钢筋混凝土框架轻钢屋面结构设计思路分析

摘 要：随着经济快速发展，大跨度建筑越来越普遍，且为了符合业主对建筑经济性的要求，选择一个既经济又合理的结构是非常有必要的。本文结合工程实际需求，采用钢筋混凝土框架轻钢屋面结构，在设计过程中对钢筋混凝土框架轻钢屋面结构设计进行研究，分析了不同屋面结构形式、支座类型及屋面荷载选取对钢筋混凝土框架轻钢屋面结构设计的影响，最终选择适合本项目的结构形式，为类似工程提供经验借鉴。

关键词：轻钢屋面；网架；橡胶支座；球铰支座；屋面荷载

1 前言

伴随着我国经济的快速发展，大跨度建筑在生活中越来越常见，而轻钢屋面结构以其自重轻、抗震性能好、施工进度快、跨度大、屋面下部空间大等优点在大跨度建筑中广泛应用。而对于竖向构件，混凝土柱和钢柱对比，具有费用较低、耐火、耐久性能较好的优势，因此为满足甲方经济要求，设计上常采用混凝土柱加轻钢屋面设计的方法，即混凝土框架轻钢屋面结构。而常用的轻钢屋面有钢梁结构、桁架结构和网架结构，混凝土框架柱与屋面的支座类型有平板压力支座、平板橡胶支座和双向抗震球铰支座，且伴随着极端天气越来越多，积雪过多、超强台风等造成的轻钢屋盖破坏事故屡见不鲜。因此在此类结构设计中合理选择屋架、支座类型及屋面荷载对结构安全性也有很大的影响。本文结合具体项目浅谈轻钢屋面的设计思路，为后续相似工程设计提供一定的参考作用。

2工程概况

此次项目为河南省郑州市的某单层工业建筑，该建筑宽40 m，长66.2 m，建筑檐口高度18 m，屋脊高度为19 m，双坡屋面坡度为5%。为建筑功能需要，房屋中间不能设柱，因此结构的横向跨度达到40 m，同时，屋面结构下还设5 t悬挂吊车。根据经济需求，并结合建筑空间需求，采用混凝土框架轻钢屋面结构。

3结构关键技术分析

3.1屋面结构形式选取

工程中常见的屋面结构形式为钢梁结构、桁架结构和网架结构，结构形式详见图1。

各项研究指出[1-2]：钢梁结构主要应用于单层厂房屋盖，多见为单跨简支梁或多跨连续梁。钢梁和混凝土柱属于两种材料，连接节点处很难达到刚接要求，且施工难度大，很难实现，故一般情况下钢梁支座和混凝土柱顶应采用铰接。两端简支的梁式结构跨中截面高度较高，连续梁式结构支座及跨中部位截面高度相对较高，通常可结合建筑空间关系形成所需的结构高度。由于梁式结构主要是利用截面的抗弯能力，因此对结构高度的要求较高，一般适用于较小跨度屋面，跨度40 m以内可得到较为合理的经济性，随着跨度的增加将趋于不经济。

钢桁架结构最常采用的是平面桁架，在横向荷载作用下，其受力实质是格构式的梁，整个桁架是个受弯的构件组，上、下弦杆的轴心受压和受拉，剪力则表现为各腹杆的轴心受压或受拉，桁架需要有一定的空间结构高度才能满足抗弯要求。一般情况下，桁架两端与混凝土柱应采用铰接，桁架的高度可以随着弯矩大小渐变，故为取得较好的经济性，多采用梯形桁架结构形式，跨度一般为18 m～36 m。

空间网架结构具有空间受力的性能，是超静定的空间铰接杆系结构体系。网架结构用钢量少、刚度大、抗震性能好、施工安装方便、产品可标准化生产。网架结构适用于各种建筑平面，网架结构较为经济的适用跨度为20 m～100 m。

本项目由于建筑功能需求，柱网应布置在建筑周边，综上屋面结构形式进行比较，宜选择正放四角锥体空间网架结构，既经济又美观。网架受力采用周边支承，网架四周全部直接支承在周边的柱上，柱距8.4 m，网架的网格布置和柱距相匹配，详见图2。

3.2支座类型

工程中常用的支座有[3]：平板压力支座、平板橡胶支座和双向抗震球铰支座，详见图3。

平板压力支座为固定铰支座，可有限转动，受力明确可靠，可有效地传递梁端剪力和轴力至混凝土柱顶，施工简便易于操作，但因其水平、垂直方向不能移动，屋面结构因变形或侧移产生的水平力直接传递给柱子，造成柱子受力变复杂，增加其截面和配筋，所以一般适用于跨度较小屋面。

平板橡胶支座为多层天然橡胶与薄钢板镶嵌、粘合、硫化而成的支座产品，具有足够的竖向刚度和较大的剪切变形，既能将屋面结构反力可靠地传递给柱子，又能通过剪切变形实现水平位移，从而有效释放水平力，减小其对柱子的影响，这就很大地简化了柱子的设计，同时还能通过不均匀弹性压缩实现梁端的转动，所以适用于支座反力较大、有抗震和温度要求、水平位移较大，以及有转动要求的大、中跨度空间网格结构。

双向抗震球铰支座通过球面传力，不会出现力的缩颈现象，作用在支座上、下结构的反力比较均匀，不存在橡胶老化对支座的影响，使用寿命长。可直接承受竖向力和水平力，又能保证地震时结构不脱落，同时可适应径向、环向的位移要求和任意方向的转角要求，具有良好的减震性能。因此，本项目选择采用双向抗震球铰支座，设计时明确该支座的设计参数，如竖向承载力的大小、水平承载力的大小、抗拔承载力的大小、支座转角限值、水平弹性刚度要求等，厂家可根据设计要求进行生产。

3.3屋面荷载选取

轻钢屋面的荷载主要分为永久荷载和可变荷载。永久荷载包括屋面做法和屋盖构件自重，而可变荷载则要重点关注其中的雪荷载和风荷载。积雪过多将轻钢屋盖压塌的事故屡见不鲜，说明雪荷载具有较易发生超载的问题，危险性很高。而风荷载则需注意风吸力对结构的作用，这种作用对于自身质量较轻的轻钢屋盖来说，往往是不利的，当结构自重不能平衡负风压产生的吸力时，会使钢梁下翼缘受压失稳或屋架杆件中拉杆受压失稳，造成结构破坏，进而引起结构垮塌。因此，在屋盖结构的设计中，必须全面把握风、雪荷载作用特点以及作用方式，以进行精确的设计。本次在主要承重结构承载力验算时，风荷载则按基本风压的1.1倍取用，雪载则按重现期为100年雪荷载进行设计。此外，还要求业主在后续的使用过程中，采取相应措施防止超载情况发生，如及时清理积雪、设置融雪设施等，避免荷载过大发生垮塌。

4结构建模分析

4.1模型参数选取

根据以上分析、项目概况，结合《建筑结构荷载规范》《钢结构设计标准》以及《屋盖结构风荷载标准》的要求，本次结构计算参数取：抗震设防烈度7度，0.10 g，Ⅱ类场地，设计地震分组为第二组，基本风压为0.45 kN/m2（n=50年），基本雪载为0.45 kN/m2（n=100年），抗震设防分类标准为标准设防类；上弦静载取0.6 kN/m2，活载取0.5 kN/m2，下弦静载取0.3 kN/m2（包括消防和灯具），另布置马道荷载和吊车荷载，吊车采用多点式悬挂起重机，在网架球节点下设置5条吊车梁轨道，吊车通过5个吊点均匀把荷载传递给网架；针对温度作用，上温差：+36℃，下温差：-8℃，以施工合拢时温度为10～25℃为设计标准，对结构最大温升的工况为26℃，对结构最大温降的工况为33℃；屋面女儿墙附近网架按《建筑结构荷载规范》表7.2.1考虑积雪分布系数μr。

4.2计算结果分析

本次项目，屋面网架采用3D3S网架网壳结构设计模块进行内力分析和设计验算，将杆件截面验算应力比控制在0.85以内，受拉、受压杆件长细比限制为180，而关键杆件（临支座1个网格内的弦杆和腹杆）受拉长细比和受压长细比限制为150。该屋盖跨度为40 m，厚度为2 m，上弦起坡高度为1 m，跨中厚度为3 m。建立不同支座约束条件下的模型进行结构分析计算，其经济指标及内力计算结果详见表1。

通过表1可以看出：

（1）水平弹性刚度值越大，对网架的竖向变形越有利，但杆件的内力及支座的水平力也越大，导致网架的用钢量也越多，同时要求框架柱的截面变大，配筋增多，可能严重影响建筑的功能布局；

（2）当网架支座的X、Y向水平弹簧刚度为2 kN/mm时，支座水平力较合理，对框架柱影响很小，网架用钢量也较经济，是最合理的取值；

（3）网架跨中最大竖向位移79.6 mm＜L/400=100 mm，满足整体挠度控制要求，详见图4；

（4）杆件截面规格为：上弦Φ180 mm*12 mm，下弦Ф159 mm*10 mm，腹杆Ф88.5 mm*4 mm。

5结论

轻钢屋盖作为一种建筑类型，以其结构均匀、强度高、重量轻、良好的塑性、韧性及密封性等优点被广泛采用。而此类结构受风、雪等外界荷载影响较大，在设计时要充分考虑这类不利因素。同时需根据建筑功能要求以及经济性，选择合理的屋架结构形式。双向抗震球铰支座设置合适的水平弹性刚度值，即能保证结构安全，又能有效减少支座水平力，具有良好的经济性。

参考文献

[1]沈晓飞，潘俊，周烽炜，等.海口国际免税城造型屋面钢结构施工关键技术[J].建筑结构，2023，53（S1）：2158-2163.

[2]李江.混凝土柱支撑的钢梁轻钢屋面排架结构设计[J].建材与装饰，2016（21）：115-116.

[3]郭鹏.网架支座约束条件对结构内力的影响分析[J].成组技术与生产现代化，2020，37（2）：58-62

作者简介：胡翠平（1989.03-），女，汉，福建上杭人，硕士，讲师，研究方向：结构工程。