鋼筋混凝土柱
——輕鋼屋面的設計分析

馬曉婷

銅陵有色設計研究院有限責任公司（244000）

鋼結構中的門式剛架輕型鋼結構屋面，結構簡單、自重較小且剛度良好，施工方便，使用空間大。但由于某些廠房對防火、防腐有特殊要求，工程中也會采用混凝土柱-輕鋼屋面結構的型式。 混凝土柱+輕鋼屋面結構綜合了混凝土結構和鋼結構的優點，可承載大噸位吊車，具有防火性能好、施工速度快、耐久性好等特點，得以廣泛使用。

現行規范中對此類結構未明確其設計方法和構造要求，因此本文通過某銅礦副井提升機房設計實例，綜合分析此類結構關鍵構造、荷載取值、建模計算及控制標準等問題。

本工程的軸網尺寸為18 m×18 m，柱距為6 m，跨度為18 m，廠房高度為15 m；兩邊有兩個附跨，為配電室和設備用房， 主跨內設55 t 橋式行車；工程所在地為7 度（0.1 g）抗震區。 由于其吊車荷載大、防火要求高，選擇混凝土柱-輕鋼屋面結構形式較為經濟安全。

1 結構分析

對于單層廠房計算，目前國內使用較多的商用軟件是PKPM 系列STS 程序，以平面框排架計算為主。 本工程采用STS 及工具箱結構計算軟件，完成模型輸入、結構計算、強度和穩定性驗算、節點設計等。

建模的順序跟設計門式鋼架一樣，輸入鋼梁、混凝土柱，混凝土柱長度取到基礎頂面。 混凝土柱與鋼梁處的連接采用鉸接，按簡支梁來考慮。 由于門式鋼架的梁柱連接為剛接，而本類結構采用鉸接，連接形式的不同致使受力截然不同，因此分析建模參數輸入設置考慮如下:

1）設計控制的結構類型更接近于單層廠房排架結構，應選擇單層鋼結構廠房，而不能采用門式鋼架結構。

2）按照鋼結構設計規范的相關要求進行設計。屋面鋼梁采用實腹式鋼梁，承載力驗算按照門式鋼架規程進行校核，以考慮軸力的影響與變截面梁的穩定計算，但局部穩定應滿足鋼結構設計規范抗震規范的要求。

3）選擇輕屋蓋廠房“低延性、高彈性承載力”性能設計（1.5 倍地震力作用），按此方法確定構件的寬厚比。

2 關鍵節點

1）梁柱連接。 梁柱連接節點分為剛接連接、半剛接連接以及鉸接連接。 由于鋼梁和混凝土柱兩種材料的剛度相差較大，如果按照剛接連接，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，在外力作用下很容易松動和破壞，松動后鋼梁將承擔更大的彎矩，不能按照設計時的傳力進行。 因此鋼梁與混凝土柱連接宜為鉸接，鋼梁可按簡支梁計算，設置抗剪鍵傳遞剪力。

2）鋼梁連接。 跨度為18 m，選擇雙坡屋面，坡度為10%。 H 型鋼梁中部拼接剛接，采用承壓型高強螺栓連接，連接形式同門式鋼架結構。

3）柱腳連接。 因廠房內有較大的橋式行車，吊車水平荷載較大，因此柱腳選擇剛接，能夠增加廠房橫向剛度，減少下段柱彎矩。

3 荷載取值

在荷載的選取中，主要承受屋面荷載、風荷載及吊車荷載。 屋面采用彩鋼板， 恒載一般選取 0.3 kN/m2，活載可按門剛規程選取為0.5 kN/m2。本工程為單坡雙跨屋面，雪荷載需要考慮不均勻分布的情況。 同時，檐口處為女兒墻形式，因此在屋面檐口處需要考慮雪堆積分布。

對于風荷載的取值，GB 50009-2001《建筑結構荷載規范》和 GB 51022-2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》（簡稱《門剛規范》）兩者的差異較大，一般計算結果顯示前者結果明顯小于后者。 為了保障結構在極端氣候情況下的安全性，根據門剛規程附錄A 的要求進行計算。

布置吊車荷載， 主要由吊車豎向荷載標準值、吊車橫向水平荷載標準值和吊車縱向水平荷載標準值組成。

地震作用下，《建筑抗震設計規范》第9.2.14 條規定單層鋼結構重屋蓋廠房在7 度（0.1 g）時抗震等級按照四級采用；第9.1.6 條規定:在7 度Ⅱ類場地， 柱高不超過10 m 且結構單元兩端均有山墻的單跨廠房可不進行橫向和縱向抗震驗算。 《門剛規范》條文說明第3.1.4 條規定:在抗震設防烈度為7度（0.1 g）時可不做抗震驗算。根據本工程實際情況，可不考慮抗震驗算。 抗震構造措施按照規范執行。

4 其它構件

1）屋面結構體系由屋面鋼梁、支撐體系、屋面檁條、拉條、撐桿及彩鋼板組成，其計算及布置均可按照《門剛規范》要求進行布置和設計。

2）平面外計算長度可按兩倍檁條間距來取。 本工程屋面板與檁條采用自攻螺絲連接，可認為屋面板與檁條有可靠連接。

3）墻面圍護結構為加氣混凝土砌塊，可采用墻梁傳遞給混凝土柱的形式。

5 控制標準

1）橫向剛度:GB 50017-2017《鋼結構設計規范》（簡稱鋼規）規定，風荷載作用下有橋式吊車的排架柱頂位移容許值為H/400；《門剛規范》規定，風荷載作用下有橋式吊車（吊車由地面操作）的剛架柱頂位移容許值為H/180。 鋼筋混凝土柱-輕鋼屋面結構的柱頂位移，因為其梁柱節點的連接形式，屋面梁對結構位移的貢獻較小。 為保證廠房的正常使用和觀感要求，除滿足強度和穩定性的要求之外，還要保證足夠剛度以避免使用過程中引起吊車卡軌等，因此可以按照單層鋼結構廠房的要求執行。

2）受彎構件的撓度：《門剛規范》規定了僅支承壓型鋼板屋面和冷彎型鋼檁條的撓度限值為L/180，同時規定由柱頂位移和構件撓度產生的屋面坡度改變值不應大于坡度設計值的1/3。 這一點主要從屋面排水角度等實用角度考慮，按照L/180 控制，遇到特大雨時，鋼梁局部撓度可能過大，進而導致排水不暢。 《鋼規》規定了屋蓋主梁受彎構件撓度限值為L/400，同時認為當撓度值大于L/250 時會影響觀瞻。 顯然，門剛規程出于自身特點和經濟的考慮，相比于一般鋼結構，放松了斜梁的撓度限值。 撓度控制是為了保證結構正常使用， 所以宜與屋面、檁條撓度控制相適應。 本結構綜合兩個規范，取無吊頂時L/250 為限值，保證不影響觀瞻角度及排水通暢的同時，經濟實用。

3）梁柱連接節點：根據計算所得內力，在工具箱中輸入剪力、彎矩，重新計算節點，并勾選設置抗剪鍵，繪出施工圖。 可看出，根據內力計算的節點可以直接繪出施工圖，也更加準確、安全。

4）根據單層廠房排架結構計算得出的混凝土柱配筋，比較門剛程序計算的配筋，得出配筋包絡圖，繪出施工圖。

6 結語

混凝土柱—鋼梁結構兼具門式鋼架跨越能力強及混凝土結構經濟性較好的優點，適合用于廠房結構。 在設計時，要對其荷載取值、指標控制、風雪荷載敏感、屋面排水等進行綜合考量，才能做到安全舒適、經濟實用。