折彎機(jī)，適用于板材的折彎

鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中輕鋼和普鋼的本質(zhì)區(qū)別

大家口中的輕鋼，一般指的是門剛(這兒討論的是狹義的門剛。有人說鳥巢、央視大樓也是門剛，從廣義上說，也可以這么認(rèn)為)，即門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房，按《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范 GB 51022》(簡稱“門規(guī)”)設(shè)計(jì);所謂的普鋼，一般指的是傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)廠房，按《鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB 50017》(簡稱“鋼標(biāo)”)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 》(簡稱“抗規(guī)”)設(shè)計(jì)。經(jīng)常有人糾結(jié)，某個(gè)結(jié)構(gòu)到底是按輕鋼還是按普鋼設(shè)計(jì)呢?按普鋼設(shè)計(jì)，結(jié)果似乎意味著用鋼量的大量增加。那么，同樣是鋼結(jié)構(gòu)，輕鋼和普鋼，它們的本質(zhì)區(qū)別到底是啥?如何把他們統(tǒng)一起來看待，而不是那么割裂呢?

實(shí)際上，跟上述問題基本等價(jià)的一個(gè)問題是，為啥要為門剛單獨(dú)編個(gè)規(guī)范呢?相信大家都理解，特別地為某種結(jié)構(gòu)編個(gè)規(guī)范，那就意味著它不符合現(xiàn)行規(guī)范體系，需要單獨(dú)的規(guī)范給它的誕生開個(gè)準(zhǔn)生證。那么很顯然，門規(guī)特別為門剛規(guī)定了啥，實(shí)際上就代表了門剛的特征，也就是門剛與普鋼的本質(zhì)區(qū)別。事實(shí)上，用一句話可以歸納，門剛的實(shí)質(zhì)，就是在普鋼的基礎(chǔ)上，經(jīng)過簡化或者降低某些要求，帶有自己體系特征的鋼結(jié)構(gòu)。

一、《門規(guī)》是個(gè)啥?有《鋼標(biāo)》還要他做甚?

眾所周知，《門規(guī)》是針對門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)制定的一本專門的規(guī)范，其前身是《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 102，并在條文說明中明確表示“參照和吸取了多項(xiàng)國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和手冊中有關(guān)輕型房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作和安裝的規(guī)定。主要參考的國外手冊是美國金屬房屋制造協(xié)會MBMA《低層房屋體系手冊》等……”(下圖是MBMA手冊的2006版，有興趣可以找來翻翻)。

MBMA手冊的主要內(nèi)容大致為：荷載(重點(diǎn)是風(fēng)荷載和吊車荷載)、適用性(正常使用相關(guān)的一些設(shè)計(jì)要求和考慮)、一般的工業(yè)實(shí)踐(訂購和合同文件中關(guān)于設(shè)計(jì)、制造、交易和安裝等的指導(dǎo))、規(guī)格指導(dǎo)、美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會金屬房屋的認(rèn)證程序、建筑節(jié)能、抗火、風(fēng)雪地震和降雨資料。也就是說，MBMA手冊更像是一個(gè)指導(dǎo)行業(yè)產(chǎn)品買賣的文件，而非規(guī)范。其中關(guān)于設(shè)計(jì)施工的內(nèi)容很籠統(tǒng)，風(fēng)荷載的內(nèi)容也是原封不動從美國ASCE 7規(guī)范(相當(dāng)于《建筑設(shè)計(jì)荷載規(guī)范》)引來的。

對照看我們的《門規(guī)》，卻是一個(gè)針對門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的完整的技術(shù)規(guī)范，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)布置、荷載取值和組合、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件計(jì)算、節(jié)點(diǎn)、圍護(hù)板設(shè)計(jì)等)、防護(hù)、制作、運(yùn)輸、安裝和驗(yàn)收等內(nèi)容。這些內(nèi)容，在原來的規(guī)范中并不覆蓋。換句話說，按原來的規(guī)范，門式剛架壓根沒法設(shè)計(jì)，或者說即便設(shè)計(jì)出來，也不再是國外引進(jìn)的那個(gè)門式剛架。

因此，這么對比一下就很清楚了——《門規(guī)》是啥?《門規(guī)》為了門式剛架引進(jìn)國內(nèi)應(yīng)用，專門編制的一本規(guī)范，是在原先國內(nèi)規(guī)范不覆蓋、不支持這種結(jié)構(gòu)形式的情況下，從夾縫中生出來的一個(gè)小兒子。

《門規(guī)》和《鋼標(biāo)》(之前是《鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017-2003，簡稱《鋼規(guī)》)在國標(biāo)體系中并列，某種意義上說，是規(guī)范體系的混亂。按照邏輯關(guān)系，《門規(guī)》中跟鋼結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算相關(guān)的內(nèi)容應(yīng)該體現(xiàn)在《鋼標(biāo)》(或《鋼規(guī)》)，荷載的規(guī)定應(yīng)該在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，而抗震設(shè)計(jì)的內(nèi)容則應(yīng)該在《抗規(guī)》中表達(dá)。如果需要有專門針對門式剛架的詳細(xì)的指導(dǎo)性文件，可以作為協(xié)會規(guī)程或者手冊處理，為一種結(jié)構(gòu)形式編一本國家規(guī)范，只會讓規(guī)范體系愈發(fā)龐大和累贅。如果說以前的《鋼規(guī)》不覆蓋門式剛架鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的《鋼標(biāo)》實(shí)際上已經(jīng)基本覆蓋了。

二、門剛降低了哪些要求?

門剛在普鋼的基礎(chǔ)上，主要降低了變形、抗震構(gòu)造(長細(xì)比、構(gòu)件截面寬厚比等)要求。

可以清楚地看到，由于金屬壓型板圍護(hù)的變形適應(yīng)性，門規(guī)中將結(jié)構(gòu)側(cè)移、構(gòu)件撓度等變形控制要求大大地降低了。鋼結(jié)構(gòu)由于剛度較小，變形控制的情況并不少見。變形要求的放寬，使得按普鋼變形控制遠(yuǎn)不滿足規(guī)范要求的門剛得以實(shí)現(xiàn)，更使得鉸接柱腳、搖擺柱等設(shè)計(jì)成為可能。

雖然門規(guī)貌似也提出了抗震要求，但與抗規(guī)一刀切的抗震構(gòu)造要求做法對比，明顯靈活而且要求較低(事實(shí)上門規(guī)按“小震”控制與否來判斷是否需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的做法并不妥當(dāng)?？拐鹪O(shè)防的基準(zhǔn)是“中震”，而同時(shí)門剛延性較差)。 導(dǎo)致的事實(shí)是，按門規(guī)進(jìn)行門剛設(shè)計(jì)，在大部分情況下免除了普鋼按抗規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)的嚴(yán)格抗震構(gòu)造要求，如構(gòu)件截面的板件寬厚比、長細(xì)比、連接極限承載力等。這是門規(guī)針對門剛重量一般較輕的事實(shí)而開辟的一塊自留地。

三、門剛簡化了啥?

門剛廠房的結(jié)構(gòu)，可以看做是在傳統(tǒng)普鋼廠房基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化后的產(chǎn)物。

由于結(jié)構(gòu)尺度和荷載較小，門剛的橫向框架實(shí)際上采用了最簡潔的實(shí)腹式框架結(jié)構(gòu)，梁柱連接為安裝便捷的端板連接，而非普鋼中常見的格構(gòu)式排架或框架(梁柱連接為焊接或栓焊混接)。

由于吊車噸位不大，柱距較小，門剛的吊車梁系統(tǒng)一般不需要采用普鋼中復(fù)雜的制動系統(tǒng)，僅采用吊車梁自身抵抗側(cè)向力或者設(shè)置較為簡單的制動結(jié)構(gòu)。

由于柱距不大，門剛中屋面和墻面一般均為檁條直接架越兩榀框架，不需采用普鋼中常見的托梁和墻架柱。山墻一般采用抗風(fēng)柱直接將風(fēng)荷載傳遞至基礎(chǔ)和屋面，不需要像普鋼那樣設(shè)置墻架柱和抗風(fēng)桁架等構(gòu)件。

門剛的屋面鋼梁之間一般直接設(shè)置圓鋼或者型鋼支撐，靠檁條、系桿和隅撐體系來保證屋面梁的穩(wěn)定，不需要采用普鋼中的橫向水平支撐、縱向水平支撐和豎向支撐系統(tǒng)來維系結(jié)構(gòu)整體性和屋面構(gòu)件的穩(wěn)定性(事實(shí)上屋面輕型化后普鋼中也有借鑒門剛屋面隅撐體系的做法)。

檁條-隅撐體系實(shí)際上部分等價(jià)于普鋼廠房中屋面豎向支撐系統(tǒng)。而檁條-隅撐系統(tǒng)成立，需要進(jìn)行隅撐和檁條的一些驗(yàn)算來確保。

從上述內(nèi)容可以看到，門剛實(shí)際上是因?yàn)楹奢d小、柱距小、構(gòu)件薄柔等因素，在普鋼的基礎(chǔ)上簡化成了一套帶有自身特征的典型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

四、為啥說門剛的基礎(chǔ)是普鋼?

經(jīng)常有人說，門剛的本質(zhì)特征是考慮了構(gòu)件的屈曲后強(qiáng)度。事實(shí)上，鋼標(biāo)明確規(guī)定了受彎構(gòu)件考慮屈曲后強(qiáng)度的計(jì)算方法，也給出了受壓構(gòu)件的屈曲后強(qiáng)度計(jì)算方法，基本思路與門規(guī)一致。同時(shí)規(guī)范規(guī)定，有疲勞問題的構(gòu)件不允許考慮屈曲后強(qiáng)度。所以，在設(shè)計(jì)中考慮屈曲后強(qiáng)度，并非門剛所特有，普鋼也有這個(gè)規(guī)定。

事實(shí)上，門剛中關(guān)于整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的受力計(jì)算，均是基于常規(guī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)和鋼結(jié)構(gòu)理論，與普鋼并無本質(zhì)的區(qū)別。在構(gòu)件校核時(shí)，門規(guī)在鋼規(guī)基礎(chǔ)上給出了一套專門針對門剛特點(diǎn)的計(jì)算公式(因?yàn)楝F(xiàn)行的鋼標(biāo)未完全覆蓋至門剛)。但究其力學(xué)本質(zhì)，并沒脫離常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)理論。

這一點(diǎn)在門規(guī)的主要參考對象——美國的MBMA手冊(Metal Building Systems Manual, MBMA)中表現(xiàn)更為明顯。MBMA手冊中并沒有結(jié)構(gòu)和構(gòu)件計(jì)算的具體內(nèi)容，只是索引參考美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會AISC 360規(guī)程，即鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)規(guī)范。也就是說，美國的鋼規(guī)已經(jīng)覆蓋了門剛的計(jì)算。

五、門剛的體系特征有些啥?

門式剛架鋼結(jié)構(gòu)具有其自身鮮明的體系特征，所以需要從整個(gè)體系上去把握和理解其內(nèi)在邏輯，而不能割裂開來用傳統(tǒng)普鋼的眼光去挑三揀四。

門剛有蒙皮作用，這是門剛體系得以成立的一個(gè)內(nèi)在體系特征。這兒說的蒙皮，是指門剛構(gòu)件較為薄柔，金屬圍護(hù)壓型板可對其穩(wěn)定形成可靠的支撐，并非蒙皮參與結(jié)構(gòu)整體受力。這一點(diǎn)需要特別加以甄別，同時(shí)也是門規(guī)沒有明確指出但是卻隱含的內(nèi)容。

門剛的變形要求低，構(gòu)件薄柔，重量輕，所以允許采用圓鋼支撐等作為抗側(cè)力系統(tǒng)，也允許采用圓鋼拉條作為檁條的面外支撐。

門剛一般為低矮房屋，風(fēng)荷載也有著顯著的特征。門規(guī)事實(shí)上參考美國MBMA手冊(等同ASCE 7 - Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures對于18m以下建筑的規(guī)定，可見美國的“荷載規(guī)范”覆蓋了門剛的風(fēng)荷載規(guī)定)原樣引入了其考慮內(nèi)壓和外壓的風(fēng)荷載計(jì)算體系以及具體的體型系數(shù)等，并且與荷載規(guī)范協(xié)調(diào)，規(guī)定了1.1和1.5的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。

六、小結(jié)

上述關(guān)于輕鋼(門剛)與普鋼內(nèi)在區(qū)別的闡述，旨在幫助設(shè)計(jì)者更深層次理解門剛的本質(zhì)，避免盲人摸象。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)選型時(shí)，能更好地評估門剛的適用性，減少一些按輕鋼還是按普鋼的糾結(jié)，也能更具體地比較采用門剛還是普鋼設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的用鋼量差異及其合理性。