混凝土柱—鋼梁結構體系設計探討

李 坤

(安徽省城鄉規劃設計研究院，安徽 合肥 230022)

0 引言

門式剛架輕鋼結構因其自身特有的優越性，在我國單層工業廠房中得到了廣泛的應用。近年來由于降低造價或防火、防腐的需要，很多業主要求采用混凝土柱—鋼梁結構這一新型結構體系[1]。混凝土柱—鋼梁結構體系與門式剛架輕鋼結構相比較，可以節省鋼材和降低防火、防腐費用；與傳統的排架結構(三角形或梯形鋼屋架)相比較，混凝土柱—鋼梁結構造型簡潔，加工和維護更方便。

混凝土柱—鋼梁結構在現行的國家、行業設計規范中并沒有明確相應的設計方法和構造要求。筆者通過對相關文獻的比較分析，結合工程設計實踐，探討一下這種新型結構體系的設計要點。

1 結構形式和結構分析

1.1 結構形式

混凝土柱—鋼梁結構體系的柱采用鋼筋混凝土柱，屋面梁采用實腹式斜鋼梁，屋面采用輕型屋面體系。由于混凝土柱與鋼梁的連接很難實現剛接，所以一般鋼筋混凝土柱與鋼梁的連接采用鉸接形式，混凝土柱底采用剛接連接[2]。

混凝土柱—鋼梁結構剛開始出現的時候，由于現行的國家、行業設計規范沒有對這種新型結構體系的受力分析、變形限值及板件的寬厚比等做出專門規定，一些設計人員將其與門式剛架輕鋼結構混淆，進入設計誤區：例如參考單跨門式剛架輕鋼結構，將混凝土柱—鋼梁結構中的大跨度鋼梁兩端通過兩個錨栓固定在混凝土柱頂(典型的鉸接構造)，建模計算按照梁端剛接將鋼梁設計成梁端截面大、跨中截面小的變截面梁，并且鋼梁的撓度限值按照門式剛架輕鋼結構的限值控制，做出了不少存在安全隱患的結構設計。

1.2 結構分析

一般的門式剛架輕鋼結構的邊剛架柱與鋼梁采用剛接連接形式；混凝土柱—鋼梁結構體系一般鋼筋混凝土柱與鋼梁的連接采用鉸接形式。連接形式的不同，導致了二者受力狀態存在很大的差異。設計時不能簡單的將門式剛架的鋼柱替換為鋼筋混凝土柱，應根據受力情況的不同而采取有針對性的設計[2]。

對于典型的單跨混凝土柱—鋼梁結構，其力學模型為混凝土柱上的兩鉸直線拱。這種兩鉸直線拱可以是帶拉桿的，也可以是不帶拉桿的，對于跨度不大于24 m的混凝土柱—鋼梁結構一般設計成不帶拉桿的兩鉸直線拱[1]。混凝土柱—鋼梁結構的斜鋼梁不同于一般的簡支鋼梁，由于坡度的存在(坡度一般取1/12～1/5)，其不僅承受彎矩、剪力，還承受一定的軸力，所以梁端對混凝土柱存在一定的水平推力。

2 結構設計

2.1 荷載取值

混凝土柱—鋼梁結構的風荷載和雪荷載可以按照GB 50009—2012建筑結構荷載規范取值。由于輕鋼屋蓋結構屬于對雪荷載敏感的結構，雪荷載經常是控制荷載，極端雪荷載作用下容易造成結構整體破壞，所以混凝土柱—鋼梁結構的雪荷載應采用100年重現期的雪壓。此外，混凝土柱—鋼梁結構在檐口、山墻處一般都設置女兒墻，在女兒墻附近積雪容易堆積，造成局部雪荷載增大，因此雪荷載還應參照GB 50009—2012建筑結構荷載規范、GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范考慮屋面積雪的不均勻分布對鋼梁及檁條的影響，靠近檐口女兒墻處的檁條應加密，端開間靠近山墻處的檁條應加強。

2.2 構件及支撐的設計

屋面斜鋼梁的設計是混凝土柱—鋼梁結構設計中最具有爭議的地方。與屋面斜鋼梁設計有關的國家設計規范有兩個：一個是GB 50017—2017鋼結構設計標準，另一個是GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范。對于混凝土柱—鋼梁結構的斜鋼梁，一些設計人員認為完全可以按照GB 51022—2015進行設計，并且取L/180(L為鋼梁跨度)作為鋼梁的撓度限值，取3 m(隅撐間距)作為鋼梁的平面外計算長度，實際上這種做法是不合適的。

文獻[2]認為：鋼梁應滿足鋼結構設計規范的相關要求，局部穩定應滿足鋼結構設計規范、抗震設計規范的要求。撓度控制，在有經驗的情況下可較鋼結構設計規范的撓度控制指標(L/400)適當放寬。文獻[3]認為：鋼梁撓度按L/250控制；鋼梁的翼緣寬厚比、腹板高厚比按GB 50017—2003鋼結構設計規范計算。

筆者認為：混凝土柱—鋼梁結構的斜鋼梁，無懸掛吊車時撓度限值取L/250，有懸掛吊車時撓度限值取L/400，是比較合適的，理由如下：1)L/180這個撓度限值最初來源于門式剛架輕鋼結構，這個限值比GB 50017—2003要寬松，是因為考慮了圍護面板應力蒙皮效應的有利影響，而混凝土柱—鋼梁結構的蒙皮效應是比較弱的。雖然GB 50017—2017附錄B新增規定：僅支承壓型金屬板屋面和冷彎型鋼檁條的受彎構件撓度限值可取L/180。但筆者認為這條新增規定適用于純受彎簡支鋼梁，而對于支承在混凝土柱頂的壓彎構件，考慮到梁端推力作用下柱頂水平位移的不利影響，撓度限值取L/180偏于不安全。2)考慮到輕型屋面體系對鋼梁撓度不是非常敏感，在無懸掛吊車時撓度限值較L/400可適當放寬，取L/250比較合理。

此外，筆者認為：對于采用輕型屋面的混凝土柱—鋼梁結構，文獻[2]規定的鋼梁局部穩定應滿足抗震設計規范的要求，過于苛刻，不便于執行；文獻[3]規定的鋼梁翼緣寬厚比按照GB 50017取值基本是合理的，但是鋼梁的腹板高厚比取值偏于保守，未考慮腹板屈曲后強度的利用，所以鋼梁腹板將設計的比較厚，經濟性較差。一般來說，板件的寬厚比對于翼緣是不允許突破的，即鋼梁翼緣的寬厚比應按照現行的GB 50017—2017鋼結構設計標準中S3級截面進行設計；而對于腹板的板件寬厚比(高厚比)是允許突破的，可以按有效截面計算，考慮腹板屈曲后強度的利用，從而將鋼梁設計的安全、經濟。對于鋼梁考慮腹板屈曲后強度的利用，文獻[4]也持有與筆者相同的觀點。

由于鋼梁對混凝土柱的約束反力大小與混凝土柱自身的剛度有關，為反映真實的內力情況，當采用STS軟件對混凝土柱—鋼梁結構進行單榀建模計算時，應將混凝土柱與鋼梁整體建模分析。當工字形變截面鋼梁時，應特別注意：需要按照門式剛架規范對鋼梁承載力進行校核，以考慮軸力的影響與變截面梁的穩定計算[2]。鋼梁平面外計算長度取屋面支撐、系桿間距，不應取隅撐間距。

混凝土柱—鋼梁結構的柱子可以按照GB 20010—2010混凝土結構設計規范(2015年版)設計；屋面檁條可以按照GB 51022—2015中檁條的相關條款進行設計；柱間支撐和屋面支撐可以按照傳統的輕鋼屋面排架結構進行設計，本文不再詳述。

2.3 支座節點的設計

鋼梁與混凝土柱的連接一般采用完全抗剪構造的鉸接形式。這種連接是在梁端設置抗剪鍵，把梁端的推力以剪力的方式傳遞給混凝土柱，典型的鋼梁支座節點如圖1所示。

3 工程實例

某單層單跨廠房，跨度24 m，開間6 m，采用混凝土柱—鋼梁結構體系，鋼梁材質Q235B，抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度為0.05g，基本風壓為0.35 kN/m2(50年重現期)，基本雪壓為0.60 kN/m2(100年重現期)。鋼梁截面高度由撓度控制，計算簡圖及鋼梁抗彎強度應力比如圖2所示，圖2中左邊是不考慮軸力影響的抗彎強度應力比，右邊是考慮軸力影響的抗彎強度應力比。從圖2中可以看出：軸力對鋼梁的影響不容忽視。

4 結語

通過比較分析，筆者認為混凝土柱—鋼梁結構中的斜鋼梁可以按照GB 50017—2017鋼結構設計標準進行設計，腹板可以考慮屈曲后強度，并且應按照GB 51022—2015對鋼梁承載力進行校核以考慮軸力的影響，否則可能存在安全隱患。