建筑混凝土结构与钢结构设计中的特点和方法

李军林

0 引言

某工业厂房的主体结构为三层，该厂房的长度是13m，宽度是42m，总建筑面积是16 300m。在该工业厂房的建设施工现场，其主要的土质组成部分包括带有卵石的砂粒、粉质黏土以及淤泥质黏土等，其厚度在35～39m 之间。通过各方面因素的综合考虑，在本次工程设计中，将该工业厂房的风压设计为0.6KN/m，将其抗震设防烈度设计为7 度。本次工程项目的工期是半年，具体施工中，需要在45d 之内完成整体建筑工程施工方案及其施工图纸的设计；在两个月之内完成地面处理和基础施工；在75d 之内完成整体工程的上部结构施工，并做好竣工交付。由于工期比较紧，所以在对其钢结构以及混凝土结构进行设计的过程中，设计者一定要确保设计工作的准确性和快速性，尽最大限度避免由于设计不当而导致的工程变更甚至返工情况，让整体工程施工质量及其进度得以良好保障。基于此，本文就对该工业厂房建设项目中的钢结构以及混凝土结构组合设计进行分析。图1 是本次所研究的某工业厂房整体效果图。

图1 本次所研究的某工业厂房整体效果图

1 建筑工程中的钢结构和混凝土结构主要特点

就目前的房屋建筑工程来看，钢结构和混凝土结构是最为常见的结构形式。经实践应用与分析发现，无论是钢结构还是混凝土结构，都会具备一些独特的优势与不足。以下是对这两种结构形式的主要特点所进行的分析。

1.1 钢结构特点

在建筑工程中，钢结构的主要优势特点包括以下几个方面：

1.1.1 抗震性

因钢材的塑性及其韧性都非常好，可让整体建筑结构得以优化，使其抗震性能得以显著提升，从而有效延长整体建筑工程的使用寿命。

1.1.2 抗裂性

相比较传统的砖石结构而言，钢结构所受的温度影响较小，不容易开裂，且能够对承重墙的压力进行分担，从而进一步降低墙体开裂概率，具有良好的抗裂性能。

1.1.3 耐久性

与传统的木质结构和砖石结构而言，钢结构具备更好的耐腐蚀能力，且具有良好的保温隔热效果，可进一步提升整体建筑的耐久性。

1.1.4 施工便捷性

通常情况下，钢结构施工应用的都是钢构件现场拼装形式，整体的施工都可通过机械化的方式完成，且施工操作十分简单便捷，可在确保整体建筑施工质量的同时进一步提高施工效率。

但是就实际的应用与分析发现，钢结构也存在一定的不足，首先，钢结构的造价比较高；其次，钢结构的防火性能不够好，对保温隔热材料的要求更加严格。

1.2 混凝土结构特点

就目前的建筑工程来看，其混凝土结构的主要优势特征包括以下几点：

（1）耐久性和耐火性，相比较其他结构而言，混凝土结构具有更好的耐久性和耐火性，并不需要经常进行维修和保养。

（2）具有较好整体性，可有效提升建筑工程的整体荷载，并提升其美观性。

（3）可塑性，具体应用中，混凝土构件的形状可以按照实际需求进行灵活设计，且无论是怎样的构件形状，都可以通过混凝土浇筑技术来实现。

但是，在混凝土结构的具体应用中，也会存在一定的弊端，首先，混凝土自身重量比较大，很容易开裂，且不具备足够的抗压性能，其施工也会受到季节和天气因素的影响，一旦混凝土结构出现了问题，其修复难度将很大。

通过上述分析可知，在建筑工程中，钢结构以及混凝土结构都具备很多的独特特征，因此，如果能够将这两种结构结合应用到建筑工程建设项目中，让各自的优势得以有效发挥，便可达到良好的取长补短效果。基于此，在本次的工业厂房建设项目中，便对钢结构和混凝土结构进行了组合应用。本文便是对该建筑工程项目中的钢结构和混凝土结构组合设计所进行的分析。

2 建筑工程中的钢结构和混凝土结构设计注意事项

在对建筑工程中的钢结构以及混凝土结构进行设计的过程中，设计者需要对风荷载以及重力荷载等加以充分考虑，这样才可以有效确保整体工程结构质量，满足建筑工程后续的实际应用需求，为其提供良好的质量与安全保障。因此在具体的结构设计中，设计者需要对以下两个方面的影响因素做到足够重视。

2.1 水平风荷载对屋盖和网架的影响

在通过钢结构与混凝土结构组合的形式进行建筑工程项目设计的过程中，其钢结构屋盖的支撑类型主要有两种，一种是上弦支撑，另一种是下弦支撑。在上下支撑形式的钢结构屋盖应用中，其高度不应超过柱子高度，因此在具体的设计过程中，设计者并不需要对水平方向的风荷载加以考虑。而在下弦支撑形式的屋盖应用中，需要在其周边进行封板设置，在这样的情况下，设计者就需要对水平方向的风荷载对于屋盖所产生的影响进行分析。一般情况下，工业厂房中的钢结构屋盖跨度应控制在20～50m 之间，其高度应控制在3～4m 之间，跨度和高度之比应控制在1 :13～1 :16 之间。经相关研究分析可知，建筑物的风压以及风振系数将会受建筑物自身高度所影响，建筑物自身的高度越大，风荷载对其产生的影响也就越大。

在通过PKPM 这一软件对该建筑工程进行模型搭建的过程中，设计者需要对网架高度做到充分考虑，并以此为基础，对风压以及柱底弯矩进行科学计算，通过这样的方式，才可以让建筑物模型得以精准构建。另外，以因为平板网架的布置方法通常会选择满跨形式，而在对立面是S 型横向网架进行布设的过程中，设计者需要用四个半跨活荷载的方式来进行布设，这样才可以有效降低水平方向上的风荷载对建筑网架的不利影响，尽最大限度确保整体建筑的风载性能。

2.2 屋盖结构形式对下部混凝土结构的影响

在对建筑工程中的钢结构进行设计时，如果其钢结构屋盖的跨度在20m 以内，则需要将其设计为轻型钢结构；如果其跨度在20m 及以上，则需要将其设计为管桁架或者是网架结构。在对受力以及成本等各方面因素进行综合考虑的情况下，在下部整体结构的设计中，最好将其设计为钢结构和混凝土结构相结合的形式，将轻型夹心隔热板以及钢框架结构形式的墙体、屋面进行合理搭配，楼板钢筋以及混凝土浇筑振捣等的施工可分别完成。基于此，本次工程便通过此种形式进行了厂房下部结构设计。根据工业厂房的实际应用需求，在本次工程项目中，将厂房的平面尺寸设计为130m×42m，将开间尺寸设计为20～6.5m，将主梁跨度设计为4×10.5m，将次梁间距设计为2.1m，将组合盖板跨度设计为2.1m。

3 建筑工程中的钢结构和混凝土结构组合设计

在明确了主要设计形式与设计中需要重点考虑的影响因素之外，设计者就需要根据实际的工程概况、结合实际的建设及其应用需求，对钢结构和混凝土结构组合形式的工业厂房进行设计。具体设计中，其主要的内容包括四个方面：（1）网架和管桁架设计。（2）屋盖网架支座设计。（3）屋面板和组合楼板设计。（4）钢柱和混凝土结构设计。

通过合理的方法来进行这四个方面的设计，便可有效确保钢结构以及混凝土结构设计的合理性，从而为本次工业厂房项目的后续施工奠定良好基础，在确保整体工程施工质量的同时尽量提升其施工效率，以此来确保本次工程的如期完工。以下是对这四个方面的设计方法所进行的分析。

3.1 网架和管桁架设计

在对网架进行设计的过程中，设计者需要做好螺栓球的球孔定位工作，尽可能做好其误差控制，通过这样的方式，才可以让网架安装中的偏差得到良好控制。通过管桁架的形式对钢结构屋盖进行设计的过程中，设计者则需要对相贯线的切割工序加以严格把控，因为管桁架自身的安全储备更大，且比网架结构的防腐性能更好，所以在中级腐蚀条件下，钢结构屋盖最好应该通过管桁架的方式进行设计，而在腐蚀条件比较弱的情况下，则可以采用网架的形式来进行钢结构屋盖设计。经本次工程施工现场环境条件的分析、结合该工业厂房的实际应用判定，该工业厂房屋盖所处环境为弱腐蚀环境，因此在具体设计中，其钢结构屋盖选择的是网架结构。

3.2 屋盖网架支座设计

在对钢结构屋盖网架进行设计的过程中，设计者需要对屋盖吸力方面的影响加以综合考虑，以此来对其支座的受压情况及其受拉情况作出科学判断，同时确定出其锚固长度。对于较大跨度的网架部分，需要将滑动支座和橡胶支座分别设置在网架的四角和中间位置，以此来达到良好的网架固定作用。在滑动支座的制作过程中，需要求网架生产制造单位在橡胶板上安装聚四氟乙烯划片，以此来实现温度应力的有效释放。

3.3 屋面板和组合楼板设计

在对钢结构和混凝土结构结合形式的工业厂房屋面板以及组合楼板进行设计的过程中，设计者应该从挠度设计这一环节着手。因屋面板具有比较小的厚度，如果挠度设计太大，便会使其积水深度增加，从而增大屋面板受到的荷载，基于此，在屋面板设计中，设计者一定要对其挠度进行合理设计，使其与实际工程相符。对于夹芯板材料，主要可选择岩棉板和玻璃面板等，从而让屋面获得良好的保温隔热效果。根据防火隔热方面的实际需求对夹芯板厚度加以确定，为避免燃烧中的有毒气体释放，具体设计中，不可将苯板用作保温材料。在屋面板搭接设计中，考虑到防水环防渗要求，其主要的搭接方法可按照以下三种进行设计：

（1）穿透式搭接，在屋面板上的雨水渗漏处用螺钉固定；

（2）暗扣式搭接，通过高强板来抵御台风，该搭接方法在屋面坡度较小的情况下适用；

（3）直立锁边式搭接，通过360°锁边形式的低强度钢板来进行防水防渗搭接。具体设计中，设计者还需要根据施工设计要求以及实际的工程特征对屋面板进行灵活设计，使其防水、防渗和抗台风等作用得到良好保障。在对组合楼板进行设计的过程中，需要借助于计算软件对其跨中抗弯强度进行计算。通过这样的方式，才可以实现组合楼板的合理设计。

3.4 钢柱和混凝土结构设计

因本次工程的施工进度要求比较严格，所以在具体的设计中，为实现施工进度的良好保障，将部分的混凝土柱用H 型钢柱焊接的形式来取代。在对此类结构进行设计的过程中，设计者一定要对钢柱所具有的水平侧刚度加以重点考虑，使其水平侧移量与工程的实际设计要求相符，同时应结合具体的抗震设计来计算钢柱的长细比。在对钢和混凝土组合形式的结构进行设计时，设计者需要将其中的刚性板厚度控制在6mm 以上，使其稳定性与实际的工程设计相符，同时应将框架梁体的横截面宽度控制在30cm 以上，这样才可以让框架对于节点具有更好的限制作用。对于混凝土强度，需将其控制在C30 以上，以此来实现整体建筑结构性能的进一步强化。在此过程中，设计者也需要对混凝土中的骨料加以严格控制，粗骨料的直径不可超过钢外部混凝土厚度的1/3，且不可大于25mm。通过这样的方式，才可以为后续的混凝土施工奠定良好基础，从而实现整体建筑工程结构体系的合理优化，让钢结构和混凝土结构组合形式的建筑工程结构体系发挥出充分的应用优势。

4 结语

综上所述，在现代化建筑工程结构的设计过程中，设计者需要对钢结构以及混凝土结构的主要特征加以科学把握，然后结合工程实际，对这两种结构进行组合应用。通过钢结构以及混凝土结构的合理设计与组合，不仅可使其各自的应用优势得以充分发挥，同时也可以取长补短，实现整体建筑工程结构性能的进一步提升。这对于钢结构与混凝土结构在建筑工程中的组合应用以及建筑工程行业的进一步发展都将具有非常深远的意义。