钢筋混凝土柱——轻钢屋面的设计分析

马晓婷

铜陵有色设计研究院有限责任公司（244000）

钢结构中的门式刚架轻型钢结构屋面，结构简单、自重较小且刚度良好，施工方便，使用空间大。但由于某些厂房对防火、防腐有特殊要求，工程中也会采用混凝土柱-轻钢屋面结构的型式。 混凝土柱+轻钢屋面结构综合了混凝土结构和钢结构的优点，可承载大吨位吊车，具有防火性能好、施工速度快、耐久性好等特点，得以广泛使用。

现行规范中对此类结构未明确其设计方法和构造要求，因此本文通过某铜矿副井提升机房设计实例，综合分析此类结构关键构造、荷载取值、建模计算及控制标准等问题。

本工程的轴网尺寸为18 m×18 m，柱距为6 m，跨度为18 m，厂房高度为15 m；两边有两个附跨，为配电室和设备用房， 主跨内设55 t 桥式行车；工程所在地为7 度（0.1 g）抗震区。 由于其吊车荷载大、防火要求高，选择混凝土柱-轻钢屋面结构形式较为经济安全。

1 结构分析

对于单层厂房计算，目前国内使用较多的商用软件是PKPM 系列STS 程序，以平面框排架计算为主。 本工程采用STS 及工具箱结构计算软件，完成模型输入、结构计算、强度和稳定性验算、节点设计等。

建模的顺序跟设计门式钢架一样，输入钢梁、混凝土柱，混凝土柱长度取到基础顶面。 混凝土柱与钢梁处的连接采用铰接，按简支梁来考虑。 由于门式钢架的梁柱连接为刚接，而本类结构采用铰接，连接形式的不同致使受力截然不同，因此分析建模参数输入设置考虑如下:

1）设计控制的结构类型更接近于单层厂房排架结构，应选择单层钢结构厂房，而不能采用门式钢架结构。

2）按照钢结构设计规范的相关要求进行设计。屋面钢梁采用实腹式钢梁，承载力验算按照门式钢架规程进行校核，以考虑轴力的影响与变截面梁的稳定计算，但局部稳定应满足钢结构设计规范抗震规范的要求。

3）选择轻屋盖厂房“低延性、高弹性承载力”性能设计（1.5 倍地震力作用），按此方法确定构件的宽厚比。

2 关键节点

1）梁柱连接。 梁柱连接节点分为刚接连接、半刚接连接以及铰接连接。 由于钢梁和混凝土柱两种材料的刚度相差较大，如果按照刚接连接，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，在外力作用下很容易松动和破坏，松动后钢梁将承担更大的弯矩，不能按照设计时的传力进行。 因此钢梁与混凝土柱连接宜为铰接，钢梁可按简支梁计算，设置抗剪键传递剪力。

2）钢梁连接。 跨度为18 m，选择双坡屋面，坡度为10%。 H 型钢梁中部拼接刚接，采用承压型高强螺栓连接，连接形式同门式钢架结构。

3）柱脚连接。 因厂房内有较大的桥式行车，吊车水平荷载较大，因此柱脚选择刚接，能够增加厂房横向刚度，减少下段柱弯矩。

3 荷载取值

在荷载的选取中，主要承受屋面荷载、风荷载及吊车荷载。 屋面采用彩钢板， 恒载一般选取 0.3 kN/m2，活载可按门刚规程选取为0.5 kN/m2。本工程为单坡双跨屋面，雪荷载需要考虑不均匀分布的情况。 同时，檐口处为女儿墙形式，因此在屋面檐口处需要考虑雪堆积分布。

对于风荷载的取值，GB 50009-2001《建筑结构荷载规范》和 GB 51022-2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（简称《门刚规范》）两者的差异较大，一般计算结果显示前者结果明显小于后者。 为了保障结构在极端气候情况下的安全性，根据门刚规程附录A 的要求进行计算。

布置吊车荷载， 主要由吊车竖向荷载标准值、吊车横向水平荷载标准值和吊车纵向水平荷载标准值组成。

地震作用下，《建筑抗震设计规范》第9.2.14 条规定单层钢结构重屋盖厂房在7 度（0.1 g）时抗震等级按照四级采用；第9.1.6 条规定:在7 度Ⅱ类场地， 柱高不超过10 m 且结构单元两端均有山墙的单跨厂房可不进行横向和纵向抗震验算。 《门刚规范》条文说明第3.1.4 条规定:在抗震设防烈度为7度（0.1 g）时可不做抗震验算。根据本工程实际情况，可不考虑抗震验算。 抗震构造措施按照规范执行。

4 其它构件

1）屋面结构体系由屋面钢梁、支撑体系、屋面檩条、拉条、撑杆及彩钢板组成，其计算及布置均可按照《门刚规范》要求进行布置和设计。

2）平面外计算长度可按两倍檩条间距来取。 本工程屋面板与檩条采用自攻螺丝连接，可认为屋面板与檩条有可靠连接。

3）墙面围护结构为加气混凝土砌块，可采用墙梁传递给混凝土柱的形式。

5 控制标准

1）横向刚度:GB 50017-2017《钢结构设计规范》（简称钢规）规定，风荷载作用下有桥式吊车的排架柱顶位移容许值为H/400；《门刚规范》规定，风荷载作用下有桥式吊车（吊车由地面操作）的刚架柱顶位移容许值为H/180。 钢筋混凝土柱-轻钢屋面结构的柱顶位移，因为其梁柱节点的连接形式，屋面梁对结构位移的贡献较小。 为保证厂房的正常使用和观感要求，除满足强度和稳定性的要求之外，还要保证足够刚度以避免使用过程中引起吊车卡轨等，因此可以按照单层钢结构厂房的要求执行。

2）受弯构件的挠度：《门刚规范》规定了仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条的挠度限值为L/180，同时规定由柱顶位移和构件挠度产生的屋面坡度改变值不应大于坡度设计值的1/3。 这一点主要从屋面排水角度等实用角度考虑，按照L/180 控制，遇到特大雨时，钢梁局部挠度可能过大，进而导致排水不畅。 《钢规》规定了屋盖主梁受弯构件挠度限值为L/400，同时认为当挠度值大于L/250 时会影响观瞻。 显然，门刚规程出于自身特点和经济的考虑，相比于一般钢结构，放松了斜梁的挠度限值。 挠度控制是为了保证结构正常使用， 所以宜与屋面、檩条挠度控制相适应。 本结构综合两个规范，取无吊顶时L/250 为限值，保证不影响观瞻角度及排水通畅的同时，经济实用。

3）梁柱连接节点：根据计算所得内力，在工具箱中输入剪力、弯矩，重新计算节点，并勾选设置抗剪键，绘出施工图。 可看出，根据内力计算的节点可以直接绘出施工图，也更加准确、安全。

4）根据单层厂房排架结构计算得出的混凝土柱配筋，比较门刚程序计算的配筋，得出配筋包络图，绘出施工图。

6 结语

混凝土柱—钢梁结构兼具门式钢架跨越能力强及混凝土结构经济性较好的优点，适合用于厂房结构。 在设计时，要对其荷载取值、指标控制、风雪荷载敏感、屋面排水等进行综合考量，才能做到安全舒适、经济实用。