混凝土柱-鋼梁門式剛架結構設計探討

張銳

（廣州博廈建筑設計研究院有限公司合巢分公司 安徽合肥 230041）

序言

近年涌現出大量類似門式剛架的混凝土柱加鋼梁的單層廠房，門式剛架一般用于大跨度單層廠房，平面布置靈活多變，外表美觀、施工方便、易維護、安裝簡單。但由于鋼材價格的上揚，且各類防火涂料價格昂貴，導致不少業主要求將門式剛架中用量較多的鋼柱改為混凝土柱。

類似門式剛架的混凝土柱加鋼梁是一種新型結構，現行國家規范、規程[1～4]均未明確指出其設計方法和構造要求，如變形限值、節點連接構造等，使得設計方案各異，尤其因工程承包價的進一步降低，使得此類結構在使用過程中出現許多問題，如鋼梁撓度過大、柱頭混凝土松動破壞等，甚至發生廠房倒塌事故。

在相關結構論壇以及實際工程設計中也出現了不少針對混凝土柱加鋼梁這種組合結構設計的爭議[5～6]，表明此類結構形式引起了不少結構設計工程師的關注與討論。本文以一實際工程為背景，詳細討論了此類結構的荷載取值、關鍵構造、建模計算及控制標準等問題，其討論及分析可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程背景

某工業園主要由1棟辦公樓和10棟工業廠房組成。廠房均采用框架結構體系，豎向構件采用混凝土柱，屋頂縱向采用變腹板高度連續鋼梁，屋頂沿柱網長跨方向為混凝土框架梁。廠房內布置吊車，吊車梁采用實腹式鋼吊車梁。建筑效果如圖1所示。廠房A5、A6的結構體系類似，以下主要討論比較有代表性的廠房A5。

1.2 與傳統門式剛架對比

廠房A5典型的混凝土柱-實腹梁結構布置形式如圖2所示。單層標準工業廠房，單跨24m，柱距8.4m，設1臺8t吊車，建筑面積約3300m2，基本風壓為0.55kN/m2，地面粗糙度為B類，基本雪壓為0.5kN/m2，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，建筑場地類別為Ⅲ類。

圖1 廠區建筑效果

廠房沿長跨方向布置混凝土梁，與混凝土柱形成框架結構，沿短跨方向布置實腹鋼梁。可以發現其存在的結構類型元素有：沿長軸橫向為典型的混凝土框架結構；沿短軸縱向，水平構件和豎向構件頂部鉸接形式則與排架（鉸接框架）平面內受力相同；橫向鋼架與縱向混凝土框架共同架起輕型鋼結構屋蓋；外形相似于門式剛架輕型鋼結構（山形輕鋼結構框架）。門式框架和排架結構屬于平面受力結構形式，只能抵抗平面內的各種荷載作用，平面外的荷載則需支撐體系解決；框架結構一般指雙向均由框架承受水平作用。顯然該整體結構不屬于傳統框架結構、排架結構和門式輕型剛架中的任何一類。

圖2 結構平面布置

本結構的橫向水平力由排架結構承受，縱向水平力由框架結構承受，屋面豎向荷載由大跨鋼梁與混凝土梁共同承受。對于24m跨度中間的墻面抗風問題，以增設混凝土框架柱的方法解決。

2 荷載取值

此類結構的屋蓋大梁屬于簡支連續鋼梁結構，其自身特點決定了屋蓋構件比較薄柔，結構冗余度較少，屬于風雪敏感型結構。由于結構形式不明確，所以在設計過程中荷載的取值按哪一本規范來執行，許多設計人員也是做法不一。因為在《建筑結構荷載規范》（GB 50009-2012）和《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（GB 51022-2015）中對屋面恒活載和風荷載的取值都做了相應的規定，但是這兩本規范、規程中相應荷載的取值又是不盡相同。

圖3 鋼梁于混凝土柱上布置

2.1 恒、活載的取值

屋面結構形式屬入壓型鋼板輕型屋面。屋面恒荷載初步設計時依照統計經驗：鋼梁自重另行計算，單層彩色壓型鋼板加保溫棉取0.20kN/m2，雙層彩色壓型鋼板加保溫棉取0.25kN/m2，檁條、水平支撐系統取0.1kN/m2，吊掛電器設備、消防水噴灑管道等懸掛荷載取0.1kN/m2。對于受荷水平投影面積大于60m2的剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取0.3kN/m2和雪荷載中的較大值。對于檁條和壓型鋼板，屋面豎向均布活荷載的標準值仍取0.5kN/m2。

值得注意的是，相關統計表明，近年歷次暴雪天氣均給大量的輕鋼廠房帶來嚴重的破壞，甚至是不可修復的毀滅性破壞。拋開天災因素，更多的是設計人員對雪荷載值及分布系數的不正確評估。GB 50009-2012對關鍵部分的取值大多比較模糊或根本沒有規定：①對輕型屋蓋這樣的雪敏感結構，建議基本雪壓應比50年一遇基本雪壓適當提高，至于提高多少，規范未明確規定；②對多脊多跨屋蓋，有一個從V字型高處往低處的滑雪效應問題，目前我國規范亦沒給出相應公式；③檁條計算時顯然不能套用主鋼梁的積雪分布模式、堆雪效應，規范亦沒有給出公式。本工程設計時主要基于2點考慮：a.與建筑設計人員協調，減小女兒墻高度以減小堆雪效應，避免造成積雪過深；b.正確評估積雪荷載值及分布系數，避免誤取或少取，適當增大安全儲備，本工程荷載值取0.5kN/m2，100年一遇的荷載。

2.2 風荷載取值

風荷載體型系數是指風作用在建筑物表面上所引起的實際壓力（或吸力）與來流風的速度壓的比值，主要與建筑物的體型和尺寸有關。由于目前國內設計規范主要有兩本：《荷規》（GB 50009-2012）和《門規》（GB 51022-2015），存在某本規范對一些房屋形狀缺乏規定而能在另一本規范中找到類似比照，造成設計、審圖及一些設計軟件中的某些參數取值出現混亂。由于鋼屋面荷載比較輕，其對風荷載是比較敏感，因此鋼梁的設計，按《門規》來取風荷載較合適；而對混凝土柱的設計則須按《荷規》來取風荷載，這樣設計偏于安全。

3 關鍵構造

3.1 模型建立屋蓋結構鋼梁與柱頂的連接

梁與柱的連接可分為剛性、半剛性及鉸接連接。門式剛架結構中的鋼梁與鋼柱都采用剛接連接，而鋼梁與混凝土柱剛接，現有的研究和實例都表明這種連接會帶來不安全的后果。這是因為：①由于鋼梁為延性較強材料，混凝土是一種脆性材料，雖然節點可以通過配筋承受彎矩和剪力，但抗拉、抗沖切性能很差，外力作用下很容易松動和破壞；②剛接節點的設計和施工均較復雜，一旦連接松動，鋼梁將會受到比設計內力大很多的彎矩；③從經濟角度考慮，鉸接連接時柱不受彎矩影響，柱的斷面配筋較鋼筋混凝土框架柱小很多。因此，本工程設計梁采用連續梁模型，連續梁于柱上采取簡支鉸接連接。

3.2 檁條設計及拉條布置

《門規》對防檁條失穩做出了比較明確的規定，即大于4m跨度的檁條應加拉條，大于等于6m應加2道拉條，但對于拉條是設在上翼緣或下翼緣未規定。以往設計時，在跨度大于4m且屋面板較重時，檁條在恒、活作用時上翼緣失穩，可僅布置1道靠上翼緣位置的拉條，如圖4a。本設計中在風荷載體型系數較大的屋蓋周邊部分設置雙層拉條抵抗可能出現的上、下翼緣失穩，如圖 4（b）。

圖4 檁條上拉條布置的位置

4 模型計算及控制指標

4.1 模型建立

結構整體分析和設計采用了PKPM軟件。基于現實軟件的分析能力，本工程在PKPM計算時主要從兩個思路出發：①空間結構協同分析時，將上部結構折算成等效剛度和等效質量作為下部空間結構分析時的條件；②鋼梁屋架分析時提取單榀結構，將下部混凝土當作上部結構分析時的條件。具體操作為：鋼梁采用在STS中平面建模和SATWE計算的方法；整體采用PMCAD建模，整體指標采用SATWE計算，并對混凝土構件進行配筋。單榀計算結果如圖5所示。

4.2 鋼梁撓度限值

混凝土柱-連續鋼梁結構中鋼梁正常使用狀況下的撓度取值是目前爭議比較大的問題。表1為兩種規范對鋼梁撓度限值規定的比較。

顯然，《門規》出于自身特點和經濟的考慮，放松了斜梁的撓度限值。本工程比較折衷的取值是參照《鋼規》中8.6.3條無懸掛吊車的屋架或附錄1.1中規定的其他梁的撓度允許值即L/250，且取值不大于L/240，該值比門式剛架的1/180更為嚴格，但由于是輕型屋面，受力不大，施工時還可起拱來調節撓度，較之鋼規的主梁撓度限值1/400要寬松，亦略寬松于無懸掛吊車屋架的L/250，經濟性比較好。圖6為STS軟件計算的變形結果，撓度基本控制在跨度的1/240以下，滿足設計要求。

表1 門規與鋼規撓度限值規定的對比

圖5 STS計算結果

圖6 STS鋼梁計算恒+活荷載作用下的撓度

5 結語

混凝土柱-鋼梁結構兼具門式剛架跨越能力強及混凝土結構經濟性較好的優點，適合于廠房結構。鋼梁與混凝土柱頂應采用鉸接連接。此類結構屬于風雪敏感結構，方案及初步設計時要盡量采取降低風雪影響的因素，結構設計時要充分考慮不同的荷載分布形式，必要時參照國外規范規定。該結構體系可采用現有計算設計軟件進行分析，設計時必須予以高度重視，明確其受力特點，荷載合理取值，嚴格限制該結構體系的變形等，才能使相關的工程設計合理安全。