1前 言
《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》CECS 102于1998年完成編制，2002年作過一次全面修訂，2003年中國工程建設標準化協(xié)會將該標準作為CECS優(yōu)秀標準推薦給華夏建筑科學技術獎勵委員會。建設部標準定額所看重該體系的廣泛應用前景，2010年下文將CECS 102重新定位為國家行業(yè)標準，目前正在組織有關人員進行編制。這篇為2003年評獎答辯會準備的匯報材料較好地反映了該體系的特點、應用范圍、編制背景以及對我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展的影響等，今天讀來仍饒有興味。由于該報告沒有在任何刊物上發(fā)表過，特在此刊載，以饗讀者。
2立項背景
（1） 門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋是美國由二戰(zhàn)期間采用的臨時性建筑發(fā)展而成的，戰(zhàn)后歷經(jīng)多次改進，成為別具風格的全金屬商品房，稱為“金屬建筑系統(tǒng)”，以后又發(fā)展成為可根據(jù)用戶要求快速進行CAD設計和CAM生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化金屬房屋制造行業(yè)。它以十幾個大型企業(yè)及其遍布全美的配售網(wǎng)為主體，以其技術和產(chǎn)品向全球輻射。部分大企業(yè)在海外設有分公司，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設有分公司。我國改革開放前沒有這種結(jié)構(gòu)。
(2) 80年代后期，深圳、珠海、廈門等南方沿海城市購進一些商品房作廠房和倉庫，因為這些房屋的鋼梁腹板比
鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的規(guī)定薄得多，且結(jié)構(gòu)高度輕型化, 有很多特色,中國建筑標準設計所等單位，根據(jù)幾張產(chǎn)品說明書，在薄鋼規(guī)范組的組織安排下, 1988～1991年進行了“山形門式剛架結(jié)構(gòu)體系”課題的應用研究。當時雖然受到條件限制, 未能提出具有完善理論依據(jù)和內(nèi)容全面的設計方法,但在若干方面取得了有意義的成果?？上覈敃r鋼產(chǎn)量還不高，在建筑中還實行節(jié)約鋼材的政策，研究成果沒有引起有關方面的重視。
(3)1995年外企進入中國市場，在這種房屋的設計和生產(chǎn)方面居于壟斷地位，在工程招標活動中處于絕對優(yōu)勢地位，國內(nèi)設計只能靠《
鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，因用鋼量過高而無法與外企竟爭。國內(nèi)個別單位獨自進行探索和設計，就全行業(yè)來說，當時為一種不安的氣氛所籠罩，專業(yè)技術人員碰在一起，把外企壟斷現(xiàn)象稱為“巴特勒效應”。
(4)由于外企推銷產(chǎn)品要有國內(nèi)標準認可，國內(nèi)企業(yè)設計產(chǎn)品要有標準作依據(jù)，1996年雙方都有企業(yè)找到建設部來，要求編制技術標準，愿意提供支持。這樣，中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會于1996年提出立項，組織編制組，著手開始編制技術規(guī)程。我們當時將這本標準定名為《門式剛架輕型型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》。編制工作主要依靠編制組內(nèi)我國專家的努力，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上的寶貴指導和協(xié)助。
(5)美國的《低層房屋體系手冊》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)設計，其中雖然提到根據(jù)美國AISC和AISI兩本規(guī)范，但人所共知，這兩本規(guī)范中并沒有專門針對這種體系的設計規(guī)定，僅包含了普通鋼結(jié)構(gòu)和冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設計的一般規(guī)定。就我們所知，美國行業(yè)協(xié)會并沒有編制這種結(jié)構(gòu)的專用設計規(guī)程，各大公司根據(jù)手冊規(guī)定的荷載和結(jié)構(gòu)規(guī)范，自行確定設計方法和編制設計軟件，各有特色，屬于知識產(chǎn)權(quán)范圍，是不公開的。
(6)美建公司的技術總監(jiān)，顧問項士文先生對某些參數(shù)的確定起了重要的指導作用。如柱頂位移限值用到1/60，而不是更嚴；溫度區(qū)間長度用到300m等；這些參數(shù)在MBMA-1996中都未列入。他對荷載等級、結(jié)構(gòu)和節(jié)點形式、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。有時想到一些意見，就從上海乘夜車來京，交談后當天乘夜車返滬，這種高效作風給人留下深刻印象，大家都為早日完成編制而全力以赴。但結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計算，構(gòu)件的板件寬厚比限值，有效寬度計算，變截面柱穩(wěn)定計算，檁條受壓穩(wěn)定計算，端板連接計算等，則是完全根據(jù)我們獨立自主的研究。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下完成的。從定名到拿出征求意見稿，僅用了一年。很多單位來信，對征求意見稿表示滿意，認為‘這樣就可以了’，‘已經(jīng)很好了’。有的單位已經(jīng)按征求意見稿開始編制軟件，這是我們親眼所見，因為市場的需求如此迫切。外企的專家們表示，他們更愿意用這本標準，因為它與美國標準較貼近。陳老師在幾次編制組會期間寄來大量信稿，對一些難題提出重要的建議，親自動手擬條文，以只爭朝夕的精神推動規(guī)程的早日完成。
3技術創(chuàng)新點
(1)首次將板件屈后強度理論用于焊接工形截面腹板（以前國內(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)設計規(guī)范》的規(guī)定，超過80就必需設置橫向加勁肋，從而使剛架構(gòu)件的腹板厚度大幅度減小成為可能。而且在腹板抗彎時的有效寬度的分布上貼近實際，推動了薄鋼規(guī)范的改進。在腹板抗剪方面，首次引用了拉力場理論，使得剛架構(gòu)件在大量節(jié)約鋼材的同時，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)將蒙皮效應概念用于工程設計。鋼面板增強了結(jié)構(gòu)整體剛度，提高了圍護結(jié)構(gòu)的抗剪能力，提高了檁條的抗扭性能，簡化了支撐和系桿布置，這些在設計中都得到很好體現(xiàn)，帶來了直接經(jīng)濟效益。雖然在設計計算中利用蒙皮效應目前還有困難，但在結(jié)構(gòu)布置上已利用了蒙皮效應，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，使柱頂位移限值取1/60成為可能。
(4)風荷載采用了美國MBMA規(guī)定，經(jīng)單位換算用于本規(guī)程。它是根據(jù)邊界層風洞試驗結(jié)果制定的，專門用于低矮房屋，國外在低矮房屋的設計中已普遍采用，但在國內(nèi)尚無類似規(guī)定。這種風荷載規(guī)定用于門式剛架輕鋼房屋，可使計算采用的風荷載分布更好地符合實際，因而能更好地保證結(jié)構(gòu)的安全。該荷載規(guī)定因為未列入我國荷載規(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)在國內(nèi)首次提出要驗算檁條在風吸力作用下的下翼緣穩(wěn)定，并引進了上翼緣帶有面板的檁條計算方法。由于屋面變輕，又采用合理的風荷載分布，檁條下翼緣受壓成為普遍現(xiàn)象。而在此以前的設計中，只計算檁條下翼緣受拉。
(6)提出楔形柱穩(wěn)定計算新方法，論證了楔形柱穩(wěn)定計算應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，用隅撐代替通長的系桿來保證剛架構(gòu)件的側(cè)向穩(wěn)定，簡化了構(gòu)造，節(jié)約了鋼材，這種構(gòu)造在以前國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)房屋中沒有采用過。
(8)對于無吊車的廠房，用圓鋼支撐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的角鋼支撐，進一步適應結(jié)構(gòu)輕型化的要求，推動了輕型鋼結(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)造顯著簡化。以前這種柱從來沒有在工程中用過，更不了解的的計算規(guī)定。
(10)利用Z形鋼實現(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算公式，使這種安裝方便的連接方式得到迅速推廣。
這些計算公式得到了多個試驗資料驗證，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)件的制作進度。
4社會效益和市場情況
（1)本標準實施以來，外企給予高度評價，認為與國際上通用的標準接近，在用鋼量上已與國外標準持平。規(guī)程實施前，門式剛架的國內(nèi)市場完全由外企控制，現(xiàn)在國內(nèi)企業(yè)迅速發(fā)展，已經(jīng)占有主導地位。
（2)1998當年建造量約100萬平方米，2001年建造量已達600萬平方米，三年提高約6倍。近年尚無可靠統(tǒng)計數(shù)字，總的趨勢是應用越來越多。
（3）我國自行設計和建造這種房屋以來，已大大改變我國單層廠房的面貌。因為它很經(jīng)濟，每平方米用鋼量只有20～30kg, 在國家未下達指令的情況下，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
廠房中的應用。
（4）門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋用鋼省、造價低（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、倉庫、超市、體育、文化、娛樂設施及其它各類商業(yè)和公共建筑。國內(nèi)市場正向縱深擴展，市場越來越大，用戶越來越多。
(5）該規(guī)程問世以來，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)房屋在國內(nèi)推廣，帶動了冶金、機械、化工、建材等一大批行業(yè)的發(fā)展，增加了幾十萬就業(yè)崗位。
（7）該項目不但填補了我國空白，而且成為建筑業(yè)發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型，它帶動了整個鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展，起到了行業(yè)排頭兵的作用，對我國鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展作出了重大貢獻。
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