鋼筋混凝土柱
——輕鋼屋面的設(shè)計(jì)分析

馬曉婷

銅陵有色設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司（244000）

鋼結(jié)構(gòu)中的門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重較小且剛度良好，施工方便，使用空間大。但由于某些廠房對(duì)防火、防腐有特殊要求，工程中也會(huì)采用混凝土柱-輕鋼屋面結(jié)構(gòu)的型式。 混凝土柱+輕鋼屋面結(jié)構(gòu)綜合了混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可承載大噸位吊車，具有防火性能好、施工速度快、耐久性好等特點(diǎn)，得以廣泛使用。

現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)此類結(jié)構(gòu)未明確其設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造要求，因此本文通過某銅礦副井提升機(jī)房設(shè)計(jì)實(shí)例，綜合分析此類結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)造、荷載取值、建模計(jì)算及控制標(biāo)準(zhǔn)等問題。

本工程的軸網(wǎng)尺寸為18 m×18 m，柱距為6 m，跨度為18 m，廠房高度為15 m；兩邊有兩個(gè)附跨，為配電室和設(shè)備用房， 主跨內(nèi)設(shè)55 t 橋式行車；工程所在地為7 度（0.1 g）抗震區(qū)。 由于其吊車荷載大、防火要求高，選擇混凝土柱-輕鋼屋面結(jié)構(gòu)形式較為經(jīng)濟(jì)安全。

1 結(jié)構(gòu)分析

對(duì)于單層廠房計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)使用較多的商用軟件是PKPM 系列STS 程序，以平面框排架計(jì)算為主。 本工程采用STS 及工具箱結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，完成模型輸入、結(jié)構(gòu)計(jì)算、強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等。

建模的順序跟設(shè)計(jì)門式鋼架一樣，輸入鋼梁、混凝土柱，混凝土柱長(zhǎng)度取到基礎(chǔ)頂面。 混凝土柱與鋼梁處的連接采用鉸接，按簡(jiǎn)支梁來考慮。 由于門式鋼架的梁柱連接為剛接，而本類結(jié)構(gòu)采用鉸接，連接形式的不同致使受力截然不同，因此分析建模參數(shù)輸入設(shè)置考慮如下:

1）設(shè)計(jì)控制的結(jié)構(gòu)類型更接近于單層廠房排架結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，而不能采用門式鋼架結(jié)構(gòu)。

2）按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。屋面鋼梁采用實(shí)腹式鋼梁，承載力驗(yàn)算按照門式鋼架規(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。

3）選擇輕屋蓋廠房“低延性、高彈性承載力”性能設(shè)計(jì)（1.5 倍地震力作用），按此方法確定構(gòu)件的寬厚比。

2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

1）梁柱連接。 梁柱連接節(jié)點(diǎn)分為剛接連接、半剛接連接以及鉸接連接。 由于鋼梁和混凝土柱兩種材料的剛度相差較大，如果按照剛接連接，雖然節(jié)點(diǎn)可以通過配筋承受彎矩和剪力，但抗拉、抗沖切性能很差，在外力作用下很容易松動(dòng)和破壞，松動(dòng)后鋼梁將承擔(dān)更大的彎矩，不能按照設(shè)計(jì)時(shí)的傳力進(jìn)行。 因此鋼梁與混凝土柱連接宜為鉸接，鋼梁可按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，設(shè)置抗剪鍵傳遞剪力。

2）鋼梁連接。 跨度為18 m，選擇雙坡屋面，坡度為10%。 H 型鋼梁中部拼接剛接，采用承壓型高強(qiáng)螺栓連接，連接形式同門式鋼架結(jié)構(gòu)。

3）柱腳連接。 因廠房?jī)?nèi)有較大的橋式行車，吊車水平荷載較大，因此柱腳選擇剛接，能夠增加廠房橫向剛度，減少下段柱彎矩。

3 荷載取值

在荷載的選取中，主要承受屋面荷載、風(fēng)荷載及吊車荷載。 屋面采用彩鋼板， 恒載一般選取 0.3 kN/m2，活載可按門剛規(guī)程選取為0.5 kN/m2。本工程為單坡雙跨屋面，雪荷載需要考慮不均勻分布的情況。 同時(shí)，檐口處為女兒墻形式，因此在屋面檐口處需要考慮雪堆積分布。

對(duì)于風(fēng)荷載的取值，GB 50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和 GB 51022-2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱《門剛規(guī)范》）兩者的差異較大，一般計(jì)算結(jié)果顯示前者結(jié)果明顯小于后者。 為了保障結(jié)構(gòu)在極端氣候情況下的安全性，根據(jù)門剛規(guī)程附錄A 的要求進(jìn)行計(jì)算。

布置吊車荷載， 主要由吊車豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值、吊車橫向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值和吊車縱向水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值組成。

地震作用下，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.2.14 條規(guī)定單層鋼結(jié)構(gòu)重屋蓋廠房在7 度（0.1 g）時(shí)抗震等級(jí)按照四級(jí)采用；第9.1.6 條規(guī)定:在7 度Ⅱ類場(chǎng)地， 柱高不超過10 m 且結(jié)構(gòu)單元兩端均有山墻的單跨廠房可不進(jìn)行橫向和縱向抗震驗(yàn)算。 《門剛規(guī)范》條文說明第3.1.4 條規(guī)定:在抗震設(shè)防烈度為7度（0.1 g）時(shí)可不做抗震驗(yàn)算。根據(jù)本工程實(shí)際情況，可不考慮抗震驗(yàn)算。 抗震構(gòu)造措施按照規(guī)范執(zhí)行。

4 其它構(gòu)件

1）屋面結(jié)構(gòu)體系由屋面鋼梁、支撐體系、屋面檁條、拉條、撐桿及彩鋼板組成，其計(jì)算及布置均可按照《門剛規(guī)范》要求進(jìn)行布置和設(shè)計(jì)。

2）平面外計(jì)算長(zhǎng)度可按兩倍檁條間距來取。 本工程屋面板與檁條采用自攻螺絲連接，可認(rèn)為屋面板與檁條有可靠連接。

3）墻面圍護(hù)結(jié)構(gòu)為加氣混凝土砌塊，可采用墻梁傳遞給混凝土柱的形式。

5 控制標(biāo)準(zhǔn)

1）橫向剛度:GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（簡(jiǎn)稱鋼規(guī)）規(guī)定，風(fēng)荷載作用下有橋式吊車的排架柱頂位移容許值為H/400；《門剛規(guī)范》規(guī)定，風(fēng)荷載作用下有橋式吊車（吊車由地面操作）的剛架柱頂位移容許值為H/180。 鋼筋混凝土柱-輕鋼屋面結(jié)構(gòu)的柱頂位移，因?yàn)槠淞褐?jié)點(diǎn)的連接形式，屋面梁對(duì)結(jié)構(gòu)位移的貢獻(xiàn)較小。 為保證廠房的正常使用和觀感要求，除滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求之外，還要保證足夠剛度以避免使用過程中引起吊車卡軌等，因此可以按照單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的要求執(zhí)行。

2）受彎構(gòu)件的撓度：《門剛規(guī)范》規(guī)定了僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條的撓度限值為L(zhǎng)/180，同時(shí)規(guī)定由柱頂位移和構(gòu)件撓度產(chǎn)生的屋面坡度改變值不應(yīng)大于坡度設(shè)計(jì)值的1/3。 這一點(diǎn)主要從屋面排水角度等實(shí)用角度考慮，按照L/180 控制，遇到特大雨時(shí)，鋼梁局部撓度可能過大，進(jìn)而導(dǎo)致排水不暢。 《鋼規(guī)》規(guī)定了屋蓋主梁受彎構(gòu)件撓度限值為L(zhǎng)/400，同時(shí)認(rèn)為當(dāng)撓度值大于L/250 時(shí)會(huì)影響觀瞻。 顯然，門剛規(guī)程出于自身特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)的考慮，相比于一般鋼結(jié)構(gòu)，放松了斜梁的撓度限值。 撓度控制是為了保證結(jié)構(gòu)正常使用， 所以宜與屋面、檁條撓度控制相適應(yīng)。 本結(jié)構(gòu)綜合兩個(gè)規(guī)范，取無吊頂時(shí)L/250 為限值，保證不影響觀瞻角度及排水通暢的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

3）梁柱連接節(jié)點(diǎn)：根據(jù)計(jì)算所得內(nèi)力，在工具箱中輸入剪力、彎矩，重新計(jì)算節(jié)點(diǎn)，并勾選設(shè)置抗剪鍵，繪出施工圖。 可看出，根據(jù)內(nèi)力計(jì)算的節(jié)點(diǎn)可以直接繪出施工圖，也更加準(zhǔn)確、安全。

4）根據(jù)單層廠房排架結(jié)構(gòu)計(jì)算得出的混凝土柱配筋，比較門剛程序計(jì)算的配筋，得出配筋包絡(luò)圖，繪出施工圖。

6 結(jié)語

混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)兼具門式鋼架跨越能力強(qiáng)及混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較好的優(yōu)點(diǎn)，適合用于廠房結(jié)構(gòu)。 在設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)其荷載取值、指標(biāo)控制、風(fēng)雪荷載敏感、屋面排水等進(jìn)行綜合考量，才能做到安全舒適、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。