折彎機，適用于板材的折彎

鋼結構工程設計中輕鋼和普鋼的本質區(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，也可以這么認為)，即門式剛架輕型鋼結構廠房，按《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)范 GB 51022》(簡稱“門規(guī)”)設計;所謂的普鋼，一般指的是傳統(tǒng)鋼結構廠房，按《鋼結構工程設計標準 GB 50017》(簡稱“鋼標”)和《建筑抗震設計規(guī)范 》(簡稱“抗規(guī)”)設計。經(jīng)常有人糾結，某個結構到底是按輕鋼還是按普鋼設計呢?按普鋼設計，結果似乎意味著用鋼量的大量增加。那么，同樣是鋼結構，輕鋼和普鋼，它們的本質區(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?

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

一、《門規(guī)》是個啥?有《鋼標》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構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構技術規(guī)程》CECS 102，并在條文說明中明確表示“參照和吸取了多項國外先進標準和手冊中有關輕型房屋結構設計、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手冊的主要內容大致為：荷載(重點是風荷載和吊車荷載)、適用性(正常使用相關的一些設計要求和考慮)、一般的工業(yè)實踐(訂購和合同文件中關于設計、制造、交易和安裝等的指導)、規(guī)格指導、美國鋼結構協(xié)會金屬房屋的認證程序、建筑節(jié)能、抗火、風雪地震和降雨資料。也就是說，MBMA手冊更像是一個指導行業(yè)產(chǎn)品買賣的文件，而非規(guī)范。其中關于設計施工的內容很籠統(tǒng)，風荷載的內容也是原封不動從美國ASCE 7規(guī)范(相當于《建筑設計荷載規(guī)范》)引來的。

對照看我們的《門規(guī)》，卻是一個針對門式剛架輕型房屋鋼結構的完整的技術規(guī)范，包括結構設計(結構布置、荷載取值和組合、結構和構件計算、節(jié)點、圍護板設計等)、防護、制作、運輸、安裝和驗收等內容。這些內容，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計，或者說即便設計出來，也不再是國外引進的那個門式剛架。

因此，這么對比一下就很清楚了——《門規(guī)》是啥?《門規(guī)》為了門式剛架引進國內應用，專門編制的一本規(guī)范，是在原先國內規(guī)范不覆蓋、不支持這種結構形式的情況下，從夾縫中生出來的一個小兒子。

《門規(guī)》和《鋼標》(之前是《鋼結構工程設計規(guī)范》GB 50017-2003，簡稱《鋼規(guī)》)在國標體系中并列，某種意義上說，是規(guī)范體系的混亂。按照邏輯關系，《門規(guī)》中跟鋼結構靜力計算相關的內容應該體現(xiàn)在《鋼標》(或《鋼規(guī)》)，荷載的規(guī)定應該在《建筑結構荷載規(guī)范》，而抗震設計的內容則應該在《抗規(guī)》中表達。如果需要有專門針對門式剛架的詳細的指導性文件，可以作為協(xié)會規(guī)程或者手冊處理，為一種結構形式編一本國家規(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構，現(xiàn)在的《鋼標》實際上已經(jīng)基本覆蓋了。

二、門剛降低了哪些要求?

門剛在普鋼的基礎上，主要降低了變形、抗震構造(長細比、構件截面寬厚比等)要求。

可以清楚地看到，由于金屬壓型板圍護的變形適應性，門規(guī)中將結構側移、構件撓度等變形控制要求大大地降低了。鋼結構由于剛度較小，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不滿足規(guī)范要求的門剛得以實現(xiàn)，更使得鉸接柱腳、搖擺柱等設計成為可能。

雖然門規(guī)貌似也提出了抗震要求，但與抗規(guī)一刀切的抗震構造要求做法對比，明顯靈活而且要求較低(事實上門規(guī)按“小震”控制與否來判斷是否需要進行抗震設計的做法并不妥當?？拐鹪O防的基準是“中震”，而同時門剛延性較差)。 導致的事實是，按門規(guī)進行門剛設計，在大部分情況下免除了普鋼按抗規(guī)設計時的嚴格抗震構造要求，如構件截面的板件寬厚比、長細比、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而開辟的一塊自留地。

三、門剛簡化了啥?

門剛廠房的結構，可以看做是在傳統(tǒng)普鋼廠房基礎上進行簡化后的產(chǎn)物。

由于結構尺度和荷載較小，門剛的橫向框架實際上采用了最簡潔的實腹式框架結構，梁柱連接為安裝便捷的端板連接，而非普鋼中常見的格構式排架或框架(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雜的制動系統(tǒng)，僅采用吊車梁自身抵抗側向力或者設置較為簡單的制動結構。

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。山墻一般采用抗風柱直接將風荷載傳遞至基礎和屋面，不需要像普鋼那樣設置墻架柱和抗風桁架等構件。

門剛的屋面鋼梁之間一般直接設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)來維系結構整體性和屋面構件的穩(wěn)定性(事實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-隅撐體系實際上部分等價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，需要進行隅撐和檁條的一些驗算來確保。

從上述內容可以看到，門剛實際上是因為荷載小、柱距小、構件薄柔等因素，在普鋼的基礎上簡化成了一套帶有自身特征的典型的結構系統(tǒng)。

四、為啥說門剛的基礎是普鋼?

經(jīng)常有人說，門剛的本質特征是考慮了構件的屈曲后強度。事實上，鋼標明確規(guī)定了受彎構件考慮屈曲后強度的計算方法，也給出了受壓構件的屈曲后強度計算方法，基本思路與門規(guī)一致。同時規(guī)范規(guī)定，有疲勞問題的構件不允許考慮屈曲后強度。所以，在設計中考慮屈曲后強度，并非門剛所特有，普鋼也有這個規(guī)定。

事實上，門剛中關于整體結構和構件的受力計算，均是基于常規(guī)的結構力學和鋼結構理論，與普鋼并無本質的區(qū)別。在構件校核時，門規(guī)在鋼規(guī)基礎上給出了一套專門針對門剛特點的計算公式(因為現(xiàn)行的鋼標未完全覆蓋至門剛)。但究其力學本質，并沒脫離常規(guī)鋼結構理論。

這一點在門規(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手冊中并沒有結構和構件計算的具體內容，只是索引參考美國鋼結構協(xié)會AISC 360規(guī)程，即鋼結構工程設計規(guī)范。也就是說，美國的鋼規(guī)已經(jīng)覆蓋了門剛的計算。

五、門剛的體系特征有些啥?

門式剛架鋼結構具有其自身鮮明的體系特征，所以需要從整個體系上去把握和理解其內在邏輯，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內在體系特征。這兒說的蒙皮，是指門剛構件較為薄柔，金屬圍護壓型板可對其穩(wěn)定形成可靠的支撐，并非蒙皮參與結構整體受力。這一點需要特別加以甄別，同時也是門規(guī)沒有明確指出但是卻隱含的內容。

門剛的變形要求低，構件薄柔，重量輕，所以允許采用圓鋼支撐等作為抗側力系統(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，風荷載也有著顯著的特征。門規(guī)事實上參考美國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”覆蓋了門剛的風荷載規(guī)定)原樣引入了其考慮內壓和外壓的風荷載計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，規(guī)定了1.1和1.5的風荷載調整系數(shù)。

六、小結

上述關于輕鋼(門剛)與普鋼內在區(qū)別的闡述，旨在幫助設計者更深層次理解門剛的本質，避免盲人摸象。同時，在結構選型時，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，也能更具體地比較采用門剛還是普鋼設計所導致的用鋼量差異及其合理性。