除油污、毛刺等安装构件到位，临时临时固定校正钢柱并预留偏差值紧固临时螺栓、冲孔，检查缝隙确定可作业条件初拧：按紧固顺序，采用转角法作标记终拧检验。（二） 、钢结构房屋安装1、安装前的准备工作施工组织设计其容包括：计算钢结构构件和连接件数量；选择起重机械；确定构件吊装方法；确定吊装流水程序；编制进度计划；确定劳动组织；构件的平面布置；确定质量保证措施、安全措施等。基础准备钢柱基础的顶面通常设计为一平面，通过地脚螺栓将钢柱与基础连接成整体。施工时应保证基础顶面标高与地脚螺栓位置准确。为保证基础顶面标高的准确，施工时可采用一次浇筑法或二次浇注法进行。构件的检查与弹线在吊装钢构件之前，应检查构件的外形和几何尺寸，如有偏差应在吊装前设法消除。在钢柱的底部和上部标出两个方向的轴线，在底部适当高度标出标高准线，以便校正钢柱的平面位置、垂直度、屋架和吊车梁的标高等。构件的运输、堆放钢构件应根据施工组织设计要求的施工顺序，分单元成套供应。运输时，应根据构件的长度、重量选择车辆；钢构件在运输车辆上的支点、两端伸出的长度与绑扎方法均应保证构件不产生变形，不损伤涂层。钢构件堆放的场地应平整坚实，无积水。堆放时应按构件的种类、型号、安装顺序分区存放。钢结构底层应设有垫枕，以防止支点下沉，并应防止钢构件被压坏和变形。2、构件的吊装工艺钢结构施工工艺流程：准备工作放线与验线（轴线、标高复核）钢柱标高处理与分中检查构件中心与标高检查安装钢柱、校正柱脚按设计要求焊接固定柱间梁安装高强度螺栓初拧、终拧（或按设计要求进行焊接）吊车梁、平台与屋面结构安装焊接固定或高强度螺栓初拧、终拧固定。钢柱的吊装钢柱的吊升可采用自行式或塔式起重机，用旋转法或滑行法吊升。钢柱的校正包括平面位置、标高、垂直度的校正。为防止钢柱校正后的轴线位移，应在柱底板四周边用10mm厚钢板定位，并电焊牢固钢柱复校后，紧固地脚螺栓，并将承重垫块上下电焊固定，防止走动。钢吊车梁的吊装吊车梁吊装时应注意钢柱吊装后的位移和垂直度的偏差，认真做好临时标高垫块工作，严格控制定位轴线，实测吊车梁搁置处梁高制作的误差。钢吊车梁均为简支梁，梁端之间应预留有10mm左右的间隙并设钢垫板，梁和牛腿用螺栓连接，梁与制动架之间用高强度螺栓连接。标高的校正可在屋盖吊装前进行，其他项目校正可在屋盖安装完成后进行。钢屋架吊装与校正钢屋架的临时固定可用临时螺栓和冲钉。钢屋架的侧向稳定性差，如果起重机的起重重量、起重臂的长度允许时，应先拼装两榀屋架与上部的天穿架、檩条、支撑等为整体，然后再一次吊装，保证吊装稳定性的同时提高了吊装效率。钢屋架的垂直度用垂球检验，弦杆的正直度用拉紧的测绳进行检验。屋架的最后固定，用电焊或高强度螺栓进行固定。四、发展中的问题与前景（1）发展轻钢结构遇到的问题1社会认可度钢结构住宅的发展面临的首要问题是整个社会对这种新住宅体系的承受需要一个过程。轻钢结构住宅体系是在欧美地区木结构住宅的基础上发展起来的，这种体系虽然在国外已经十分成熟和完善，但是在我国尚处于发展的初级阶段。根据我国国情，人们习惯了砖混或钢筋混凝土结构的住宅，承受到轻钢结构住宅也需要一个渐进的过程。万科在使用轻钢龙骨隔墙（厚度小于20cm）而遭到业主联名反对，原因就是隔音效果差、装修不方便，整体缺乏安全感。2、专业技术人才缺乏在人员方面，由于国无论中等或是高等专业学校的教学容中均少涉与轻钢结构住宅体系，因此我国建筑类专业的工程技术人员对这一体系知之甚少，而更加缺乏的是熟练技术工人，所以虽然这一体系单纯从技术层面上讲并无多少难度，但真正推行起来却往往缺乏得力的骨干。3、工程造价问题目前轻钢结构住宅在我国大陆的报价大约是同条件传统混凝土结构住宅的1.5倍左右，国消费者近期还难以承受。然而这种价格在国外比起其它结构形式住宅的造价来说，却具有很强的竞争力，这也就是为什么轻钢结构住宅体系在国外能够蓬勃发展的原因。任何新技术的产生与发展都是与所处社会的技术经济背景相联系、相适应的，目前欧美日等发达国家和地区，人均GDP约为我国的4050倍，劳动力价格约为我国的2030倍，因此，符合产业化生产方式的轻钢结构住宅在发达国家远比我国更易被市场承受。而我国由于科技和生产力发展水平不高，劳动力价格便宜，尽管轻钢结构住宅的性能和舒适度较高，但其对于传统建筑形式住宅的竞争优势反倒不够明显。4、缺乏有针对性的钢结构住宅规与相应标准我国的标准规是针对几十年来大量使用的结构体系编制的，轻钢结构住宅体系此前在我国几乎属于技术空白，所以不能满足我国现行强制性规的某些条文。目前我国的建筑设计防火规在材料选用方面似乎较国外苛刻，轻钢结构住宅难以满足其要求。这种与国规不衔接的状况，使轻钢结构住宅项目无论在工程报建阶段还是在工程验收阶段，都会遇到较多的障碍与麻烦。5、钢结构住宅本身缺陷钢结构防火能力差。经过防火处理的钢结构的耐火时间也只有23个小时，远远逊色于砖石和钢筋混凝土等耐火性能好的建筑材料。（2）钢结构住宅发展前景按发达国家的最低水平推算，我国钢结构用钢量至少有4000万吨的发展空间。在近期，国家将大力发展钢结构建筑，力争每年建筑钢结构用钢将占全国钢材总产量的3以上，年均钢材消费量为400万吨至450万吨；到2020年，将再翻一番，全国建筑钢结构用钢材占钢材总产量的10以上，由此可见，钢结构住宅市场前景十分广阔。我国从上世纪九十年代开始推广轻钢结构，目前正值兴起的时候。从政府部门，例如住宅产业化促进中心，到国的企业，例如北新建材联合日本新日铁成立了北新房屋公司。 澳大利亚博思格，美国的巴特勒和华星顿等国外公司在我国已有众多业务，例如仙桃的轻钢五层住宅项目。建筑师英俊也在灾区和农村推广轻钢结构住宅，已经得到的一些地方政府部门的重视。如此证明轻钢结构房屋正在被大力推广，不久的将来，肯定会有更大的市场。住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路，这将成为推动我国经济发展新的增长点。钢结构住宅体系易于实现工业化生产，标准化制作，而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料，它属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略，因此钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展，直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。结论如果说钢筋混凝土结构的发展使施工从手工进入了机械化，那么钢结构的应用就将使住宅施工实现现代化，钢结构住宅将成为建筑现代化发展的一个重要标志。“钢结构是环保住宅，钢结构符合可持续发展概念”21世纪钢结构将占领广阔的建筑市场。在我国目前大力推广住宅产业化的时代背景下,钢结构体系必将成为住宅结构体系的主流。12 / 12