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《門式剛架輕型型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 102在2003年評(píng)獎(jiǎng)答辯會(huì)上的匯報(bào)

作者:蔡益燕    
時(shí)間:2011-08-05 16:10:24 [收藏]

    關(guān)鍵詞:輕型 房屋 鋼結(jié)構(gòu)

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    《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 102于1998年完成編制,2002年作過(guò)一次全面修訂,2003年中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)將該標(biāo)準(zhǔn)作為CECS優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)推薦給華夏建筑科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)委員會(huì)。建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額所看重該體系的廣泛應(yīng)用前景,2010年下文將CECS 102重新定位為國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),目前正在組織有關(guān)人員進(jìn)行編制。這篇為2003年評(píng)獎(jiǎng)答辯會(huì)準(zhǔn)備的匯報(bào)材料較好地反映了該體系的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍、編制背景以及對(duì)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展的影響等,今天讀來(lái)仍饒有興味。由于該報(bào)告沒(méi)有在任何刊物上發(fā)表過(guò),特在此刊載,以饗讀者。
     
    2立項(xiàng)背景
     
    (1) 門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋是美國(guó)由二戰(zhàn)期間采用的臨時(shí)性建筑發(fā)展而成的,戰(zhàn)后歷經(jīng)多次改進(jìn),成為別具風(fēng)格的全金屬商品房,稱為“金屬建筑系統(tǒng)”,以后又發(fā)展成為可根據(jù)用戶要求快速進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)和CAM生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化金屬房屋制造行業(yè)。它以十幾個(gè)大型企業(yè)及其遍布全美的配售網(wǎng)為主體,以其技術(shù)和產(chǎn)品向全球輻射。部分大企業(yè)在海外設(shè)有分公司,例如,其中歷史最為悠久的巴特勒公司,ABC公司等,90年代中期開始在我國(guó)設(shè)有分公司。我國(guó)改革開放前沒(méi)有這種結(jié)構(gòu)。
    (2) 80年代后期,深圳、珠海、廈門等南方沿海城市購(gòu)進(jìn)一些商品房作廠房和倉(cāng)庫(kù),因?yàn)檫@些房屋的鋼梁腹板比鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定薄得多,且結(jié)構(gòu)高度輕型化, 有很多特色,中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)所等單位,根據(jù)幾張產(chǎn)品說(shuō)明書,在薄鋼規(guī)范組的組織安排下, 1988~1991年進(jìn)行了“山形門式剛架結(jié)構(gòu)體系”課題的應(yīng)用研究。當(dāng)時(shí)雖然受到條件限制, 未能提出具有完善理論依據(jù)和內(nèi)容全面的設(shè)計(jì)方法,但在若干方面取得了有意義的成果??上覈?guó)當(dāng)時(shí)鋼產(chǎn)量還不高,在建筑中還實(shí)行節(jié)約鋼材的政策,研究成果沒(méi)有引起有關(guān)方面的重視。
    (3)1995年外企進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng),在這種房屋的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面居于壟斷地位,在工程招標(biāo)活動(dòng)中處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位,國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)只能靠《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,因用鋼量過(guò)高而無(wú)法與外企竟?fàn)帯?guó)內(nèi)個(gè)別單位獨(dú)自進(jìn)行探索和設(shè)計(jì),就全行業(yè)來(lái)說(shuō),當(dāng)時(shí)為一種不安的氣氛所籠罩,專業(yè)技術(shù)人員碰在一起,把外企壟斷現(xiàn)象稱為“巴特勒效應(yīng)”。
    (4)由于外企推銷產(chǎn)品要有國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可,國(guó)內(nèi)企業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品要有標(biāo)準(zhǔn)作依據(jù),1996年雙方都有企業(yè)找到建設(shè)部來(lái),要求編制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),愿意提供支持。這樣,中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會(huì)于1996年提出立項(xiàng),組織編制組,著手開始編制技術(shù)規(guī)程。我們當(dāng)時(shí)將這本標(biāo)準(zhǔn)定名為《門式剛架輕型型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。編制工作主要依靠編制組內(nèi)我國(guó)專家的努力,也得到上海美建鋼結(jié)構(gòu)公司等單位在人力物力上的大力支持和在技術(shù)上的寶貴指導(dǎo)和協(xié)助。
    (5)美國(guó)的《低層房屋體系手冊(cè)》只規(guī)定了這種單層金屬房屋結(jié)構(gòu)的荷載,包括活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、吊車荷載和構(gòu)件制作安裝方面的少量允許偏差,至于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其中雖然提到根據(jù)美國(guó)AISC和AISI兩本規(guī)范,但人所共知,這兩本規(guī)范中并沒(méi)有專門針對(duì)這種體系的設(shè)計(jì)規(guī)定,僅包含了普通鋼結(jié)構(gòu)和冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)定。就我們所知,美國(guó)行業(yè)協(xié)會(huì)并沒(méi)有編制這種結(jié)構(gòu)的專用設(shè)計(jì)規(guī)程,各大公司根據(jù)手冊(cè)規(guī)定的荷載和結(jié)構(gòu)規(guī)范,自行確定設(shè)計(jì)方法和編制設(shè)計(jì)軟件,各有特色,屬于知識(shí)產(chǎn)權(quán)范圍,是不公開的。
    (6)美建公司的技術(shù)總監(jiān),顧問(wèn)項(xiàng)士文先生對(duì)某些參數(shù)的確定起了重要的指導(dǎo)作用。如柱頂位移限值用到1/60,而不是更嚴(yán);溫度區(qū)間長(zhǎng)度用到300m等;這些參數(shù)在MBMA-1996中都未列入。他對(duì)荷載等級(jí)、結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)形式、構(gòu)件變形限值、制作安裝和單面焊等方面,都提出一些寶貴意見(jiàn)。有時(shí)想到一些意見(jiàn),就從上海乘夜車來(lái)京,交談后當(dāng)天乘夜車返滬,這種高效作風(fēng)給人留下深刻印象,大家都為早日完成編制而全力以赴。但結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算,構(gòu)件的板件寬厚比限值,有效寬度計(jì)算,變截面柱穩(wěn)定計(jì)算,檁條受壓穩(wěn)定計(jì)算,端板連接計(jì)算等,則是完全根據(jù)我們獨(dú)立自主的研究。這方面的資料,我們向外企要他們也不給。
    (7) 編制組對(duì)于此新型結(jié)構(gòu),以最大的熱情投入工作。編制工作是在陳紹蕃教授的主導(dǎo)下完成的。從定名到拿出征求意見(jiàn)稿,僅用了一年。很多單位來(lái)信,對(duì)征求意見(jiàn)稿表示滿意,認(rèn)為‘這樣就可以了’,‘已經(jīng)很好了’。有的單位已經(jīng)按征求意見(jiàn)稿開始編制軟件,這是我們親眼所見(jiàn),因?yàn)槭袌?chǎng)的需求如此迫切。外企的專家們表示,他們更愿意用這本標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)樗c美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)較貼近。陳老師在幾次編制組會(huì)期間寄來(lái)大量信稿,對(duì)一些難題提出重要的建議,親自動(dòng)手?jǐn)M條文,以只爭(zhēng)朝夕的精神推動(dòng)規(guī)程的早日完成。
     
    3技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
     
    (1)首次將板件屈后強(qiáng)度理論用于焊接工形截面腹板(以前國(guó)內(nèi)只用于冷彎薄壁型鋼),使得構(gòu)件腹板厚度大大減薄,不設(shè)加勁肋的情況下,受彎構(gòu)件寬厚比可做到250,而按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,超過(guò)80就必需設(shè)置橫向加勁肋,從而使剛架構(gòu)件的腹板厚度大幅度減小成為可能。而且在腹板抗彎時(shí)的有效寬度的分布上貼近實(shí)際,推動(dòng)了薄鋼規(guī)范的改進(jìn)。在腹板抗剪方面,首次引用了拉力場(chǎng)理論,使得剛架構(gòu)件在大量節(jié)約鋼材的同時(shí),為確保結(jié)構(gòu)安全提供了理論依據(jù)。
    (2)剛架采用變截面構(gòu)件,截面隨內(nèi)力變化,彎矩大處截面大些,彎矩小處截面小些,使鋼材用量顯著降低;
    (3)將蒙皮效應(yīng)概念用于工程設(shè)計(jì)。鋼面板增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)整體剛度,提高了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗剪能力,提高了檁條的抗扭性能,簡(jiǎn)化了支撐和系桿布置,這些在設(shè)計(jì)中都得到很好體現(xiàn),帶來(lái)了直接經(jīng)濟(jì)效益。雖然在設(shè)計(jì)計(jì)算中利用蒙皮效應(yīng)目前還有困難,但在結(jié)構(gòu)布置上已利用了蒙皮效應(yīng),改善了結(jié)構(gòu)的受力性能,是這種結(jié)構(gòu)的重要特色之一。利用蒙皮效應(yīng),使柱頂位移限值取1/60成為可能。
    (4)風(fēng)荷載采用了美國(guó)MBMA規(guī)定,經(jīng)單位換算用于本規(guī)程。它是根據(jù)邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果制定的,專門用于低矮房屋,國(guó)外在低矮房屋的設(shè)計(jì)中已普遍采用,但在國(guó)內(nèi)尚無(wú)類似規(guī)定。這種風(fēng)荷載規(guī)定用于門式剛架輕鋼房屋,可使計(jì)算采用的風(fēng)荷載分布更好地符合實(shí)際,因而能更好地保證結(jié)構(gòu)的安全。該荷載規(guī)定因?yàn)槲戳腥胛覈?guó)荷載規(guī)范,沖破了重重阻力,在荷載規(guī)范組的充分肯定和支持下,才得以在本規(guī)程中采用。
    (5)在國(guó)內(nèi)首次提出要驗(yàn)算檁條在風(fēng)吸力作用下的下翼緣穩(wěn)定,并引進(jìn)了上翼緣帶有面板的檁條計(jì)算方法。由于屋面變輕,又采用合理的風(fēng)荷載分布,檁條下翼緣受壓成為普遍現(xiàn)象。而在此以前的設(shè)計(jì)中,只計(jì)算檁條下翼緣受拉。
    (6)提出楔形柱穩(wěn)定計(jì)算新方法,論證了楔形柱穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)該取大頭的彎矩和小頭的軸力才更安全。提出了變截面合理梯度的建議;
    (7)構(gòu)造上,用隅撐代替通長(zhǎng)的系桿來(lái)保證剛架構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)定,簡(jiǎn)化了構(gòu)造,節(jié)約了鋼材,這種構(gòu)造在以前國(guó)內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)房屋中沒(méi)有采用過(guò)。
    (8)對(duì)于無(wú)吊車的廠房,用圓鋼支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的角鋼支撐,進(jìn)一步適應(yīng)結(jié)構(gòu)輕型化的要求,推動(dòng)了輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的發(fā)展。
    (9)用搖擺柱使部分內(nèi)柱截面大大減小,縮小了框架柱占用面積,并使構(gòu)造顯著簡(jiǎn)化。以前這種柱從來(lái)沒(méi)有在工程中用過(guò),更不了解的的計(jì)算規(guī)定。
    (10)利用Z形鋼實(shí)現(xiàn)檁條搭接,連續(xù)檁條可顯著減小檁條用鋼量。
    (11)研究提出了端板連接的計(jì)算公式,使這種安裝方便的連接方式得到迅速推廣。
    這些計(jì)算公式得到了多個(gè)試驗(yàn)資料驗(yàn)證,可以推廣使用。
    (12)增加了T形連接單面焊的規(guī)定,加快了剛架構(gòu)件的制作進(jìn)度。
     
    4社會(huì)效益和市場(chǎng)情況
     
    (1)本標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來(lái),外企給予高度評(píng)價(jià),認(rèn)為與國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)接近,在用鋼量上已與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)持平。規(guī)程實(shí)施前,門式剛架的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)完全由外企控制,現(xiàn)在國(guó)內(nèi)企業(yè)迅速發(fā)展,已經(jīng)占有主導(dǎo)地位。
    (2)1998當(dāng)年建造量約100萬(wàn)平方米,2001年建造量已達(dá)600萬(wàn)平方米,三年提高約6倍。近年尚無(wú)可靠統(tǒng)計(jì)數(shù)字,總的趨勢(shì)是應(yīng)用越來(lái)越多。
    (3)我國(guó)自行設(shè)計(jì)和建造這種房屋以來(lái),已大大改變我國(guó)單層廠房的面貌。因?yàn)樗芙?jīng)濟(jì),每平方米用鋼量只有20~30kg, 在國(guó)家未下達(dá)指令的情況下,已基本取代了傳統(tǒng)的大型屋面板梯形鋼屋架鋼柱的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房,并部分取代了鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在廠房中的應(yīng)用。
    (4)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋用鋼省、造價(jià)低(每平方米僅400~500元),施工周期短、外形美觀、在隔熱等方面能較好滿足使用要求、適用范圍廣泛,深受用戶歡迎。已廣泛用于廠房、倉(cāng)庫(kù)、超市、體育、文化、娛樂(lè)設(shè)施及其它各類商業(yè)和公共建筑。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)正向縱深擴(kuò)展,市場(chǎng)越來(lái)越大,用戶越來(lái)越多。
    (5)該規(guī)程問(wèn)世以來(lái),門式剛架輕鋼房屋已初步形成產(chǎn)業(yè)。目前上規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)廠家超過(guò)1500家,大部分以門式剛架輕鋼房屋為主要產(chǎn)品。
    (6)門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋在國(guó)內(nèi)推廣,帶動(dòng)了冶金、機(jī)械、化工、建材等一大批行業(yè)的發(fā)展,增加了幾十萬(wàn)就業(yè)崗位。
    (7)該項(xiàng)目不但填補(bǔ)了我國(guó)空白,而且成為建筑業(yè)發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型,它帶動(dòng)了整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展,起到了行業(yè)排頭兵的作用,對(duì)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。
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