混凝土柱—钢梁结构体系设计探讨

李 坤

(安徽省城乡规划设计研究院，安徽 合肥 230022)

0 引言

门式刚架轻钢结构因其自身特有的优越性，在我国单层工业厂房中得到了广泛的应用。近年来由于降低造价或防火、防腐的需要，很多业主要求采用混凝土柱—钢梁结构这一新型结构体系[1]。混凝土柱—钢梁结构体系与门式刚架轻钢结构相比较，可以节省钢材和降低防火、防腐费用；与传统的排架结构(三角形或梯形钢屋架)相比较，混凝土柱—钢梁结构造型简洁，加工和维护更方便。

混凝土柱—钢梁结构在现行的国家、行业设计规范中并没有明确相应的设计方法和构造要求。笔者通过对相关文献的比较分析，结合工程设计实践，探讨一下这种新型结构体系的设计要点。

1 结构形式和结构分析

1.1 结构形式

混凝土柱—钢梁结构体系的柱采用钢筋混凝土柱，屋面梁采用实腹式斜钢梁，屋面采用轻型屋面体系。由于混凝土柱与钢梁的连接很难实现刚接，所以一般钢筋混凝土柱与钢梁的连接采用铰接形式，混凝土柱底采用刚接连接[2]。

混凝土柱—钢梁结构刚开始出现的时候，由于现行的国家、行业设计规范没有对这种新型结构体系的受力分析、变形限值及板件的宽厚比等做出专门规定，一些设计人员将其与门式刚架轻钢结构混淆，进入设计误区：例如参考单跨门式刚架轻钢结构，将混凝土柱—钢梁结构中的大跨度钢梁两端通过两个锚栓固定在混凝土柱顶(典型的铰接构造)，建模计算按照梁端刚接将钢梁设计成梁端截面大、跨中截面小的变截面梁，并且钢梁的挠度限值按照门式刚架轻钢结构的限值控制，做出了不少存在安全隐患的结构设计。

1.2 结构分析

一般的门式刚架轻钢结构的边刚架柱与钢梁采用刚接连接形式；混凝土柱—钢梁结构体系一般钢筋混凝土柱与钢梁的连接采用铰接形式。连接形式的不同，导致了二者受力状态存在很大的差异。设计时不能简单的将门式刚架的钢柱替换为钢筋混凝土柱，应根据受力情况的不同而采取有针对性的设计[2]。

对于典型的单跨混凝土柱—钢梁结构，其力学模型为混凝土柱上的两铰直线拱。这种两铰直线拱可以是带拉杆的，也可以是不带拉杆的，对于跨度不大于24 m的混凝土柱—钢梁结构一般设计成不带拉杆的两铰直线拱[1]。混凝土柱—钢梁结构的斜钢梁不同于一般的简支钢梁，由于坡度的存在(坡度一般取1/12～1/5)，其不仅承受弯矩、剪力，还承受一定的轴力，所以梁端对混凝土柱存在一定的水平推力。

2 结构设计

2.1 荷载取值

混凝土柱—钢梁结构的风荷载和雪荷载可以按照GB 50009—2012建筑结构荷载规范取值。由于轻钢屋盖结构属于对雪荷载敏感的结构，雪荷载经常是控制荷载，极端雪荷载作用下容易造成结构整体破坏，所以混凝土柱—钢梁结构的雪荷载应采用100年重现期的雪压。此外，混凝土柱—钢梁结构在檐口、山墙处一般都设置女儿墙，在女儿墙附近积雪容易堆积，造成局部雪荷载增大，因此雪荷载还应参照GB 50009—2012建筑结构荷载规范、GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范考虑屋面积雪的不均匀分布对钢梁及檩条的影响，靠近檐口女儿墙处的檩条应加密，端开间靠近山墙处的檩条应加强。

2.2 构件及支撑的设计

屋面斜钢梁的设计是混凝土柱—钢梁结构设计中最具有争议的地方。与屋面斜钢梁设计有关的国家设计规范有两个：一个是GB 50017—2017钢结构设计标准，另一个是GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范。对于混凝土柱—钢梁结构的斜钢梁，一些设计人员认为完全可以按照GB 51022—2015进行设计，并且取L/180(L为钢梁跨度)作为钢梁的挠度限值，取3 m(隅撑间距)作为钢梁的平面外计算长度，实际上这种做法是不合适的。

文献[2]认为：钢梁应满足钢结构设计规范的相关要求，局部稳定应满足钢结构设计规范、抗震设计规范的要求。挠度控制，在有经验的情况下可较钢结构设计规范的挠度控制指标(L/400)适当放宽。文献[3]认为：钢梁挠度按L/250控制；钢梁的翼缘宽厚比、腹板高厚比按GB 50017—2003钢结构设计规范计算。

笔者认为：混凝土柱—钢梁结构的斜钢梁，无悬挂吊车时挠度限值取L/250，有悬挂吊车时挠度限值取L/400，是比较合适的，理由如下：1)L/180这个挠度限值最初来源于门式刚架轻钢结构，这个限值比GB 50017—2003要宽松，是因为考虑了围护面板应力蒙皮效应的有利影响，而混凝土柱—钢梁结构的蒙皮效应是比较弱的。虽然GB 50017—2017附录B新增规定：仅支承压型金属板屋面和冷弯型钢檩条的受弯构件挠度限值可取L/180。但笔者认为这条新增规定适用于纯受弯简支钢梁，而对于支承在混凝土柱顶的压弯构件，考虑到梁端推力作用下柱顶水平位移的不利影响，挠度限值取L/180偏于不安全。2)考虑到轻型屋面体系对钢梁挠度不是非常敏感，在无悬挂吊车时挠度限值较L/400可适当放宽，取L/250比较合理。

此外，笔者认为：对于采用轻型屋面的混凝土柱—钢梁结构，文献[2]规定的钢梁局部稳定应满足抗震设计规范的要求，过于苛刻，不便于执行；文献[3]规定的钢梁翼缘宽厚比按照GB 50017取值基本是合理的，但是钢梁的腹板高厚比取值偏于保守，未考虑腹板屈曲后强度的利用，所以钢梁腹板将设计的比较厚，经济性较差。一般来说，板件的宽厚比对于翼缘是不允许突破的，即钢梁翼缘的宽厚比应按照现行的GB 50017—2017钢结构设计标准中S3级截面进行设计；而对于腹板的板件宽厚比(高厚比)是允许突破的，可以按有效截面计算，考虑腹板屈曲后强度的利用，从而将钢梁设计的安全、经济。对于钢梁考虑腹板屈曲后强度的利用，文献[4]也持有与笔者相同的观点。

由于钢梁对混凝土柱的约束反力大小与混凝土柱自身的刚度有关，为反映真实的内力情况，当采用STS软件对混凝土柱—钢梁结构进行单榀建模计算时，应将混凝土柱与钢梁整体建模分析。当工字形变截面钢梁时，应特别注意：需要按照门式刚架规范对钢梁承载力进行校核，以考虑轴力的影响与变截面梁的稳定计算[2]。钢梁平面外计算长度取屋面支撑、系杆间距，不应取隅撑间距。

混凝土柱—钢梁结构的柱子可以按照GB 20010—2010混凝土结构设计规范(2015年版)设计；屋面檩条可以按照GB 51022—2015中檩条的相关条款进行设计；柱间支撑和屋面支撑可以按照传统的轻钢屋面排架结构进行设计，本文不再详述。

2.3 支座节点的设计

钢梁与混凝土柱的连接一般采用完全抗剪构造的铰接形式。这种连接是在梁端设置抗剪键，把梁端的推力以剪力的方式传递给混凝土柱，典型的钢梁支座节点如图1所示。

3 工程实例

某单层单跨厂房，跨度24 m，开间6 m，采用混凝土柱—钢梁结构体系，钢梁材质Q235B，抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度为0.05g，基本风压为0.35 kN/m2(50年重现期)，基本雪压为0.60 kN/m2(100年重现期)。钢梁截面高度由挠度控制，计算简图及钢梁抗弯强度应力比如图2所示，图2中左边是不考虑轴力影响的抗弯强度应力比，右边是考虑轴力影响的抗弯强度应力比。从图2中可以看出：轴力对钢梁的影响不容忽视。

4 结语

通过比较分析，笔者认为混凝土柱—钢梁结构中的斜钢梁可以按照GB 50017—2017钢结构设计标准进行设计，腹板可以考虑屈曲后强度，并且应按照GB 51022—2015对钢梁承载力进行校核以考虑轴力的影响，否则可能存在安全隐患。