钢结构建筑设计中轻钢结构和普通钢结构的应用分析

钢结构建筑设计中轻钢结构和普通钢结构的应用分析

罗绍文、刘中良、周楠

中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南长沙 410000

摘要：在现代建筑工程中，钢结构因其高强度、轻质、施工快捷和环保等优势，被广泛应用于各类建筑中。本研究首先概述了钢结构建筑的基本特性，随后对比分析了轻钢结构和普通钢结构在建筑材料和结构形式上的主要差异。最后，文章针对轻钢结构和普通钢结构的应用要点进行了讨论，旨在为建筑设计师在选择材料和设计结构时提供参考依据。

关键词：钢结构建筑；轻钢结构；普通钢结构；应用

引言：钢结构作为现代建筑的重要组成部分，以其独特的优势在建筑领域中占据着重要地位。作为高效、可持续的建筑材料，钢结构不仅在工业建筑中得到了广泛应用，也逐渐成为商业和住宅建筑的重要选择。随着科技的发展和建筑技术的进步，对钢结构的需求和应用也在不断变化和扩展。因此，深入理解钢结构建筑设计中轻钢结构和普通钢结构的特点和应用对于现代建筑设计师而言至关重要。

1 钢结构建筑概述

钢结构建筑是指主要承重构件由钢材构成的建筑，此种结构方式因其高强度、重量轻、施工速度快、抗震性能好等特点，在现代建筑中被广泛应用。钢结构的高强度来源于其材料性能，而轻质的特点则有助于减少建筑基础的负担，同时还有利于高层建筑的建造。钢结构建筑的应用范围非常广泛，在工厂、仓库等工业建筑中，钢结构因其大跨度和快速建造的优势被广泛采用。在商业和住宅建筑中，轻钢结构结构也越来越受到欢迎。除此之外，高层建筑、桥梁、塔架等结构也常常采用钢结构。

2 钢结构建筑设计中轻钢结构和普通钢结构的应用对比

2.1 建筑材料差异

在钢结构建筑设计中，轻钢结构和普通钢结构的应用存在显著的材料差异，直接影响了二者性能、加工方式以及最终的应用领域。轻钢结构材料通常是指低碳钢或低合金钢，其主要特点是具有较高的强度和良好的塑性、韧性。轻钢结构的密度大约为7850kg/m³，由于其壁厚通常较薄，因此整体结构的重量相对较轻[1]。轻钢结构材料通常通过冷弯成型的方式进行加工，使得轻钢结构结构在制造时可以有更多的形状和尺寸选择，适应性较强。此外，轻钢结构的屈服强度通常在215MPa-355MPa之间，使得轻钢结构在底层住宅建筑、轻型工业建筑和临时结构中较受欢迎。相比之下，普通钢结构材料主要指的是碳含量较高的结构钢或合金钢，其密度与轻钢结构相似。普通钢结构构件的壁厚较厚，截面尺寸通常更大，因此整体重量较重。普通钢结构构件的加工方式通常是热轧或焊接，此种加工方式适用于承受更大荷载的结构。在性能方面，普通钢结构的屈服强度通常在355MPa或更高，使其成为大型工业建筑、高层建筑或大跨度结构的理想选择。普通钢结构材料的重量和强度特性使其在高强度和大跨度设计中表现出色，但同时建筑成本和施工难度相对较大。

2.2 结构形式差异

在钢结构建筑设计中，轻钢结构与普通钢结构主要因使用功能的不同而不同，技术参数的取值不同。轻钢结构结构通常用于跨度较小、高度较低，起重量在16吨以下的工业厂房、以及较轻的楼板和屋面系统。由于轻钢结构的屈服强度较高（215MPa-355MPa），因而能够在较小的截面尺寸下提供足够的承载能力。轻钢结构结构的另一个特点是，其通常采用螺栓或焊接连接，不仅方便了现场安装，同时也为结构提供了一定的灵活性和适应性。以模块化或可移动建筑为例，轻钢结构结构可以快速组装和拆卸，适应不同的使用需求。相比之下，普通钢结构结构则通常采用更为复杂和坚固的设计，如梁－柱系统、桁架系统或悬挑结构[2]。此类结构形式能够承受更大的荷载和跨度，使得普通钢结构结构成为大型工业建筑、高层建筑或公共设施的理想选择。以高层建筑为例，建筑中普通钢结构的柱截面可以达到800mm×800mm或更大，从而支撑更高的建筑和更大的荷载，此种结构形式的连接通常需要更复杂的焊接或大型螺栓连接，以确保结构的稳定性和安全性。在设计上，普通钢结构结构还常常需要考虑更高级别的抗震、风荷载和其他动态荷载的影响，对设计参数和材料选择提出了更高要求。

2.3 适用范围差异

在探讨轻钢结构和普通钢结构在建筑设计中的适用范围差异时，需要综合考虑材料特性、结构强度、经济效益以及工程应用的特点。轻钢结构结构，由于其重量轻和强度高的特点，非常适合用于住宅建筑、轻型工业建筑和临时结构。在住宅建筑中，轻钢结构可以用于构造轻质墙体、屋顶和楼板。由于轻钢结构制造和安装过程的高效率，轻钢结构的应用不仅能够降低整体建筑的重量，同时能够缩短建筑周期、降低成本。此外，轻钢结构结构在可持续建筑和模块化建筑领域也显示出了极佳的适应性。相较之下，普通钢结构结构则在工程建筑领域占据了重要地位。普通钢结构结构的主要特点是能够承受更高的荷载和覆盖更大的跨度，此种结构通常用于大型工业设施、高层建筑、体育场馆和其他需要大空间无柱设计的建筑中[3]。在这些应用中，普通钢结构构件的截面尺寸和壁厚远大于轻钢结构结构，因此能够提供更高的承载能力和刚度。以高层建筑为例，为满足结构和抗震的需求，普通钢结构的柱子可能需要承受较大荷载。此外，普通钢结构结构的耐久性和抗风、抗震能力也使其成为大型公共建筑和基础设施项目的首选。

3 钢结构建筑设计中轻钢结构和普通钢结构的应用要点

3.1 明确应用范围

在钢结构建筑设计中，技术人员需要明确轻钢结构与普通钢结构的应用范围。对于轻钢结构结构，其主要特点是构件轻便和强度适中。常用的轻钢结构材料如Q235钢，其屈服强度通常在235MPa左右。轻钢结构构件在截面尺寸和壁厚方面相对较小，常见的C型和Z型檩条壁厚多在2—3mm之间，此类轻钢结构结构适用于住宅建筑、小型商业设施或临时建筑物，特别是在建筑高度不超过三层、跨度在20m以内的场合。轻钢结构结构的设计需要考虑到其轻便性，同时确保足够的抗风、抗震能力。而普通钢结构结构通常选用的是Q355钢或更高强度的钢材，此类结构的钢材截面尺寸较大，壁厚也更厚，其中H型钢梁的腹板厚度较厚。普通钢结构结构适合用于大型工业建筑、高层建筑、大跨度公共设施等，其设计重点在于承载能力和整体稳定性。以高度超过20层的办公楼为例，考虑到楼层荷载和风荷载，技术人员可能需要使用横截面积超过8000mm²的重型钢梁和钢柱，以确保结构的安全性和稳定性。

在具体应用中，技术人员应根据项目具体需求，结合地理环境、使用功能、安全要求等因素，进行详细计算和评估。通过具体分析确定轻钢结构或普通钢结构的适用性，进而进行合理的材料选择和设计。以多层住宅项目为例，技术人员需要考虑到居住的舒适性、隔音需求和热保温性能，选择合适的轻钢结构结构系统，并对梁、柱等构件的尺寸和布局进行精确计算。相反，在设计大型体育馆时，考虑到其大跨度和高人流量的特点，技术人员应选择普通钢结构结构，并对其进行复杂的力学分析和稳定性评估，确保结构的安全性和耐用性。

3.2 合理设计节点

在钢结构建筑设计中，节点设计是确保结构安全、稳定和经济的关键环节。节点是指钢结构中不同构件连接的部分，其设计必须考虑到力学性能、施工可行性、成本效益以及未来的维护需求。技术人员在进行节点设计时应综合考虑各种因素，使用具体的参数和数值进行精确计算，以确保设计的合理性和可靠性。其中，力学性能是节点设计的首要考虑因素。技术人员需要根据结构的受力特点和载荷条件，选择合适的连接方式。以轻钢结构结构的屋面檩条连接设计为例，檩条间距一般为1.5m，针对这一情况，可使用直径不小于12mm的高强度螺栓或焊接连接。在普通钢结构结构中，以跨度为30m的工业厂房为例，其主梁与柱的连接节点可能需要承受几十甚至上百吨的荷载，因此技术人员可能需要使用M20、M24等更大尺寸的高强度螺栓，或采用全焊接连接[5]。同时，技术人员需要保证节点的设计既能满足力学要求，又便于施工。以高层建筑的钢结构连接为例，考虑到现场施工的限制，可能需要采用预制组装的方式，要求节点的设计必须能够适应快速安装和定位。针对这一情况，技术人员可以设计带有定位孔和调节螺栓的节点，以简化现场安装过程。此外，技术人员在设计时应尽量减少不必要的复杂性，以控制成本。同时，还需考虑到未来维护的便利性，设计易于检查和维护的节点。在设计覆盖层较厚或难以直接检查的区域，应避免使用难以维护的隐藏式连接。

3.3 科学设计连接点

在钢结构建筑设计中，连接点的科学设计对于确保整体结构的稳定性和安全性至关重要。这一环节要求技术人员综合考虑力学性能、材料特性、施工技术及经济效益，并依据具体的参数和数据进行精确设计。在力学性能与载荷分析过程中，以使用轻钢结构结构的单层工业厂房为例，其屋顶檩条与主梁的连接点需承受来自屋顶荷载和风荷载的影响。一般使用直径为12mm的8.8级高强度螺栓。在材料特性与连接方式方面，考虑到轻钢结构结构的特点，技术人员可使用Q235钢材，其屈服强度为235 MPa。在连接方式上，轻钢结构结构常采用螺栓连接，由于其便于安装和维护。在上述工业厂房的案例中，使用螺栓连接不仅能够满足荷载要求，还便于将来的维护和检修。对于普通钢结构结构中的主要承普通钢结构柱和梁而言，可能需要全焊接或大直径螺栓连接等更强的连接方式。以承受500kN荷载的普通钢结构构件连接点为例，技术人员可能需要使用多个M20级别的10.9级高强度螺栓，每个螺栓的标准承载能力约为100kN。

在焊接连接中，焊接质量直接影响到连接点的稳定性和安全性。对于普通钢结构结构的焊接连接，技术人员可以采用电弧焊等合适焊接方法，并且严格控制电流、电压和焊接速度。对于螺栓连接，确保预紧力的准确是关键。对于前述M20螺栓，预紧力可达到150kN，同时，技术人员需要使用精确的扭矩扳手进行施工。在保证连接点安全和性能的前提下，技术人员还需要考虑经济效益。在选择连接方式和材料时，应权衡成本和性能。例如，在非关键的轻钢结构结构部位，可以选择成本较低但仍能满足性能要求的连接方式和材料。在实际应用过程中，以多层钢结构办公楼为例，技术人员需要根据楼层荷载、地震等级和风荷载等因素，对每个连接点进行详细的力学计算和材料选择。假设某层楼的设计荷载为5kN/m²，楼层面积为2000m²，则总荷载为10000kN。对于此种情况，技术人员可以使用直径为22mm的10.9级高强度螺栓，并且每个主要连接点至少需要6个螺栓来均匀分配荷载。

结束语：综上所述，本文全面分析了钢结构建筑设计中轻钢结构和普通钢结构的应用差异，并探讨了二者在建筑材料、结构形式及应用要点上的特性。轻钢结构以其重量轻、强度高和加工灵活性强的特点，在住宅和轻型工业建筑中表现出色。普通钢结构则凭借其大跨度和高承载能力，在大型工业建筑和高层建筑项目中发挥着重要作用。明确应用范围和合理设计节点是钢结构建筑设计的关键要点，其不仅有助于提升结构的性能和安全性，同时有助于提高经济效益和可持续性。

参考文献

[1]王宝磊.轻型钢结构的工业建筑设计研究[J].房地产世界,2022(003):000.

[2]李述祥.浅析工业建筑钢结构设计中轻钢结构和普通钢结构的差异[J].低碳世界,2021,011(008):138-139.

[3]李营,徐志豪,侯进国.钢结构建筑设计中轻钢结构和普通钢结构的应用[J].地产,2023(6):4.

[4]蔡树珍.工业建筑钢结构设计中的轻钢结构和普通钢结构的差异分析[J].华东科技（综合）,2021,000(005):P.1-1.

[5]张易莉.工业建筑设计中轻型钢结构的特点与设计[J].中国科技期刊数据库工业A,2023(4):4.