混合輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計探討

劉 心

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司，北京 100097)

在工業(yè)建筑設(shè)計中，經(jīng)常會出現(xiàn)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)+輕鋼結(jié)構(gòu)的“混合結(jié)構(gòu)”，下面就“混合結(jié)構(gòu)”進行幾方面的闡述。

1 使用“混合結(jié)構(gòu)”的原因

1)為了節(jié)省鋼結(jié)構(gòu)廠房防火涂料及防腐涂料。

在SH3137—2013石油化工鋼結(jié)構(gòu)防火保護技術(shù)規(guī)范中就列舉了鋼結(jié)構(gòu)需要做防火的范圍。其中：“單層鋼結(jié)構(gòu)廠房：采用輕型屋面時，地面以上10 m內(nèi)的柱、柱間支撐、框架梁均應做防火保護；多層鋼結(jié)構(gòu)廠房：地面以上10 m范圍的柱、柱間支撐、框架梁及設(shè)備梁需要做防火。同時規(guī)范還對構(gòu)筑物防火范圍也提出了要求”。對于鋼構(gòu)總量多，防火面積大的廠區(qū)，防火成本也是一筆不小的開支。

另外，防火涂料施工一般分為噴涂和抹面兩種。若采用噴涂的方法，有時會污染已經(jīng)完成的設(shè)備及其他；若采用抹面防火的形式，成品保護及施工質(zhì)量(高空作業(yè))難以保證。

同時在石油化工廠設(shè)計中，鋼結(jié)構(gòu)基本上都是按照中等腐蝕性來考慮，經(jīng)過除銹后的鋼構(gòu)需要底涂，中涂，面涂，使漆膜的總厚度大于150 μm,防腐的成本也是需要考慮的因素之一。

2)全鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計仍不普及，鋼結(jié)構(gòu)的計算及畫圖麻煩。

一些設(shè)計院比較擅長混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計，考慮鋼構(gòu)設(shè)計有時比較繁瑣和麻煩，節(jié)點繪制比較多。

3)為了滿足建筑功能的需要。

4)業(yè)主特殊需求或設(shè)備布置特殊等。

有時業(yè)主堅持使用混凝土結(jié)構(gòu)，可能是為了和原有類似結(jié)構(gòu)形式一致，或認為混凝土結(jié)構(gòu)更安全。有時，因為有非常沉重或振動的設(shè)備，采用下部為混凝土結(jié)構(gòu)形式更合理。

2 混凝土柱+鋼屋蓋的單層廠房設(shè)計分析

此種結(jié)構(gòu)類型在工業(yè)建筑的設(shè)計中較多出現(xiàn)。但是，這種結(jié)構(gòu)形式并沒有明確的規(guī)范指導當前的設(shè)計。

從構(gòu)造上說，鋼梁和混凝土柱子的節(jié)點剛接和鉸接都可以。一般來說，有三種設(shè)計方法：

1)完全抗剪支座：兩端都設(shè)置抗剪件。這樣鋼梁撓度小，梁截面小，混凝土柱配筋比較大，柱頭位移比較大；

2)完全不抗剪：鋼梁按簡支梁設(shè)計。鋼梁撓度大，梁截面偏大，混凝土柱配筋比較小，柱頭位移比較小。這樣做，使混凝土柱在平面內(nèi)沒有約束，混凝土柱實際是懸臂柱；

3)不完全抗剪：支座介于二者之間，結(jié)構(gòu)相應也介于二者之間。具體做法就是有限釋放支座位移。安裝屋面鋼梁時，先不固定一端支座，螺栓孔開為長圓孔。屋面恒載產(chǎn)生的鋼梁推力可以通過位移來釋放掉。

如果是在混凝土柱子上做鋼屋架，是可行的。在國標圖集《梯形鋼屋架》(05G511)里，屋架最大跨度為36 m，如果廠房的跨度不大于36 m，可以套用圖集。因為屋架產(chǎn)生的水平推力由屋架下弦承擔，對下部結(jié)構(gòu)的推力沒有或很小。而如果用實腹式鋼梁，鋼梁產(chǎn)生的水平推力需要依靠下部結(jié)構(gòu)來承擔。下部的混凝土柱根據(jù)節(jié)點連接的方式不同，會產(chǎn)生不同情況，受力和配筋都有所不同。若混凝土柱子做的很大，就可以完全抵抗鋼梁的水平推力了。

具體剛接做法：把斜梁用豎放端板與混凝土柱中的預埋螺栓連接，以形成剛接。

節(jié)點固接的優(yōu)點在于鋼梁兩端為固接,對于小跨度結(jié)構(gòu),可直接采用型鋼,且用鋼量較小(相對于采用變截面鋼梁)。可以使層高減小，既滿足工藝要求，又節(jié)省用鋼量。

節(jié)點的鉸接可以按排架結(jié)構(gòu)來計算。具體做法可以有如下兩種形式：

1)螺栓鉸接，螺栓孔可以只作為長圓孔，豎向力直接傳遞給混凝土柱，水平力釋放通過長圓孔實現(xiàn)。

2)一端鉸接，一端滑動支座。

如結(jié)構(gòu)跨度較小，門型架鋼梁底面可以將底面平面放置，減小水平力的作用。

對于鋼梁與柱節(jié)點鉸接，又會出現(xiàn)問題，就是當跨度很大的時候，可能會出現(xiàn)由撓度控制的情況，而按照《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，撓度控制為1/180，而按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》則最少要套用次梁的1/250，選擇哪本規(guī)范，還是一個問題，有待進一步考慮，現(xiàn)在只能是具體問題具體分析。

3 混凝土框架上+鋼框架結(jié)構(gòu)

混凝土框架上+鋼框架結(jié)構(gòu)，存在彈性模量，截面特性，阻尼比不同等問題，所以在抗震設(shè)計時可采取如下措施來考慮并解決該問題：

1)按照GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(以下簡稱《規(guī)范》)條文說明5.1.1條第3款，我們把此混合結(jié)構(gòu)按“不規(guī)則結(jié)構(gòu)”分析，并在SATWE抗震信息中選擇“不規(guī)則”，并“考慮偶然偏心”和“雙向地震作用”，取兩者的不利結(jié)果。分析結(jié)果符合《規(guī)范》3.4.3條和3.4.4條。

2)結(jié)構(gòu)分析采用空間分析，受力較為明確。在滿足工藝使用的同時，傳力路線也較為合理。并且,所有鋼構(gòu)平臺梁與柱接頭均采用鉸接，在混凝土柱分析配筋結(jié)果時也未考慮鋼構(gòu)層對其的有利影響。

3)阻尼比可按《規(guī)范》8.2.2條取值，放大地震作用效應。

4)按照《規(guī)范》條文說明5.2.2條，我們將振型個數(shù)適當增加，保證振型參與質(zhì)量達到總質(zhì)量的90%以上。

5)按照《規(guī)范》5.2.4條及條文說明，突出混凝土頂層的鋼構(gòu)層，在振型分解法分析中應該將其視為結(jié)構(gòu)的一部分，按獨立質(zhì)點考慮。PKPM計算軟件中采用的就是振型分解法。

至于鋼柱與混凝土柱是剛接還是鉸接，同鋼梁與混凝土柱的節(jié)點一樣，從構(gòu)造上講都沒有問題。鉸接控制整體穩(wěn)定比較難，剛接則節(jié)點稍難處理。剛接要求混凝土柱的截面尺寸會更大，柱頭的配筋更密。若按剛接，下段混凝土柱子會通過上段柱子受到屋面橫梁的約束，計算長度能減小，不再按照懸臂柱計算。

4 結(jié)語

本文淺談了“混合結(jié)構(gòu)”的一些設(shè)計理念和具體做法，供大家參考討論。工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)類型較多，工藝要求復雜，設(shè)備體積大，重量大，會有防火，防腐等各種要求，如何把結(jié)構(gòu)設(shè)計的更加合理恰當，是我們今后繼續(xù)努力思考的問題。

[1] GB 50191—2012,構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] CECS 102：2002,門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] SH/T 3147—2014,石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 姜學詩.鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2003(6):3-5.

[6] 陳紹藩.單層房屋鋼支撐體系的內(nèi)力和桿件計算[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007(11):89-91.