1、混凝土柱輕鋼屋面的廠房設(shè)計(jì)吳桂峰中鐵十一局集團(tuán)建安公司湖北襄樊441057摘 要：混凝土柱，實(shí)腹鋼梁，輕型鋼屋面，這樣的廠房不同于全鋼結(jié)構(gòu)廠房，設(shè)計(jì)時(shí)不能簡單的把門式剛架的鋼柱替換為混凝土柱。當(dāng)然更不能按鋼筋混凝土廠房來設(shè)計(jì)。本文針對此種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)闡述了設(shè)計(jì)時(shí)要注意的幾個(gè)問題。關(guān)鍵詞：混凝土柱 輕鋼屋面 廠房設(shè)計(jì)1 前言單層廠房采用的結(jié)構(gòu)形式，隨著吊車起重量、廠房跨度和高度的不同，根據(jù)所采用承重結(jié)構(gòu)的材料可分為磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)三種。對于無吊車或吊車起重量不超過5噸，跨度小于15m，柱頂標(biāo)高不超過8m的小型單層廠房，可以采用磚墻、鋼筋混凝土柱和鋼筋混凝土屋面梁或屋架的磚混結(jié)構(gòu)，此

2、種廠房比較少見。當(dāng)?shù)踯嚻鹬亓砍^150噸，跨度大于36m，則應(yīng)采用鋼屋架、鋼柱的全鋼結(jié)構(gòu)，這種廠房自重輕，跨度大，施工周期短，但造價(jià)較高，被廣泛用于大跨度或大型廠房。除上述兩種情況以外的大部份單層廠房，都可以采用鋼筋混凝土（或預(yù)應(yīng)力混凝土）屋架和鋼筋混凝土柱的鋼筋混凝土廠房。這種結(jié)構(gòu)雖然造價(jià)比鋼結(jié)構(gòu)低，但自重大，屋架形式受跨度影響大，大跨度屋架施工復(fù)雜，工期長。正是在這樣的背景下誕生了混凝土柱，實(shí)腹鋼梁，屋面為輕型鋼屋面的結(jié)構(gòu)體系，這類結(jié)構(gòu)具有鋼結(jié)構(gòu)跨度大，施工周期短的優(yōu)點(diǎn)，造價(jià)卻比全鋼結(jié)構(gòu)要低。所以在近幾年國內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用中較為常見。下面就這類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)作一下簡單的介紹，以供大家討論。2 計(jì)算

3、程序設(shè)計(jì)這類結(jié)構(gòu)仍是用STS里面門式剛架的程序來計(jì)算，建模的順序跟設(shè)計(jì)門式剛架一樣，但由于混凝土柱與鋼梁的連接處理難以達(dá)到剛接連接，因此梁柱的連接一般采用鉸接連接形式，而一般門式剛架結(jié)構(gòu)邊剛架柱與梁的連接均采用剛接連接形式，由于連接形式的不同，致使這種體系單榀剛架的受力截然不同于一般的門式剛架，設(shè)計(jì)時(shí)不能簡單的把門式剛架的鋼柱替換為混凝土柱，應(yīng)根據(jù)這類結(jié)構(gòu)體系的特殊性有針對的進(jìn)行設(shè)計(jì)。3 連接形式混凝土柱與鋼梁采用鉸接連接，混凝土柱底采用剛接，多跨情況下的中間混凝土柱與鋼梁的連接采用鋼梁連續(xù)，混凝土柱鉸撐于鋼梁底面。4 規(guī)范選擇這類結(jié)構(gòu)已經(jīng)超出門規(guī)的使用范圍，結(jié)構(gòu)類型應(yīng)選擇“單層鋼結(jié)構(gòu)廠房”，

4、如果為抗震地區(qū)且選擇了地震作用計(jì)算，程序會自動按照抗震規(guī)范第九章關(guān)于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的規(guī)定進(jìn)行控制；混凝土柱應(yīng)按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相應(yīng)要求，鋼梁應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)要求，當(dāng)采用工形變截面梁時(shí)，建議梁構(gòu)件承載力的校核采用按門式剛架規(guī)程進(jìn)行校核，以考慮軸力的影響與變截面梁的穩(wěn)定計(jì)算，但局部穩(wěn)定應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、抗震規(guī)范的要求；撓度控制，考慮到所采用的輕型屋面體系對鋼梁撓度不是非常敏感，在有經(jīng)驗(yàn)的情況下可較鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的撓度控制指標(biāo)（L/400）適當(dāng)放寬。5 單榀設(shè)計(jì)5.1 建模單榀設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用混凝土柱與鋼梁整體建模分析。鋼梁對混凝土柱的約束反力與混凝土柱本

5、身的剛度是直接相關(guān)的，為反映真實(shí)的內(nèi)力情況，應(yīng)該進(jìn)行整體分析，并以整體分析的結(jié)果來設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、混凝土柱的配筋與鋼梁。把它們分開來分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往使設(shè)計(jì)結(jié)果帶來不安全的隱患：如果在柱與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，沒有考慮屋面斜鋼梁對柱的推力，會導(dǎo)致柱配筋與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)嚴(yán)重偏小，按這種方式設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在安裝過程中就有可能出現(xiàn)基礎(chǔ)被翹起、混凝土柱頂位移過大、柱身出現(xiàn)裂縫、鋼梁撓度過大等問題。而在分析鋼梁時(shí)，把鋼梁兩端視為固定鉸支座或建兩根很短的下端剛接柱作為支座都會夸大混凝土柱對鋼梁的約束作用，導(dǎo)致鋼梁軸力增大、跨中彎矩減小、撓度減小等不真實(shí)情況，這時(shí)往往會出現(xiàn)安裝后的鋼梁的撓度要大于計(jì)算撓度、鋼梁有可能整體屈服失穩(wěn)、

6、局部壓屈等不安全問題。5.2 計(jì)算程序自動根據(jù)整體分析得結(jié)果，按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行混凝土柱的配筋計(jì)算，按選定的鋼梁構(gòu)件驗(yàn)算規(guī)范進(jìn)行鋼梁的校核，在布置基礎(chǔ)的情況下，同時(shí)根據(jù)整體分析柱底力完成基礎(chǔ)的計(jì)算。6 整體設(shè)計(jì)6.1 混凝土柱與鋼梁的鉸接連接處理一般存在三種連接構(gòu)造處理：完全抗剪連接構(gòu)造，這種連接構(gòu)造能夠把梁端的推力以剪力的方式完全傳遞給混凝土柱；完全滑移連接構(gòu)造，這種連接構(gòu)造容許梁端相對混凝土柱頂自由滑移，梁端的推力由于相對的滑移而釋放，作用力不傳遞給混凝土柱；介于以上二者之間的部分滑移連接構(gòu)造，這種連接構(gòu)造容許梁端相對混凝土柱頂有一定的滑移量，梁端的推力由于相對的滑移而部分釋放，剩

7、余作用力以剪力的方式傳遞給混凝土柱。6.2 三種計(jì)算模型的內(nèi)力分析下表為某一單跨結(jié)構(gòu)不同的連接計(jì)算模型的分析結(jié)果比較：砼柱鋼梁連接計(jì)算模型不同的分析結(jié)果比較表砼柱鋼梁連接構(gòu)造柱底彎矩（kn.m）砼柱配筋（mm2）基礎(chǔ)尺寸（mm）鋼梁跨中彎矩鋼梁最大撓度鋼梁應(yīng)力比完全抗剪209.016152940194.578.90.9完全滑移（實(shí)算最大滑移：50mm）60.57001820257.297.11.08部分抗剪（控制最大滑移20mm）127.19572500219.186.00.97從上表的比較結(jié)果可以看出，不同的計(jì)算模型，對內(nèi)力分析結(jié)果、設(shè)計(jì)結(jié)果影響非常大：如果一個(gè)完全抗剪的連接構(gòu)造，分析時(shí)采用

8、完全滑移的分析模型（砼柱單獨(dú)作為懸臂柱計(jì)算，不考慮鋼梁的推力，也屬于這種情況），會導(dǎo)致柱的配筋、基礎(chǔ)尺寸嚴(yán)重的偏小，帶來的后果如同上面柱與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不考慮鋼梁的推力的情況一樣。而分析時(shí)采用的是鉸接完全抗剪模式，實(shí)際處理時(shí)處理成了長圓孔等滑動支座形式，這會導(dǎo)致鋼梁的強(qiáng)度應(yīng)力比、撓度等計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重偏小，同樣給鋼梁的設(shè)計(jì)帶來不安全隱患。6.3 程序的處理考慮混凝土柱與鋼梁的不同構(gòu)造連接，可以通過設(shè)置混凝土柱的柱頂不同約束情況來實(shí)現(xiàn)。6.3.1 完全抗剪連接構(gòu)造：普通的鉸接連接。6.3.2 完全滑移連接構(gòu)造：采用鉸接混凝土柱頂定義約束為“水平方向自由滑動”。6.3.3 部分滑移連接構(gòu)造：采用鉸接混凝土柱

9、頂定義約束為“約束水平方向相對位移差”。 對于定義完全滑移與部分滑移的分析模型，必須保留一個(gè)梁端為完全約束的普通鉸接節(jié)點(diǎn)，否則會出現(xiàn)分析上的可變體系，使分析無法進(jìn)行。在定義完全滑移或部分滑移約束的情況下，程序分析結(jié)果中，在查看該混凝土柱的構(gòu)件信息時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)程序?qū)嶋H分析出來的滑移量，根據(jù)分析結(jié)果可以用來處理設(shè)置滑移的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。6.4 施工圖的處理門式剛架施工圖程序中，能夠根據(jù)整體分析的結(jié)果，處理這類節(jié)點(diǎn)及鋼梁的施工圖。在容許滑移的連接節(jié)點(diǎn)施工圖中，底板設(shè)置長圓孔，長圓孔標(biāo)注的長度尺寸為支座底板相對于支承面的容許滑移距離，為保證滑移的順利進(jìn)行，墊板與底板之間不應(yīng)施焊，底板于混凝土柱頂接觸面處理應(yīng)

10、保證支座底板與支承面間在容許距離內(nèi)自由滑動。對于限制滑移量的連接節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)滑移量達(dá)到容許距離時(shí)支承面應(yīng)設(shè)置可靠抗剪措施，限制繼續(xù)滑移，使剩余剪力能夠完全傳遞給柱。7 施工圖的繪制施工圖的繪制：混凝土柱身配筋圖，可以在STS二維整體分析的基礎(chǔ)上，接力PK進(jìn)行繪圖，有吊車作用的混凝土排架柱，直接接PK模塊中的排架柱繪圖，普通無吊車混凝土柱，接PK模塊中的框架繪圖。鋼梁及屋面構(gòu)件詳圖在STS里繪制。8 其它構(gòu)造處理對于風(fēng)載較大的地區(qū)，當(dāng)風(fēng)的作用能夠克服屋面自重作用(組合：1.0恒1.4風(fēng))，出現(xiàn)屋面作用力向上的情況，這時(shí)通過在柱頂設(shè)置單拉桿來抵抗梁對柱頂?shù)耐屏ψ饔茫瑫捎诔霈F(xiàn)壓力致使該單拉桿失效而退

11、出工作，這時(shí)剪力還是能夠傳遞到混凝土柱與基礎(chǔ)，對于這種情況，這種處理是不能起作用的，不建議采用這種處理。9 結(jié)束語綜上所述，混凝土柱實(shí)腹鋼梁單層廠房與門式剛架有相同之處，又有其不同之處。相同之處在于其單個(gè)構(gòu)件的計(jì)算和校核，如鋼梁的強(qiáng)度、剛度，穩(wěn)定性，以及檁條和屋面板的計(jì)算和構(gòu)造。不同之處在于梁和柱是鉸接連接，梁柱受力不同于門式剛架。理解它的受力原理是做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。參考文獻(xiàn)：1 GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，中國建筑工業(yè)出版社，20032 GB50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，中國建筑工業(yè)出版社，20023 GB50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，中國建筑工業(yè)出版社，20014 CECS102：2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，中國計(jì)劃出版社，2003 5 候兆欣、李秀川，輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，機(jī)械工業(yè)出版社，2004，2228頁6 中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部， STS技術(shù)條件，2005 7 中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程