混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)探討

李 坤

(安徽省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230022)

0 引言

門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)因其自身特有的優(yōu)越性，在我國單層工業(yè)廠房中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來由于降低造價(jià)或防火、防腐的需要，很多業(yè)主要求采用混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)這一新型結(jié)構(gòu)體系[1]?；炷林摿航Y(jié)構(gòu)體系與門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)相比較，可以節(jié)省鋼材和降低防火、防腐費(fèi)用；與傳統(tǒng)的排架結(jié)構(gòu)(三角形或梯形鋼屋架)相比較，混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)造型簡潔，加工和維護(hù)更方便。

混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)在現(xiàn)行的國家、行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范中并沒有明確相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造要求。筆者通過對相關(guān)文獻(xiàn)的比較分析，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，探討一下這種新型結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)形式

混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)體系的柱采用鋼筋混凝土柱，屋面梁采用實(shí)腹式斜鋼梁，屋面采用輕型屋面體系。由于混凝土柱與鋼梁的連接很難實(shí)現(xiàn)剛接，所以一般鋼筋混凝土柱與鋼梁的連接采用鉸接形式，混凝土柱底采用剛接連接[2]。

混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)剛開始出現(xiàn)的時(shí)候，由于現(xiàn)行的國家、行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范沒有對這種新型結(jié)構(gòu)體系的受力分析、變形限值及板件的寬厚比等做出專門規(guī)定，一些設(shè)計(jì)人員將其與門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)混淆，進(jìn)入設(shè)計(jì)誤區(qū)：例如參考單跨門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)，將混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)中的大跨度鋼梁兩端通過兩個(gè)錨栓固定在混凝土柱頂(典型的鉸接構(gòu)造)，建模計(jì)算按照梁端剛接將鋼梁設(shè)計(jì)成梁端截面大、跨中截面小的變截面梁，并且鋼梁的撓度限值按照門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的限值控制，做出了不少存在安全隱患的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

一般的門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的邊剛架柱與鋼梁采用剛接連接形式；混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)體系一般鋼筋混凝土柱與鋼梁的連接采用鉸接形式。連接形式的不同，導(dǎo)致了二者受力狀態(tài)存在很大的差異。設(shè)計(jì)時(shí)不能簡單的將門式剛架的鋼柱替換為鋼筋混凝土柱，應(yīng)根據(jù)受力情況的不同而采取有針對性的設(shè)計(jì)[2]。

對于典型的單跨混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)，其力學(xué)模型為混凝土柱上的兩鉸直線拱。這種兩鉸直線拱可以是帶拉桿的，也可以是不帶拉桿的，對于跨度不大于24 m的混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)成不帶拉桿的兩鉸直線拱[1]。混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)的斜鋼梁不同于一般的簡支鋼梁，由于坡度的存在(坡度一般取1/12～1/5)，其不僅承受彎矩、剪力，還承受一定的軸力，所以梁端對混凝土柱存在一定的水平推力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 荷載取值

混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和雪荷載可以按照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范取值。由于輕鋼屋蓋結(jié)構(gòu)屬于對雪荷載敏感的結(jié)構(gòu)，雪荷載經(jīng)常是控制荷載，極端雪荷載作用下容易造成結(jié)構(gòu)整體破壞，所以混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)的雪荷載應(yīng)采用100年重現(xiàn)期的雪壓。此外，混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)在檐口、山墻處一般都設(shè)置女兒墻，在女兒墻附近積雪容易堆積，造成局部雪荷載增大，因此雪荷載還應(yīng)參照GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范、GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范考慮屋面積雪的不均勻分布對鋼梁及檁條的影響，靠近檐口女兒墻處的檁條應(yīng)加密，端開間靠近山墻處的檁條應(yīng)加強(qiáng)。

2.2 構(gòu)件及支撐的設(shè)計(jì)

屋面斜鋼梁的設(shè)計(jì)是混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最具有爭議的地方。與屋面斜鋼梁設(shè)計(jì)有關(guān)的國家設(shè)計(jì)規(guī)范有兩個(gè)：一個(gè)是GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)是GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范。對于混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)的斜鋼梁，一些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為完全可以按照GB 51022—2015進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且取L/180(L為鋼梁跨度)作為鋼梁的撓度限值，取3 m(隅撐間距)作為鋼梁的平面外計(jì)算長度，實(shí)際上這種做法是不合適的。

文獻(xiàn)[2]認(rèn)為：鋼梁應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，局部穩(wěn)定應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。撓度控制，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。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為：鋼梁撓度按L/250控制；鋼梁的翼緣寬厚比、腹板高厚比按GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算。

筆者認(rèn)為：混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)的斜鋼梁，無懸掛吊車時(shí)撓度限值取L/250，有懸掛吊車時(shí)撓度限值取L/400，是比較合適的，理由如下：1)L/180這個(gè)撓度限值最初來源于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)，這個(gè)限值比GB 50017—2003要寬松，是因?yàn)榭紤]了圍護(hù)面板應(yīng)力蒙皮效應(yīng)的有利影響，而混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)的蒙皮效應(yīng)是比較弱的。雖然GB 50017—2017附錄B新增規(guī)定：僅支承壓型金屬板屋面和冷彎型鋼檁條的受彎構(gòu)件撓度限值可取L/180。但筆者認(rèn)為這條新增規(guī)定適用于純受彎簡支鋼梁，而對于支承在混凝土柱頂?shù)膲簭潣?gòu)件，考慮到梁端推力作用下柱頂水平位移的不利影響，撓度限值取L/180偏于不安全。2)考慮到輕型屋面體系對鋼梁撓度不是非常敏感，在無懸掛吊車時(shí)撓度限值較L/400可適當(dāng)放寬，取L/250比較合理。

此外，筆者認(rèn)為：對于采用輕型屋面的混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[2]規(guī)定的鋼梁局部穩(wěn)定應(yīng)滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，過于苛刻，不便于執(zhí)行；文獻(xiàn)[3]規(guī)定的鋼梁翼緣寬厚比按照GB 50017取值基本是合理的，但是鋼梁的腹板高厚比取值偏于保守，未考慮腹板屈曲后強(qiáng)度的利用，所以鋼梁腹板將設(shè)計(jì)的比較厚，經(jīng)濟(jì)性較差。一般來說，板件的寬厚比對于翼緣是不允許突破的，即鋼梁翼緣的寬厚比應(yīng)按照現(xiàn)行的GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中S3級截面進(jìn)行設(shè)計(jì)；而對于腹板的板件寬厚比(高厚比)是允許突破的，可以按有效截面計(jì)算，考慮腹板屈曲后強(qiáng)度的利用，從而將鋼梁設(shè)計(jì)的安全、經(jīng)濟(jì)。對于鋼梁考慮腹板屈曲后強(qiáng)度的利用，文獻(xiàn)[4]也持有與筆者相同的觀點(diǎn)。

由于鋼梁對混凝土柱的約束反力大小與混凝土柱自身的剛度有關(guān)，為反映真實(shí)的內(nèi)力情況，當(dāng)采用STS軟件對混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行單榀建模計(jì)算時(shí)，應(yīng)將混凝土柱與鋼梁整體建模分析。當(dāng)工字形變截面鋼梁時(shí)，應(yīng)特別注意：需要按照門式剛架規(guī)范對鋼梁承載力進(jìn)行校核，以考慮軸力的影響與變截面梁的穩(wěn)定計(jì)算[2]。鋼梁平面外計(jì)算長度取屋面支撐、系桿間距，不應(yīng)取隅撐間距。

混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)的柱子可以按照GB 20010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015年版)設(shè)計(jì)；屋面檁條可以按照GB 51022—2015中檁條的相關(guān)條款進(jìn)行設(shè)計(jì)；柱間支撐和屋面支撐可以按照傳統(tǒng)的輕鋼屋面排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文不再詳述。

2.3 支座節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

鋼梁與混凝土柱的連接一般采用完全抗剪構(gòu)造的鉸接形式。這種連接是在梁端設(shè)置抗剪鍵，把梁端的推力以剪力的方式傳遞給混凝土柱，典型的鋼梁支座節(jié)點(diǎn)如圖1所示。

3 工程實(shí)例

某單層單跨廠房，跨度24 m，開間6 m，采用混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)體系，鋼梁材質(zhì)Q235B，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2(50年重現(xiàn)期)，基本雪壓為0.60 kN/m2(100年重現(xiàn)期)。鋼梁截面高度由撓度控制，計(jì)算簡圖及鋼梁抗彎強(qiáng)度應(yīng)力比如圖2所示，圖2中左邊是不考慮軸力影響的抗彎強(qiáng)度應(yīng)力比，右邊是考慮軸力影響的抗彎強(qiáng)度應(yīng)力比。從圖2中可以看出：軸力對鋼梁的影響不容忽視。

4 結(jié)語

通過比較分析，筆者認(rèn)為混凝土柱—鋼梁結(jié)構(gòu)中的斜鋼梁可以按照GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，腹板可以考慮屈曲后強(qiáng)度，并且應(yīng)按照GB 51022—2015對鋼梁承載力進(jìn)行校核以考慮軸力的影響，否則可能存在安全隱患。