钢梁屋盖与混凝土下部结构的设计

2013-04-16冷加冰

建材世界 2013年1期

冷加冰

（吴江市建筑设计院有限责任公司，苏州 215168）

钢屋盖具有自重轻、跨越能力大、造价低、施工周期短等优点，下部混凝土结构具有保温隔热性能好、易维护、造价低等优点，两者相结合具有造价低，工期短的特点，故该种结构在实际工程中已较为常见，但对于此类结构的设计依据、结构体系、施工要点、应用范围及受力性能，学术界和工程界尚无定论，国内相关标准、规范、规程也没有明确规定。这种现象给设计人员的设计工作带来了很多麻烦，特别是对设计经验不丰富的新手，如果对这种结构体系认识不清楚，盲目着手设计，可能会使结构存在很多安全隐患，甚至造成结构倾覆、垮塌等工程事故。

1 混凝土下部结构钢梁屋盖结构形式概述

大跨度单层工业厂房一般使用门式刚架轻型房屋建设，相对于其他技术而言具有极大的优越性，跨度也在建设过程中逐渐增大，然而随着市场的发展和建设，钢材市场的价格日渐不稳定，钢材的价格在一定程度上有了提高，钢柱的用钢量大于钢梁的用钢量，并且防火涂料在钢柱中的使用是必须的。而防火涂料价格昂贵，并且由于工程建设的需要，混凝土柱钢梁的使用逐渐得到了业主的认可，形成了传统钢筋混凝土柱焊接工艺钢梁的设计结构形式。

2 混凝土下部结构钢梁屋盖结构形式设计中的问题

当前国家现有的规范和相应的工程建筑规程未对混凝土柱钢梁结构形式的施工管理建立规范而标准的规定，也未对具体的混凝土柱钢梁结构施工过程中的受力结构的分析以及变形限值等具体的施工管理的数据进行专门而规范的规定，相应建设工程的设计和施工人员甚至混淆了混凝土柱钢梁结构和门式钢架结构，并且在施工过程中参照门式钢架设计，由此使相应的建筑工程的钢梁结构设计进入了施工和设计的误区，给工程项目的使用和发展带来了安全的隐患。从混凝土柱钢梁结构的假定条件出发，通过模拟建设等发展形势，根据仿真的模型和结构的设计明确具体工程的受力特点，了解相应钢梁结构形式的明确分析和掌握其使用的范围和作用发生的条件，从而建立科学合理的施工管理和安全质量控制。

由于混凝土柱钢梁结构中的柱顶和混凝土柱钢梁结构的钢梁的良好结合是由完全不同的两种材料组成，钢梁属于弹性材料而混凝土柱是弹塑性材料。若将混凝土柱钢梁结构的柱顶上的相应混凝土节点当作刚性的节点，从而建立了十分复杂的受力模式。但混凝土柱钢梁结构柱和螺栓的连接的最佳方式是铰接，从而使混凝土柱钢梁结构的柱顶节点的构造十分复杂，这就为混凝土柱钢梁结构的设计和施工带来一定程度的困难。同时也增加了工程建筑的造价，然而完全的刚性节点只能在理论上形成和建立，相应的施工也只能通过加强钢梁的构造，在具体的设计中根据具体的建设施工提高钢梁跨度中的弯矩系数来实现。

在混凝土柱钢梁结构的工程建筑过程中，混凝土柱、钢梁皆采用一般形式的预埋螺栓进行连接，而混凝土柱顶与钢梁铰接，从而不能将其定性为门式钢架的轻型房屋体系，而应建立成为两铰折线拱，并且按照钢梁结构的受力特点进行相应的计算和设计。混凝土柱钢梁结构的拱脚的反力对混凝土柱有着一定水平的推力，并且相应门式钢架的设计跨度越大，对相应钢梁结构的推力就越大。为减少水平推力，应在钢梁结构设计时设置拉杆或是在相应的梁柱之间设置拉杆或在梁、柱间采用刚节点的构建模式，若钢梁结构的设计和施工接近平拱，混凝土的柱顶和钢梁实现了铰接的发展，进而结构体系将设计成为排架体系，进而能根据排架体系的构建进行具体的受力设计和分析。

双铰折线拱混凝土的排架柱结构如果没有设置相应的拉杆，在具体的钢梁结构工程的设计中，混凝土柱钢梁结构的工程项目的计算程序极为繁琐，而采用平面杆系计算软件电算，由于电算会带来较大的差距，也会给混凝土柱钢梁结构形式的工程项目留下安全隐患。在钢梁结构的分析过程中，应对混凝土柱钢梁结构进行合理设计和施工。

3 混凝土下部结构钢梁屋盖结构形式设计建议

这类混合结构屋面梁的常见形式有2种：梁底面接近水平的变截面实腹钢梁和等截面人字形实腹钢梁。1）底平变截面实腹钢梁结构在竖向荷载作用下，柱顶不产生水平推力及由水平推力产生的柱顶水平位移，柱底也无弯矩，柱子受力简单，内力较小，基础面积也较小。但钢梁在跨中屋脊处挠度较大，需增大梁截面，这给钢梁焊接和施工增加了难度，同时也提高了造价。2）等截面人字形实腹钢梁结构在竖向荷载作用下，柱顶会产生一定的推力和水平位移，在计算和分析时比较复杂。但结构形式比较简单，制作和施工难度小，工程造价也相对较低。具体确定时，应结合本工程的特点及业主的要求进行取舍。

由于混凝土柱与钢梁的连接处理难以达到刚接连接，因此梁柱的连接一般采用铰接连接形式。而一般门式刚架结构边刚架柱与梁的连接均采用刚接连接形式，由于连接形式的不同，致使这种体系单榀刚架的受力截然不同于一般的门式刚架。设计时不能简单的把门式刚架的钢柱替换为混凝土柱，应根据这类结构体系的特殊性有针对的进行设计。建议的连接形式为：混凝土柱与钢梁采用铰接连接，混凝土柱底采用刚接，多跨情况下的中间混凝土柱与钢梁的连接采用钢梁连续，混凝土柱铰撑于钢梁底面。

单榀设计时，应采用混凝土柱与钢梁整体建模分析。钢梁对混凝土柱的约束反力与混凝土柱本身的刚度是直接相关的，为反映真实的内力情况，应该进行整体分析，并以整体分析的结果来设计基础、混凝土柱的配筋与钢梁。把它们割裂开来分别进行设计，往往会给设计结果带来安全隐患：如果在柱与基础设计时，没有考虑屋面斜钢梁对柱的推力，会导致柱配筋与基础的设计严重偏小，按这种方式设计的结构在安装过程中就有可能出现基础被翘起、混凝土柱顶位移过大、柱身出现裂缝、钢梁挠度过大等问题。而在分析钢梁时，把钢梁两端视为固定铰支座或建两根很短的下端刚接柱作为支座都会夸大混凝土柱对钢梁的约束作用，导致钢梁轴力增大、跨中弯矩减小、挠度减小等不真实情况，这时往往会出现安装后的钢梁的挠度大于计算挠度、钢梁整体屈服失稳、局部压屈等不安全问题。

整体分析时，分析模型要与连接构造处理相对应。混凝土柱与钢梁的铰接连接处理一般存在3种构造形式：1）完全抗剪连接构造，即普通的铰接连接。这种连接构造能够把梁端的推力以剪力的方式完全传递给混凝土柱；2）完全滑移连接构造，采用铰接＋混凝土柱顶，定义约束为“水平方向自由滑动”。这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶自由滑移，梁端的推力由于相对的滑移而释放，作用力不传递给混凝土柱；3）介于以上二者之间的部分滑移连接构造，采用铰接＋混凝土柱顶，定义约束为“约束水平方向相对位移差”。对于定义完全滑移与部分滑移的分析模型，必须保留一个梁端为完全约束的普通铰接节点，否则会出现分析上的可变体系，使分析无法进行。在定义完全滑移或部分滑移约束的情况下，程序分析结果中，在查看该混凝土柱的构件信息时，能够得到程序实际分析出来的滑移量，分析结果可以用来处理设置滑移的节点构造问题。这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶有一定的滑移量，梁端的推力由于相对的滑移而部分释放，剩余作用力以剪力的方式传递给混凝土柱。

根据相关研究，不同的计算模型对内力分析结果、设计结果影响非常大：如果一个完全抗剪的连接构造，分析时采用完全滑移的分析模型（混凝土柱单独作为悬臂柱计算，不考虑钢梁的推力，也属于这种情况），会导致柱的配筋、基础尺寸严重的偏小，带来的后果与上面柱与基础设计不考虑钢梁的推力的情况一样。而分析时采用的是铰接完全抗剪模式，实际处理时处理成了长圆孔等滑动支座形式，会导致钢梁的强度应力比、挠度等计算结果严重偏小，同样给钢梁的设计带来安全隐患。

若要实现混凝土柱和钢梁的刚性连接，那么在具体的混凝土施工过程中应参照钢柱外包式柱脚，也就是在混凝土柱钢梁结构的柱顶增加短钢柱并且将短钢柱埋入柱顶，实现短钢柱与钢梁的连接，相应的连接节点的设计和计算也应按照相关的规定，采用有效的措施对钢梁进行加固。也可参照网架支座预埋件，对其加以改进做成刚接的节点，实现钢梁支座底板和支座预埋件钢板周围的电焊模式，并且在支座的底部焊接圆孔，实现焊接圆孔的塞焊，从而使支座底板和钢板的整体模块化，而相应的预埋件应按照工程项目的有关规定，进行合理设计和构造，从而建立具有质量保证的混凝土钢梁结构体系。

这样的钢梁结构的设计的用钢量相对较小，施工建设的成本较低，单节点的构造相对麻烦，对施工的要求较高，从而建立施工质量相对稳定的工程建设。