混凝土柱-钢梁门式刚架结构设计探讨

张锐

（广州博厦建筑设计研究院有限公司合巢分公司 安徽合肥 230041）

序言

近年涌现出大量类似门式刚架的混凝土柱加钢梁的单层厂房，门式刚架一般用于大跨度单层厂房，平面布置灵活多变，外表美观、施工方便、易维护、安装简单。但由于钢材价格的上扬，且各类防火涂料价格昂贵，导致不少业主要求将门式刚架中用量较多的钢柱改为混凝土柱。

类似门式刚架的混凝土柱加钢梁是一种新型结构，现行国家规范、规程[1～4]均未明确指出其设计方法和构造要求，如变形限值、节点连接构造等，使得设计方案各异，尤其因工程承包价的进一步降低，使得此类结构在使用过程中出现许多问题，如钢梁挠度过大、柱头混凝土松动破坏等，甚至发生厂房倒塌事故。

在相关结构论坛以及实际工程设计中也出现了不少针对混凝土柱加钢梁这种组合结构设计的争议[5～6]，表明此类结构形式引起了不少结构设计工程师的关注与讨论。本文以一实际工程为背景，详细讨论了此类结构的荷载取值、关键构造、建模计算及控制标准等问题，其讨论及分析可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程背景

某工业园主要由1栋办公楼和10栋工业厂房组成。厂房均采用框架结构体系，竖向构件采用混凝土柱，屋顶纵向采用变腹板高度连续钢梁，屋顶沿柱网长跨方向为混凝土框架梁。厂房内布置吊车，吊车梁采用实腹式钢吊车梁。建筑效果如图1所示。厂房A5、A6的结构体系类似，以下主要讨论比较有代表性的厂房A5。

1.2 与传统门式刚架对比

厂房A5典型的混凝土柱-实腹梁结构布置形式如图2所示。单层标准工业厂房，单跨24m，柱距8.4m，设1台8t吊车，建筑面积约3300m2，基本风压为0.55kN/m2，地面粗糙度为B类，基本雪压为0.5kN/m2，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，建筑场地类别为Ⅲ类。

图1 厂区建筑效果

厂房沿长跨方向布置混凝土梁，与混凝土柱形成框架结构，沿短跨方向布置实腹钢梁。可以发现其存在的结构类型元素有：沿长轴横向为典型的混凝土框架结构；沿短轴纵向，水平构件和竖向构件顶部铰接形式则与排架（铰接框架）平面内受力相同；横向钢架与纵向混凝土框架共同架起轻型钢结构屋盖；外形相似于门式刚架轻型钢结构（山形轻钢结构框架）。门式框架和排架结构属于平面受力结构形式，只能抵抗平面内的各种荷载作用，平面外的荷载则需支撑体系解决；框架结构一般指双向均由框架承受水平作用。显然该整体结构不属于传统框架结构、排架结构和门式轻型刚架中的任何一类。

图2 结构平面布置

本结构的横向水平力由排架结构承受，纵向水平力由框架结构承受，屋面竖向荷载由大跨钢梁与混凝土梁共同承受。对于24m跨度中间的墙面抗风问题，以增设混凝土框架柱的方法解决。

2 荷载取值

此类结构的屋盖大梁属于简支连续钢梁结构，其自身特点决定了屋盖构件比较薄柔，结构冗余度较少，属于风雪敏感型结构。由于结构形式不明确，所以在设计过程中荷载的取值按哪一本规范来执行，许多设计人员也是做法不一。因为在《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB 51022-2015）中对屋面恒活载和风荷载的取值都做了相应的规定，但是这两本规范、规程中相应荷载的取值又是不尽相同。

图3 钢梁于混凝土柱上布置

2.1 恒、活载的取值

屋面结构形式属入压型钢板轻型屋面。屋面恒荷载初步设计时依照统计经验：钢梁自重另行计算，单层彩色压型钢板加保温棉取0.20kN/m2，双层彩色压型钢板加保温棉取0.25kN/m2，檩条、水平支撑系统取0.1kN/m2，吊挂电器设备、消防水喷洒管道等悬挂荷载取0.1kN/m2。对于受荷水平投影面积大于60m2的刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取0.3kN/m2和雪荷载中的较大值。对于檩条和压型钢板，屋面竖向均布活荷载的标准值仍取0.5kN/m2。

值得注意的是，相关统计表明，近年历次暴雪天气均给大量的轻钢厂房带来严重的破坏，甚至是不可修复的毁灭性破坏。抛开天灾因素，更多的是设计人员对雪荷载值及分布系数的不正确评估。GB 50009-2012对关键部分的取值大多比较模糊或根本没有规定：①对轻型屋盖这样的雪敏感结构，建议基本雪压应比50年一遇基本雪压适当提高，至于提高多少，规范未明确规定；②对多脊多跨屋盖，有一个从V字型高处往低处的滑雪效应问题，目前我国规范亦没给出相应公式；③檩条计算时显然不能套用主钢梁的积雪分布模式、堆雪效应，规范亦没有给出公式。本工程设计时主要基于2点考虑：a.与建筑设计人员协调，减小女儿墙高度以减小堆雪效应，避免造成积雪过深；b.正确评估积雪荷载值及分布系数，避免误取或少取，适当增大安全储备，本工程荷载值取0.5kN/m2，100年一遇的荷载。

2.2 风荷载取值

风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值，主要与建筑物的体型和尺寸有关。由于目前国内设计规范主要有两本：《荷规》（GB 50009-2012）和《门规》（GB 51022-2015），存在某本规范对一些房屋形状缺乏规定而能在另一本规范中找到类似比照，造成设计、审图及一些设计软件中的某些参数取值出现混乱。由于钢屋面荷载比较轻，其对风荷载是比较敏感，因此钢梁的设计，按《门规》来取风荷载较合适；而对混凝土柱的设计则须按《荷规》来取风荷载，这样设计偏于安全。

3 关键构造

3.1 模型建立屋盖结构钢梁与柱顶的连接

梁与柱的连接可分为刚性、半刚性及铰接连接。门式刚架结构中的钢梁与钢柱都采用刚接连接，而钢梁与混凝土柱刚接，现有的研究和实例都表明这种连接会带来不安全的后果。这是因为：①由于钢梁为延性较强材料，混凝土是一种脆性材料，虽然节点可以通过配筋承受弯矩和剪力，但抗拉、抗冲切性能很差，外力作用下很容易松动和破坏；②刚接节点的设计和施工均较复杂，一旦连接松动，钢梁将会受到比设计内力大很多的弯矩；③从经济角度考虑，铰接连接时柱不受弯矩影响，柱的断面配筋较钢筋混凝土框架柱小很多。因此，本工程设计梁采用连续梁模型，连续梁于柱上采取简支铰接连接。

3.2 檩条设计及拉条布置

《门规》对防檩条失稳做出了比较明确的规定，即大于4m跨度的檩条应加拉条，大于等于6m应加2道拉条，但对于拉条是设在上翼缘或下翼缘未规定。以往设计时，在跨度大于4m且屋面板较重时，檩条在恒、活作用时上翼缘失稳，可仅布置1道靠上翼缘位置的拉条，如图4a。本设计中在风荷载体型系数较大的屋盖周边部分设置双层拉条抵抗可能出现的上、下翼缘失稳，如图 4（b）。

图4 檩条上拉条布置的位置

4 模型计算及控制指标

4.1 模型建立

结构整体分析和设计采用了PKPM软件。基于现实软件的分析能力，本工程在PKPM计算时主要从两个思路出发：①空间结构协同分析时，将上部结构折算成等效刚度和等效质量作为下部空间结构分析时的条件；②钢梁屋架分析时提取单榀结构，将下部混凝土当作上部结构分析时的条件。具体操作为：钢梁采用在STS中平面建模和SATWE计算的方法；整体采用PMCAD建模，整体指标采用SATWE计算，并对混凝土构件进行配筋。单榀计算结果如图5所示。

4.2 钢梁挠度限值

混凝土柱-连续钢梁结构中钢梁正常使用状况下的挠度取值是目前争议比较大的问题。表1为两种规范对钢梁挠度限值规定的比较。

显然，《门规》出于自身特点和经济的考虑，放松了斜梁的挠度限值。本工程比较折衷的取值是参照《钢规》中8.6.3条无悬挂吊车的屋架或附录1.1中规定的其他梁的挠度允许值即L/250，且取值不大于L/240，该值比门式刚架的1/180更为严格，但由于是轻型屋面，受力不大，施工时还可起拱来调节挠度，较之钢规的主梁挠度限值1/400要宽松，亦略宽松于无悬挂吊车屋架的L/250，经济性比较好。图6为STS软件计算的变形结果，挠度基本控制在跨度的1/240以下，满足设计要求。

表1 门规与钢规挠度限值规定的对比

图5 STS计算结果

图6 STS钢梁计算恒+活荷载作用下的挠度

5 结语

混凝土柱-钢梁结构兼具门式刚架跨越能力强及混凝土结构经济性较好的优点，适合于厂房结构。钢梁与混凝土柱顶应采用铰接连接。此类结构属于风雪敏感结构，方案及初步设计时要尽量采取降低风雪影响的因素，结构设计时要充分考虑不同的荷载分布形式，必要时参照国外规范规定。该结构体系可采用现有计算设计软件进行分析，设计时必须予以高度重视，明确其受力特点，荷载合理取值，严格限制该结构体系的变形等，才能使相关的工程设计合理安全。