混凝土柱鋼結構屋架廠房設計思路分析

吳文庭

規劃設計 Planning and design

混凝土柱鋼結構屋架廠房設計思路分析

吳文庭

（海峽（福建）交通工程設計有限公司，福建 福州 350000）

鋼筋混凝土柱鋼結構屋架結構體系中豎向構件采用鋼筋混凝土構件,屋面采用輕型鋼結構屋架體系,不同于已有成熟結構體系,兼具輕鋼門式剛架跨度大、施工方便和混凝土結構耐久性好等特點。根據材料性能和結構特性,并結合實際工程案例,仔細討論了此類結構屋架結構與柱頂的連接、屋面板的做法及屋架結構形式確定，其討論及分析可為類似工程提供借鑒。

門式剛架；輕型房屋；混凝土柱-鋼結構屋架；坡屋面；混凝土屋面；

0 引言

在我國的單層工業廠房建設中，屋面板和墻面板通常采用輕型材料如壓型鋼板、夾心復合板，而輕型鋼結構門式剛架由于其跨度大、外形簡潔美觀、自重輕抗震性能好、造價低、施工方便速度快等特征，在國內廠房建設中得到蓬廣泛的應用。但在實際使用過程中發現墻面壓型鋼板封閉性能及耐久性較差，屋面壓型鋼板抗風性能及耐久性較差容易出現漏水的情況。為了解決這些問題，設計人員采用了鋼筋混凝土柱、鋼梁、混凝土屋面板、磚砌墻體的圍護結構組成的鋼筋混凝土柱與鋼結構屋架的混合結構，這樣既保留門式剛架的優點，又保證了屋面與墻面的適用性和耐久性。此類結構外形類似輕型鋼結構門式剛架，但其受力不同于門式剛架，是一種新型結構。本文以一實際工程為背景，仔細討論了此類結構屋架結構與柱頂的連接、屋面板的做法及屋架結構形式確定，其討論及分析可為類似工程提供借鑒。

1 工程背景介紹

福建省泰寧縣某育種研發倉庫跨度19.8m，柱距6.2m，豎向構件采用混凝土柱，水平構件采用鋼結構屋架，屋面板采用混凝土樓板。南方多雨屋面采用坡屋面，屋脊高度7.4m，檐口高度5m。

2 屋架結構與柱頂的連接

鋼結構屋架與混凝土柱的連接大體可分為剛接、半剛接及鉸接。在門式剛架結構中鋼梁和鋼柱的連接是采用剛接，然而鋼梁與混凝土柱的連接不宜采用剛接，根據現有的研究資料和實際工程，這種連接會帶來不安全的后果。有以下原因：1）混凝土柱和鋼梁是兩種不同的材料，混凝土的抗壓性能很好，但抗拉、抗沖切性能很差，鋼結構則是一種延性較強的材料，雖然節點可以通過配筋承受彎矩和剪力，但在外力作用下很容易出現松動和破壞；2）剛接節點的施工較復雜，很難實現梁柱完全剛接，如果現場施工工藝不行，導致剛接節點松動，鋼梁的跨中彎矩就會比設計值大很多；3）鋼梁與混凝土柱鉸接連接時，柱不受梁端彎矩影響，導致鋼筋混凝土框架柱的截面配筋就小很多。因此，本工程設計屋架結構與柱頂的采用鉸接。

3 屋面板的做法

屋面板采用壓型鋼板混凝土板中的非組合樓板，其中壓型鋼板只起模板作用，相當于普通鋼筋混凝土樓板模板的作用，只參與施工階段受力，不參與使用階段的受力。壓型鋼板在施工使用的過程中，省去混凝土模板的施工流程，而且壓型鋼板還可以為施工提供的工作面，使整個施工的過程更加便利，為企業節省了成本。與此同時，壓型鋼板混凝土板作為鋼梁的側向支撐的主要構件，大大的加強了鋼梁的面外穩定性。因此壓型鋼板混凝土板工程費用要比混凝土結構的建筑節省得多，而且還增強了工程建設的安全性。

4 屋架結構形式確定

鋼結構屋架的結構形式有三個方案，方案一采用實腹式鋼梁，方案二采用三角桁架，方案三采用實腹式鋼梁下翼緣部帶拉桿。方案三在梁兩端底加設拉桿以承受人字形鋼梁端產生的水平推力，但拉桿的設置只能減少水平推力不能避免推力的產生，而要很好的避免水平推力的產生就要采用類似張弦梁的構造措施，這需要細致的施工放樣和良好的施工工藝，顯然大大的增加了施工的難度，故方案三在實際工程中不宜采用。對方案一和方案二進行比選，取中間區一榀鋼架進行分析，用PKPM-STS軟件分析計算，比較方案一、二的內力及經濟指標。

方案一

方案二

方案三

4.1 荷載計算

1）屋面恒荷載標準值（對屋面水平投影面）

非組合樓板折算自重：2.2 kN/m2

屋面防水面層自重： 1.4 kN/m2

次梁自重：0.4 kN/m2

合計：4.0 kN/m2。

2）屋面活荷載標準值：按不上人屋面取0.5 kN/m2。

3）風荷載標準值：基本風壓泰寧縣按0.3 kN/m2考慮。

風荷載體型系數μs按《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》表4.2.2-1取值。風壓高度變化系數μz按《建筑結構荷載規范》表8.2.1取值，當高度小于10m時，按10m高度處的數值取用μz=1.0。

4）地震荷載：泰寧縣基本地震加速度為0.05g，抗震設防烈度為6度，抗震等級為四級。

4.2 剛架內力計算及分析比較

用PKPM-STS軟件計算兩個方案在恒、活、風、地震荷載作用下，構件簡圖及配筋包絡鋼結構應力比圖和最不利組合下支座反力見圖1（方案一），圖2（方案二），剛架經濟指標及內力比較見表1。

表1 剛架經濟指標及內力比較

由表1可以明顯看出，在鋼結構屋架用鋼量差不多的情況下，方案一的柱子截面、柱配筋及柱底內力都比方案二大的多。這個因為：1）方案一相當于兩端鉸接折線拱，人字形鋼梁在豎向載荷作用下在混凝土柱頂產生很大水平推力，導致柱子截面及配筋和基礎面積都要增大很多；2）方案二為自平衡體系結構，支座處的水平力由下弦桿承擔，不會對混凝土柱產生水平推力，所以柱子的彎矩、剪力、配筋均小很多。因此，本工程鋼結構屋架采用三角桁架。

配筋包絡鋼結構應力比圖

構件簡圖

圖1 支座反力

構件簡圖

配筋包絡鋼結構應力比圖

5 結語

混凝土柱-鋼結構屋架結構兼具門式剛架跨越能力強及混凝土結構適用性和耐久性好的優點，適用于廠房結構。鋼結構屋架與混凝土柱頂的采用鉸接，減小施工難度，屋架和混凝土柱節點傳力簡單化；樓板采用壓型鋼板混凝土板，即提高施工效率，又降低施工成本；根據屋面的坡度及荷載情況確定屋架的結構形式，當屋面坡度小且屋面板采用輕型鋼板時，應采用實腹式鋼梁方便施工且降低成本；當屋面坡度大時，應采用三角桁架或者梯形桁架消除屋架結構對柱頂水平推力，減小混凝土柱截面及配筋和基礎的大小。

[1]混凝土柱輕鋼屋面廠房分析及設計[J].賈遠林、朱萱.工業建筑.2012（10）

[2]GB51022-2015.門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范[S].2015

[3]GB50009-2012.建筑結構荷載規范[S].2012

[4]GB50017-2017.鋼結構設計標準[S].2017

[5]多高層鋼結構中組合結構設計[J].曲萍.居業. 2020.（03）

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1007-6344（2021）01-0289-02