浅谈冷弯薄壁轻钢住宅体系

　　摘要：主要阐述了冷弯薄壁轻钢体系的发展，介绍了冷弯薄壁轻钢体系的材料、结构组成、设计、加工、施工方法及其优势，此种结构体系符合我国可持续发展的要求，在我国低层住宅中应大力推广。

　　关键词：冷弯薄壁轻钢体系  钢结构  设计  施工

　　Abstract: This paper mainly expounds the cold bending of light steel thin-walled system development, introduces the cold bending light steel system of thin-walled structure, material, design, processing, construction method and its advantages, this structure system conforms to the requirement of sustainable development in our country, and in our country to be promoted in lower houses.

　　Keywords: cold bending light steel system thin-walled steel structure design and construction

　　一、冷弯薄壁轻钢体系在国内外的发展情况

　　冷弯薄壁轻钢住宅体系最早是由木结构演变而来的，在一些发达国家，例如美国、加拿大、澳大利亚及欧洲一些国家，经过近百年的发展、应用及实践积累，已经成为以上各国低层住宅建筑的主要组成形式，并且都已经形成了自己独有的设计施工规范，如美国钢铁协会标准AISI、澳大利亚及新西兰联合发布实施的冷轧薄壁型钢结构规范AS/NZS4600、欧洲冷轧薄壁轻钢构件设计规范EuroCode3等。

　　长期以来国内的低层建筑体系一直维持在"砖瓦石"的时代。冷弯薄壁轻钢住宅体系在20世纪90年代传入我国，给我国的低层建筑体系带来一场革命。1996年我国钢产量达到1亿吨，国家政策对建筑钢结构的应用不再加以限制，借着这个大好时机，冷弯薄壁轻钢住宅建筑体系在中国迅速发展起来了。在最初的几年中，冷弯薄壁轻钢的设计一直沿用着美国、澳大利亚标准，其标准的区别不大。但国内没有自己的设计规范，一定程度上制约了冷弯薄壁轻钢住宅体系在中国的发展。中华人民共和国建设部在2004年发布了行业标准《低层轻型钢结构装配式住宅技术要求(送审稿)JG/TXXX-2004》，中国建筑标准设计研究院颁布了图集05J910-1《钢结构住宅》。技术要求及图集的颁布，给冷弯薄壁轻钢体系在中国的发展奠定了良好的基础。

　　二、冷弯薄壁轻钢住宅体系的介绍

　　2-1材料型号、材质

　　冷弯薄壁型钢主要由C型钢，U型钢，P（腹板长度小于翼缘长度的U型钢）型钢组成，这三种形状的钢材是此种体系中使用最为广泛的，主要用于结构的墙体和屋架等承重体系及屋内隔墙等围护体系。另外还有"Π"型（有/无卷边）钢材、"Z"型（有/无卷边）钢材、"L"型钢材以及异型钢材。"Π"型钢材可用于屋内天花吊顶和屋面檩条、"Z"型钢材可用于屋面檩条、"L"型钢材可用收边件。另外，体系中还设计了各种配套连构件，主要抗风连接件、异型收边件及抗拔连接件等。C型钢及U型钢的主要规格主要由89系列、102系列、152系列、202系列、254系列组成，厚度一般在0.8mm~2.2mm之间。

　　冷弯薄壁轻钢住宅体系所使用的材质也不尽相同。日本和加拿大多数采用屈服强度为290Mpa的高强度低合金钢材。澳大利亚采用屈服强度可到550Mpa高强度低合金钢，结构构件的厚度可以放宽到0.48mm。美国基本采用2种钢号： 33 KSI（屈服强度为228Mpa），及50 KSI（屈服强度为345Mpa）。我国与美国基本相同采用Q235钢材及Q345钢材。

　　钢材表面进行热镀锌处理，在化学反应周期上，锌的活跃性高于铁，遇到腐蚀情况发生时，镀锌层先参与化学反应，有效保护母材。镀锌层厚度的要求各国基本一样，一般是普通地区结构构件的镀锌层厚度为双面180g/m2，强腐蚀地区不小于270g/m2。由于结构外围护的包裹，其腐蚀速度相对比较慢，美国AISI的研究资料为平均每3年腐蚀0.1μm。加拿大CSSBI在1986-1989期间，对15栋位于不同气候条件下的住宅建筑的镀锌结构构件进行研究，结果表面镀锌层损失为第一年损失0.44g/m2，两年损失共0.71g/m2，三年损失共0.77g/m2。我国镀锌钢板一般规定镀锌层厚度为双面275g/m2，满足结构使用年限要求。

　　冷弯薄壁轻钢构件多采用自钻螺丝连接，故对其钢材牌号不作具体规定，目前国内多使用ST4.2及ST4.8自钻螺丝。

　　2-2住宅结构设计

　　冷弯薄壁轻钢住宅体系的设计软件在国内发展的比较缓慢，很长一段时间内，国内设计此类结构体系只能用手算、查表、计算机简单辅助运算来进行设计与计算，并且设计完成后，结构构件绘图量及构件统计量十分巨大。

　　相对于国内，国外此类设计软件发展的已经比较成熟了。笔者用过的HaysCAD冷弯薄壁轻钢结构设计软件就是一款很不错也比较成熟的设计软件。HaysCAD原是澳大利亚的一款设计软件，采用的标准为澳大利亚及新西兰联合发布实施的冷轧薄壁型钢结构规范AS/NZS4600，引进中国后，将软件内部设计参数更改为中国规范参数。HaysCAD采用人机交流对话框模式进行设计，极大的方便了设计师设计及修改，并且绘图及构件统计工作能在几分钟之内就可以完成。设计完成后，软件生成的数据可以直接传输到生产设备加工构件。

　　2-3住宅结构组成

　　冷弯薄壁轻钢住宅体系主要由基础、墙体、楼面板、屋架四个部分组成。

　　基础一般采用钢筋混凝土条形基础，在地质条件不理想的地方也可以采用小型筏板基础，需要地下室的时候也可以设置地下室，这与传统结构基础设计是相同的。

　　墙体结构主要由C型钢密肋柱组成，需要时可以使用C型钢和U型钢组合柱，墙柱的两端设置有U型钢底部导轨和顶部导轨。外侧墙板一般采用OSB（Oriented standard board）板，为墙体提供侧向支撑作用，必要时应设置X形剪力支撑系统。外墙板还可以采用ALC板、复合保温板、水泥刨花板等。内侧墙板一般采用石膏板。承重墙体门窗洞口上方必须设置过梁，过梁可采用C型钢与U型钢组合箱型、双C型钢组合工型或单（双）侧L形截面，其截面尺寸应符合设计要求。当抗震设防烈度为8度及其以上或最大风压为1.5kN/m2（标准值）以上时，应设置剪力墙和采取抗拔等拉接措施。墙体与基础、楼盖与墙体通过连接件进行靠连接，墙体及其构件的强度、刚度、稳定均应满足设计要求。

　　楼板结构由密肋梁和楼面板组成，密肋梁可以采用C型钢、C型钢与U型钢组合的箱型、双C型钢组合的工型或者C型钢与U型钢组合的桁架。在梁的端头部位设置U型钢边梁，并且楼面梁在墙上必须有足够的支承长度。当楼面梁跨度超出3.5m时，应采用U型钢设置横向支撑或者用钢带设置X型拉结。楼板开洞时，楼板洞口周边应设置U型钢边梁。楼面板一般采用不低于18mm厚的OSB（Oriented standard board）板。面层做法可按传统设计，既可以铺设混凝土收光，也可以铺设地砖或者木地板。楼板必须其下部构件进行可靠连接。楼盖及其构件的强度、刚度、稳定以及楼盖的振动均应满足设计要求。

　　屋盖结构视建筑外形而确定，可采用密肋梁体系、密肋三角形屋架体系、密肋梯形屋架体系、密肋搭接式屋架体系。屋架体系上铺屋面板，屋面板一般采用OSB（Oriented standard board）板。密肋梁体系及密肋搭接式屋架体系与墙体设置基本相同。密肋三角形屋架体系及密肋梯形屋架体系是由设计确定，上弦杆及下弦杆采用C型钢或者P型钢，腹杆采用C型钢或者C型钢及U型钢组合。屋架与其下部墙体及横梁或屋脊构件都必须可靠连接，屋架在其下部墙体及横梁上必须有足够支承长度。屋架的挑檐长度应通过计算确定，一般不大于600mm。为了保持屋架在安装和使用时的稳定性和整体性，屋架下弦杆、屋架上弦杆及屋架腹杆在超出其平面外计算长度时均应设置水平支撑，在相邻屋架下弦杆及上弦杆之间还应设置斜支撑。当需要在屋面或天花板上开洞时，洞口周边应设置U型钢边梁。当抗震设防烈度为8度及其以上或最大风压为1.5kN/m2（标准值）以上时，屋架通过抗风连接件与墙体进行可靠拉接。屋盖系统及其构件的强度、刚度和稳定均应满足设计要求。

　　在节能、保温及防噪设计上，冷弯薄壁轻钢体系主要采用挤塑聚苯板做为外墙保温材料，并且在外墙密肋柱内填充离心玻璃棉，这样既很好的解决了保温问题，使室内冬暖夏，又可以防止冷桥现象的产生。在内墙、楼面板及屋架密肋柱、梁之间填充离心玻璃棉，可以有效防止撞击噪声的传播。

　　2-4材料加工及住宅施工

　　钢结构材料加工全部在工厂完成，工业化程度高，同时借助冷弯薄壁轻钢体系专业设计软件,实现设计产品的标准化。所有构件工厂化加工制造,使材料加工精度高,易于保证产品质量。

　　住宅施工可以分为两种方式进行施工。一种是将构件散运至施工现场，在施工现场内各对结构构件进行拼装，另一种方法是在工厂对结构构件进行预拼装，将构件拼装成房屋模块，将模块运输至施工现场后进行组装。构件组装实现机械化装配,施工速度快,施工周期短,与传统住宅相比湿作业施工少，总工期缩短40%以上。海口宝安江南城幼儿园，总建筑面积3000平方米，采用的是第一种施工方法。澳大利亚珀斯海岸多套住宅，总建筑面积20000平方米，采用的是第二种施工方法。

　　三、冷弯薄壁轻钢优缺点及在中国的发展

　　1、冷弯薄壁轻钢体系的优点有：

　　1）计算机辅助设计系统比较成熟

　　2）构件标准化

　　3）结构自重轻，抗震性能好

　　4）建设周期短，受季节限制少

　　5）室内布局灵活，管线暗藏于墙体间令室内美观舒适

　　6）外观造型丰富多样

　　7）构件可拆装重复使用、节能环保

　　8）结构蒙皮效应明显。

　　2、冷弯薄壁轻钢体系的缺点有：

　　1）目前造价相对于传统结构较高（但在大规模集成化生产情况下造价只比传统结构略高）

　　2）构件为空心，部分国人理念上不接受。

　　冷弯薄壁轻钢体系的集成化、节能环保、可重复利用等优点十分符合我国的绿色环保、可持续发展的战略。随着相关规范标准及图集的出台，加之国内钢产量的充足，为冷弯薄壁轻钢体系在中国的发展奠定了良好的基础。我国应该以吸收国外成熟技术为基础，大力发展和推广本体系，尤其是在地震多发区多使用此结构体系，使冷弯薄壁轻钢建筑体系在我国形成系统化、集成化、规模化。以规模生产降低住宅成本，使之适应我国国情，促进冷弯薄壁轻钢体系在我国的发展。

　　参考文献：

　　丁成章编著《低层轻钢骨架住宅设计、制造与装配》北京：机械工业出版社 2002

　　丁成章编著《轻钢骨架住宅设计--工程计算》北京：机械工业出版社 2004

　　《HAYSCAD 设计手册》（上/下册）海斯公司

　　《低层轻型钢结构装配式住宅技术要求(送审稿)JG/TXXX-2004》