混合轻钢结构的设计探讨

刘 心

(大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097)

在工业建筑设计中，经常会出现钢筋混凝土框架结构+轻钢结构的“混合结构”，下面就“混合结构”进行几方面的阐述。

1 使用“混合结构”的原因

1)为了节省钢结构厂房防火涂料及防腐涂料。

在SH3137—2013石油化工钢结构防火保护技术规范中就列举了钢结构需要做防火的范围。其中：“单层钢结构厂房：采用轻型屋面时，地面以上10 m内的柱、柱间支撑、框架梁均应做防火保护；多层钢结构厂房：地面以上10 m范围的柱、柱间支撑、框架梁及设备梁需要做防火。同时规范还对构筑物防火范围也提出了要求”。对于钢构总量多，防火面积大的厂区，防火成本也是一笔不小的开支。

另外，防火涂料施工一般分为喷涂和抹面两种。若采用喷涂的方法，有时会污染已经完成的设备及其他；若采用抹面防火的形式，成品保护及施工质量(高空作业)难以保证。

同时在石油化工厂设计中，钢结构基本上都是按照中等腐蚀性来考虑，经过除锈后的钢构需要底涂，中涂，面涂，使漆膜的总厚度大于150 μm,防腐的成本也是需要考虑的因素之一。

2)全钢结构设计仍不普及，钢结构的计算及画图麻烦。

一些设计院比较擅长混凝土结构的设计，考虑钢构设计有时比较繁琐和麻烦，节点绘制比较多。

3)为了满足建筑功能的需要。

4)业主特殊需求或设备布置特殊等。

有时业主坚持使用混凝土结构，可能是为了和原有类似结构形式一致，或认为混凝土结构更安全。有时，因为有非常沉重或振动的设备，采用下部为混凝土结构形式更合理。

2 混凝土柱+钢屋盖的单层厂房设计分析

此种结构类型在工业建筑的设计中较多出现。但是，这种结构形式并没有明确的规范指导当前的设计。

从构造上说，钢梁和混凝土柱子的节点刚接和铰接都可以。一般来说，有三种设计方法：

1)完全抗剪支座：两端都设置抗剪件。这样钢梁挠度小，梁截面小，混凝土柱配筋比较大，柱头位移比较大；

2)完全不抗剪：钢梁按简支梁设计。钢梁挠度大，梁截面偏大，混凝土柱配筋比较小，柱头位移比较小。这样做，使混凝土柱在平面内没有约束，混凝土柱实际是悬臂柱；

3)不完全抗剪：支座介于二者之间，结构相应也介于二者之间。具体做法就是有限释放支座位移。安装屋面钢梁时，先不固定一端支座，螺栓孔开为长圆孔。屋面恒载产生的钢梁推力可以通过位移来释放掉。

如果是在混凝土柱子上做钢屋架，是可行的。在国标图集《梯形钢屋架》(05G511)里，屋架最大跨度为36 m，如果厂房的跨度不大于36 m，可以套用图集。因为屋架产生的水平推力由屋架下弦承担，对下部结构的推力没有或很小。而如果用实腹式钢梁，钢梁产生的水平推力需要依靠下部结构来承担。下部的混凝土柱根据节点连接的方式不同，会产生不同情况，受力和配筋都有所不同。若混凝土柱子做的很大，就可以完全抵抗钢梁的水平推力了。

具体刚接做法：把斜梁用竖放端板与混凝土柱中的预埋螺栓连接，以形成刚接。

节点固接的优点在于钢梁两端为固接,对于小跨度结构,可直接采用型钢,且用钢量较小(相对于采用变截面钢梁)。可以使层高减小，既满足工艺要求，又节省用钢量。

节点的铰接可以按排架结构来计算。具体做法可以有如下两种形式：

1)螺栓铰接，螺栓孔可以只作为长圆孔，竖向力直接传递给混凝土柱，水平力释放通过长圆孔实现。

2)一端铰接，一端滑动支座。

如结构跨度较小，门型架钢梁底面可以将底面平面放置，减小水平力的作用。

对于钢梁与柱节点铰接，又会出现问题，就是当跨度很大的时候，可能会出现由挠度控制的情况，而按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，挠度控制为1/180，而按照《钢结构设计规范》则最少要套用次梁的1/250，选择哪本规范，还是一个问题，有待进一步考虑，现在只能是具体问题具体分析。

3 混凝土框架上+钢框架结构

混凝土框架上+钢框架结构，存在弹性模量，截面特性，阻尼比不同等问题，所以在抗震设计时可采取如下措施来考虑并解决该问题：

1)按照GB 50011—2010建筑抗震设计规范(以下简称《规范》)条文说明5.1.1条第3款，我们把此混合结构按“不规则结构”分析，并在SATWE抗震信息中选择“不规则”，并“考虑偶然偏心”和“双向地震作用”，取两者的不利结果。分析结果符合《规范》3.4.3条和3.4.4条。

2)结构分析采用空间分析，受力较为明确。在满足工艺使用的同时，传力路线也较为合理。并且,所有钢构平台梁与柱接头均采用铰接，在混凝土柱分析配筋结果时也未考虑钢构层对其的有利影响。

3)阻尼比可按《规范》8.2.2条取值，放大地震作用效应。

4)按照《规范》条文说明5.2.2条，我们将振型个数适当增加，保证振型参与质量达到总质量的90%以上。

5)按照《规范》5.2.4条及条文说明，突出混凝土顶层的钢构层，在振型分解法分析中应该将其视为结构的一部分，按独立质点考虑。PKPM计算软件中采用的就是振型分解法。

至于钢柱与混凝土柱是刚接还是铰接，同钢梁与混凝土柱的节点一样，从构造上讲都没有问题。铰接控制整体稳定比较难，刚接则节点稍难处理。刚接要求混凝土柱的截面尺寸会更大，柱头的配筋更密。若按刚接，下段混凝土柱子会通过上段柱子受到屋面横梁的约束，计算长度能减小，不再按照悬臂柱计算。

4 结语

本文浅谈了“混合结构”的一些设计理念和具体做法，供大家参考讨论。工业建筑结构类型较多，工艺要求复杂，设备体积大，重量大，会有防火，防腐等各种要求，如何把结构设计的更加合理恰当，是我们今后继续努力思考的问题。

[1] GB 50191—2012,构筑物抗震设计规范[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震设计规范[S].

[3] CECS 102：2002,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].

[4] SH/T 3147—2014,石油化工构筑物抗震设计规范[S].

[5] 姜学诗.钢结构房屋结构设计中常见问题分析[J].建筑结构，2003(6):3-5.

[6] 陈绍藩.单层房屋钢支撑体系的内力和杆件计算[J].建筑结构，2007(11):89-91.