轻型房屋钢结构设计讲座（Ⅰ）设计基本规定及荷载一．我国轻型房屋钢结构规程简介目前我国已制订的有关轻型房屋钢结构的规程有：北京的《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》和上海的《轻型钢结构设计规程》（一）《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102:98）简介1．性质：中国工程建设标准化协会标准2．主编单位：中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会3．审查单位：中国工程建设标准化协会薄壁型钢结构委员会4．批准单位：中国工程建设标准化协会5．主要内容：共九章，五个附录第1章总则第2章术语、符号第3章基本设计规定第4章结构形式和布置第5章作用效应计算第6章构件设计第7章连接和节点设计第8章制作和安装第9章隔热和涂装附录A 风荷载计算附录B 斜卷边工形冷弯型钢的截面特性附录C 卷边槽形冷弯型钢的截面特性附录D 楔形梁在框架平面内的换算长度技术附录E 檩条在风吸力作用下的稳定计算（二）《轻型钢结构设计规程》（DBJ 08-68-97）简介1．性质：上海市标准2．主编单位：上海市金属结构协会、同济大学3．审查单位：上海市建设委员会科学技术委员会4．批准单位：上海市建设委员会5．主要内容：共十一章，五个附录第1章总则第2章符号第3章材料第4章结构设计的基本规定第5章构件与连接的计算和构造第6章屋盖结构第7章楼面结构第8章单层房屋结构第9章多层房屋结构第10章维护结构第11章涂装附录A 双坡及单坡屋面房屋的风荷载体型系数附录B 考虑冷弯效应的强度设计值的计算方法附录C 轴心受压构件的稳定系数附录D 关于应力蒙皮强度和刚度的整体试验方法附录E 框架柱的计算长度系数二．轻型钢结构的应用范围轻型钢结构在永久性建筑中的应用范围大致如下：1 用于结构中的构件及其体系（1）屋面体系，包括屋面板（压型钢板等）、檩条、屋架、等；（2）楼面体系，包括楼面板（压型钢板等）、次梁等；（3）墙面体系，包括墙板（压型钢板等）、墙梁、墙柱等；（4）吊顶及内隔墙体系，包括隔墙板、龙骨等。
2 用于下列房屋中的承重结构（1）单层仓库和单层厂房，单跨或多跨，跨度一般不超过30m，无悬挂吊或有悬挂吊，悬挂吊不超过5t，无桥吊或有桥吊，吊车为轻级工作制且起重量一般不超过20t。
承重结构用钢量一般为10~30kg/m2。
（2）多层工业厂房，柱距一般为12~24m，3~4层。
承重框架用钢量一般为30~60kg/m2。
（3）多层住宅和办公楼，柱距一般为6~9m，不超过8层。
承重框架用钢量一般为20~50kg/m2。
（4）2~3层的小别墅（5）目前也有一种趋势，用于20层左右的高层住宅和办公楼。
轻型钢构件的类型有1．由冷弯薄壁型钢做成2．由热扎轻型型钢做成3．由焊接或高频焊接轻型型钢做成4．由圆管、方管、矩形管做成5．由薄钢板焊成6．由小角钢、圆钢做成（不建议采用）轻型钢结构可由以上一种或多种轻型钢构件组合做成三．轻型钢结构的特点1．特点之一：截面中板件比较薄。
冷弯薄壁型钢中厚度最小为1.5mm ，焊接构件中厚度最小为3.0mm ；板件宽厚比比较大，有时可达250，因此对制作、涂装、运输、安装都应有严格要求，防止构件局部变形和易受腐蚀。
2．特点之二：构件抗扭刚度比较差。
在形成结构整体后，通过构件之间的连接，构件和屋面板、墙面板之间的连接，才会大幅度提高构件的抗扭刚度。
因此在运输和安装时要有严格有效措施，防止构件发生扭转变形，同时要重视安装节点的连接，使能形成结构的整体刚度。
3．特点之三：结构比较柔。
为了防止结构变形过大或发生振动，除应重视支撑体系外，还应十分重视屋面板、楼面板和墙面板的构造连接，使它们能参与结构整体工作，有效的增加结构刚度。
4．特点之四：轻型钢结构一般都有冷弯成型工艺，如采用冷弯薄壁型钢等，因此对材料应有冷弯试验的要求，防止在冷弯过程中出现裂缝。
5．特点之五：轻型钢结构的自重很轻。
这对于抗震十分有利，在一般情况下，抗震不起控制作用。
但需对结构的构造和支撑体系加以注意，应能形成空间的稳定体系，防止节点构造的局部损坏和整个结构的倒塌。
轻型钢结构的自重对于风荷载作用是不利的。
风作用的吸力会使屋面、檩条受礼反向，因此要特别注意屋面板的连接，檩条下翼缘的稳定性，防止屋面在大风作用下被掀而破坏。
四．荷载及其组合原则（一）荷载标准值1． 屋面均布活荷载标准值不上人屋面采用压型钢板等轻质屋面 验算屋面板、檩条 0.5KN/m 2 验算屋架、刚架等 0.3KN/m 2 上人屋面，按使用要求确定，不得小于 1.5 KN /m 2 2．屋面板、檩条的施工或检修集中荷载标准值 1.5 KN3．屋面雪荷载和积灰荷载 按荷载规范取用 4．楼面活荷载 按荷载规范取用 5．风荷载垂直与建筑物表面的风荷载标准值，按下式计算0w w z s k μμ=式中 0w -------基本风压，上海地区一般取0.55KN/m 2 0μ--------风压高度变化系数，按下表采用0μ--------风荷载体型系数，可按荷载规范取用。
当条件符合时，也可按规程附录A 的规定采用6．吊车荷载按荷载规范取用7．地震作用按抗震规范取用（二）荷载分项系数和组合系数1．分项系数γ永久荷载对结构不利时1.2，有利时1.0可变荷载 1.4地震作用 1.32．组合系数ψ当有两个或两个以上的可变荷载参与组合且其中包括风荷载时，0.85其他情况 1.0（三）荷载组合原则1．屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，取两者中的较大值；2．积灰荷载应与雪荷载或屋面均布荷载两者中的较大者同时考虑；3．对自重较轻的屋盖应验算在吸风情况下檩条、屋面压型钢板、刚架横梁、屋架构件等截面应力反号的影响，此时永久荷载分项系数取1.0五.材料及其设计指标（一）材料1 承重结构的材料（1）材料要求应具有抗拉强度、伸长率、屈服点、冷弯试验和硫磷极限含量的合格保证。
焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。
重级工作制焊接吊车梁等应具有常温冲击韧性的合格保证。
（2）钢材牌号压型钢板Q235和Q215钢檩条、墙梁Q235和Q345(16Mn)钢刚架等承重构件宜用Q345(16Mn)钢的B级或以上级别的钢吊车梁Q235和Q345(16Mn)钢的B级或以上级别的钢Q235应按国家标准《碳素结构钢》（GB700）的规定Q345（16Mn）应按国家标准《低合金高强度结构钢》（BG/T 1591）的规定当有可靠根据时可采用其他牌号以及耐侯碳素结构钢和高耐侯性结构钢。
在同一构件中允许采用两种不同牌号的钢材2．连接材料（1）焊接连接材料选择焊条型号、焊丝和焊剂时应与主体金属轻度相适应。
当两种不同钢材相连接时，在保证可焊性的前提下，宜采用与低强度钢材相适应的焊接材料。
焊接连接材料应符合下列国家标准的规定手工焊条：《碳钢焊条》（GB/T 5117）《低合金钢焊条》（GB/T 5118）埋弧自动焊、半自动焊焊丝：《熔化焊用钢丝》（GB/T 14957）二氧化碳气体保护焊焊丝：《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》（GB/T 8110）（2）螺栓连接材料螺栓连接材料应符合下列国家标准的规定普通螺栓：《六角头螺栓──A级和B级》（GB 5782）《六角头螺栓──C级》（GB 5780）高强度螺栓：《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫圈技术条件》（GB/T 1228-1231）《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接技术条件》（GB 3632-3633）圆柱头焊钉：《圆柱头焊钉》（GB 10433）自攻螺钉：《自钻自攻螺钉》（GB/T 15856.1-15856.4，GB/T 3098.11）（二）材料的设计指标1．钢材的强度设计值应按下表采用钢材的强度设计值（N/mm2）2．焊缝的强度设计值应按下表采用焊缝的强度设计值（N/mm2）应手工焊焊条的数值；（2）厚度小于16mm的钢板采用高频电阻焊，在焊剂质量达到一级、二级标准并经过拉力试验验证后，其焊接接头的强度设计值可以参照对接焊缝的强度设计值确定；（3）当两种不同钢号焊接时，焊缝的强度设计值应取强度较低钢号栏的数值。
3．螺栓连接的强度设计值应按下表采用2注：孔壁质量属于下列情况者为I类孔：1）在装配好的构件上按设计孔径钻成的孔；2）在单个零件和构件上按设计孔径分别用钻模钻成的孔；3）在单个零件上先钻成或冲成较小的孔径，然后在装配好的构件上再扩钻至设计孔径的孔。
4．对于厚度小于和等于3.5mm的薄板，可采用电阻电焊。
每个焊点的抗剪承载力设计值应按下表采用电阻点焊的抗剪承载力设计值5．几种情况（1）当钢材厚度大于上述表中规定的数值时，其强度设计值应按有关规范的规定取用。
（2）当采用厚度小于4mm的型钢或冷弯薄壁型钢时（不包括厚度不小于2.5mm 的Q235镇静钢）时，上述表中的强度设计值应降低5%。
（3）当由冷弯薄壁型钢组成的构件全截面有效时，可按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GBJ-18-87）的规定采用考虑冷弯效应的强度设计值。
（4）具有下列情况，强度设计值应乘以下列规定的折减系数 1）单面连接的单角钢 1． 按轴心受力计算强度和连接 0.85 2． 按轴心受压计算稳定性等边角钢 0.6+0.0015λ，但不大于1.0 短边相连的不等边角钢 0.5+0.0025λ，但不大于1.0 长边相连的不等边角钢 0.70λ为长细比，对中间无联系的单角钢压杆，应取最小回转半径计算，当λ<20时，取λ=20。
2）施工条件较差的高空安装焊缝 0.90 3）两构件的连接采用其间填有垫板的连接以及单盖板的不对称连接 0.90 4）拱的双圆钢拉杆及其连接 0.85 5）平面桁架式檩条和三角拱斜梁，其端部主要受压腹杆 0.85当几种情况同时存在时，其折减系数应连乘。
六．设计原则轻钢结构采用以概率理论为基础的极限状态设计法，用分项系数的设计表达式进行计算。
承重结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计。
（一）按承载能力极限状态设计时，应考虑荷载效应的基本组合以及荷载效应的偶然组合，用荷载设计值进行计算，并采用下列表达式： 不考虑地震作用时：R S ≤0γ 考虑多遇地震作用时：REE R S γ/≤式中 γ0────结构重要性系数，对于安全等级为一级、二级和三级的结构构件，可分别取1.1、1.0和0.9：一般工业与民用建筑轻型钢结构的安全等级可取为二级，特殊建筑的轻型钢结构的安全等级可根据具体情况另行确定；S ───不考虑地震作用时荷载效应组合的设计值；S E ───考虑多遇地震作用时，荷载和地震作用效应组合的设计值； R ───结构构件承载力的设计值；γRE ───承载力抗震调整系数，应按下表采用承载力抗震调整系数γRE（二）荷载效应组合的设计值应按下式计算1．不考虑地震作用时()C QC C W QW W L QL L K G G Q C Q C Q C G C S γγγϕγ+++=2．考虑地震作用时K E E E GE G E E C G C S γγ+=式中 Gγ────永久荷载分项系数，一般取1.2；C WLγγγ,,────屋面和楼面活荷载、风荷载、吊车荷载分项系数，一般取1.4；Eγ────地震作用分项系数，一般取1.3；E QC QL GE G C C C C C ,,,,──永久荷载、重力荷载、屋面和楼面活荷载、风荷载、吊车荷载和地震作用的荷载效应系数K C W L K E Q Q Q G ,,,,──永久荷载、屋面和楼面活荷载、风荷载、吊车荷载和地震作用的标准值；E G ──重力荷载代表值，按现行国家标准《建筑抗震设计规范》（GBJ 11）第4.1.3条的规定采用；ϕ──荷载组合系数，当有两个或两个以上的可变荷载参与组合且其中包括风荷载时，取0.85，其他情况则取1.0。