混凝土柱实腹钢梁厂房结构设计

摘要：某复合材料厂房为钢筋混凝土柱实腹钢梁结构，厂房跨度为20m，柱距6.5m，厂房屋面为轻屋面，厂房平面尺寸为80mx196m。本文主要介绍该类厂房设计中应该注意的问题，厂房设计的要点。

关键词：混凝土柱实腹钢梁；结构设计

中图分类号：U445.47+2 文献标识码：A

1工程概况

某复合材料厂房建筑面积为1.56万m2，厂房采用混凝土柱实腹钢梁结构，钢梁与混凝土柱通过铰接支座连接。厂房柱高为10m，柱距为6.5m，局部抽柱，厂房柱网为（4x20m）x（30x6.5m）。厂房屋面为结构找坡，坡度3％，厂房共设置起重量为5t的桥式吊车共8台，厂房纵向设置三道柱间支撑。钢梁采用焊接H型钢，Q345B,钢梁主要截面：H600x220x8x12，H（600-780）x220x8x12。该厂房屋面为轻型屋面，厂房外墙为压型钢板、保温板组成的复合板材。厂房效果图见图1。

图1 厂房效果图

结构主要设计参数：该厂房位于江苏省镇江市，建筑物的安全等级为二级；结构设计使用年限为50年；基本风压：0.40kN/m2，地面粗糙度为B类；基本雪压：0.35kN/m2（设计基准期50年）；抗震设防烈度7度，设计地震分组为第一组，设计地震加速度为0.15g；建筑场地类别III类；多遇地震场地设计特征周期为0.45s；抗震设防类别为丙类。

2厂房方案比较

本厂房为轻屋盖厂房，屋面恒载为0.45 kN/m2，考虑到厂房跨度较小为20m，屋面恒载较小，柱距为6.5m。考虑到项目成本控制，设计过程中本厂房进行了门式刚架结构和混凝土柱实腹钢梁结构体系的方案比较。门式刚架结构的用钢量约为55kg/m2，混凝土柱实腹钢梁结构的用钢量仅为20 kg/m2，混凝土柱为C30钢筋混凝土336 m3。因此混凝土柱实腹钢梁的方案经济性远高于门式刚架结构。混凝土柱实腹钢梁结构典型剖面图见图2。

图2 实腹钢梁典型剖面图

3厂房结构设计

混凝土柱实腹钢梁结构为近几年出现的新的结构形式，我国没有针对此类结构体系的设计规范。该类结构设计能否按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》进行设计，能否按照上述规程选取设计参数。

1. 钢梁腹板的高厚比控制

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》6.1.1.1条规定钢梁的腹板高厚比不应大于250（235/fy）1/2，设计钢梁截面为H（600-780）x220x8x12，钢梁腹板最大高厚比为94.5，满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，但不满足《建筑抗震设计规范》。混凝土柱实腹钢梁结构严格意义上不能按照门式刚架体系进行设计。但是根据《建筑抗震设计规范》（2010版）9.2.14第2款，轻型屋盖厂房，塑性耗能区板件的宽厚比限值可根据其承载力的高低按性能目标确定。参考欧、日、美等国家的抗震设计规范，根据实际工程的计算分析发现，可采用性能化设计按照“高延性、低弹性承载力”和“低延性、高弹性承载力”的抗震思路来确定板件的宽厚比，即当构件的强度和稳定的承载力均满足高承载力（两倍多遇地震作用下的承载力，γGSGE+γEh2SE≤R/γRE）时，可采用《钢结构设计规范》弹性设计阶段的板件宽厚比要求进行控制。混凝土柱实腹钢梁体系设计过程中需要按两倍多遇地震组合进行计算，钢梁应力在两倍多遇地震组合作用下应满足设计要求。经过计算该复材厂房钢梁应力比为0.91，满足设计要求，因此可按钢结构弹性设计阶段板件高厚比控制。

针对轻型屋盖结构的混凝土柱实腹钢梁结构，屋面荷载较小，地震作用小，同时实腹钢梁不是抗侧力构件。需对该结构体系的钢梁进行两倍多遇地震组合的补充计算。综上，混凝土钢梁结构厂房实腹钢梁的高厚比控制，应该综合考虑屋面荷载大小，设防烈度情况以及钢梁的跨度。

2. 超长厂房温度伸缩缝的设置

本工程主厂房排架结构长度195m，超过《混凝土结构设计规范》8.1.1条100m的要求。但考虑厂房外墙为压型钢板、保温板组成的复合板材，设计过程中我们在厂房纵向未设置温度缝。设计中对厂房柱纵向温度的作用进行计算，根据温度计算结果增大柱弱轴方向纵向受力配筋的配置。

3. 混凝土柱顶纵向系杆的设置

《建筑抗震设计规范》9.1.24条规定，8度时跨度不小于18m的多跨厂房中柱和9度时多跨厂房各柱，柱顶宜设置通长水平压杆，此压杆可与梯形屋架支座处通长水平系杆合并设置。该厂房位于江苏省镇江市，抗震设防烈度为7度，设计中采用钢梁间压杆兼做柱顶压杆，钢梁间压杆标高比柱顶标高高380mm，用梁间压杆兼作柱顶压杆满足规范要求。当厂房设防烈度为8度及以上时，柱顶设置压杆会使结构体系整体性增强，有利于结构抗震。

4结论

混凝土柱实腹钢梁结构经济性能较好，适宜于中等跨度、轻型屋面、地震烈度较低地区的工业厂房。该类厂房设计实腹钢梁腹板高厚比要求除应满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的要求外，钢梁应进行两倍多遇地震组合作用下的补充计算。对于轻质外墙的厂房，当厂房纵向长度较长时，可以通过增强钢筋混凝土柱弱轴两侧钢筋的方法抵抗厂房的纵向温度应力，以实现厂房纵向不设置温度缝的目的。

参 考 文 献：

[1] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社，2010。

[2] GB 50009-2012 建筑结构荷载规范[s].北京：中国建筑工业出版社，2010。

[3] CECS 102：2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程

[4] GB50010-2010 建筑抗震设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社，2010。

作者介绍：姓名 徐清奎

工作单位 中国航空规划建设发展有限公司

职位工程师

学历 硕士