混凝土柱鋼結(jié)構(gòu)屋架廠房設(shè)計(jì)思路分析

吳文庭

規(guī)劃設(shè)計(jì) Planning and design

混凝土柱鋼結(jié)構(gòu)屋架廠房設(shè)計(jì)思路分析

吳文庭

（海峽（福建）交通工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州 350000）

鋼筋混凝土柱鋼結(jié)構(gòu)屋架結(jié)構(gòu)體系中豎向構(gòu)件采用鋼筋混凝土構(gòu)件,屋面采用輕型鋼結(jié)構(gòu)屋架體系,不同于已有成熟結(jié)構(gòu)體系,兼具輕鋼門式剛架跨度大、施工方便和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性好等特點(diǎn)。根據(jù)材料性能和結(jié)構(gòu)特性,并結(jié)合實(shí)際工程案例,仔細(xì)討論了此類結(jié)構(gòu)屋架結(jié)構(gòu)與柱頂?shù)倪B接、屋面板的做法及屋架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)屋架；坡屋面；混凝土屋面；

0 引言

在我國(guó)的單層工業(yè)廠房建設(shè)中，屋面板和墻面板通常采用輕型材料如壓型鋼板、夾心復(fù)合板，而輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架由于其跨度大、外形簡(jiǎn)潔美觀、自重輕抗震性能好、造價(jià)低、施工方便速度快等特征，在國(guó)內(nèi)廠房建設(shè)中得到蓬廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)墻面壓型鋼板封閉性能及耐久性較差，屋面壓型鋼板抗風(fēng)性能及耐久性較差容易出現(xiàn)漏水的情況。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)組成的鋼筋混凝土柱與鋼結(jié)構(gòu)屋架的混合結(jié)構(gòu)，這樣既保留門式剛架的優(yōu)點(diǎn)，又保證了屋面與墻面的適用性和耐久性。此類結(jié)構(gòu)外形類似輕型鋼結(jié)構(gòu)門式剛架，但其受力不同于門式剛架，是一種新型結(jié)構(gòu)。本文以一實(shí)際工程為背景，仔細(xì)討論了此類結(jié)構(gòu)屋架結(jié)構(gòu)與柱頂?shù)倪B接、屋面板的做法及屋架結(jié)構(gòu)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(fā)倉(cāng)庫(kù)跨度19.8m，柱距6.2m，豎向構(gòu)件采用混凝土柱，水平構(gòu)件采用鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與柱頂?shù)倪B接

鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)現(xiàn)有的研究資料和實(shí)際工程，這種連接會(huì)帶來(lái)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(jié)構(gòu)則是一種延性較強(qiáng)的材料，雖然節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)配筋承受彎矩和剪力，但在外力作用下很容易出現(xiàn)松動(dòng)和破壞；2）剛接節(jié)點(diǎn)的施工較復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)梁柱完全剛接，如果現(xiàn)場(chǎng)施工工藝不行，導(dǎo)致剛接節(jié)點(diǎn)松動(dòng)，鋼梁的跨中彎矩就會(huì)比設(shè)計(jì)值大很多；3）鋼梁與混凝土柱鉸接連接時(shí)，柱不受梁端彎矩影響，導(dǎo)致鋼筋混凝土框架柱的截面配筋就小很多。因此，本工程設(shè)計(jì)屋架結(jié)構(gòu)與柱頂?shù)牟捎勉q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(dāng)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(guò)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(gè)施工的過(guò)程更加便利，為企業(yè)節(jié)省了成本。與此同時(shí)，壓型鋼板混凝土板作為鋼梁的側(cè)向支撐的主要構(gòu)件，大大的加強(qiáng)了鋼梁的面外穩(wěn)定性。因此壓型鋼板混凝土板工程費(fèi)用要比混凝土結(jié)構(gòu)的建筑節(jié)省得多，而且還增強(qiáng)了工程建設(shè)的安全性。

4 屋架結(jié)構(gòu)形式確定

鋼結(jié)構(gòu)屋架的結(jié)構(gòu)形式有三個(gè)方案，方案一采用實(shí)腹式鋼梁，方案二采用三角桁架，方案三采用實(shí)腹式鋼梁下翼緣部帶拉桿。方案三在梁兩端底加設(shè)拉桿以承受人字形鋼梁端產(chǎn)生的水平推力，但拉桿的設(shè)置只能減少水平推力不能避免推力的產(chǎn)生，而要很好的避免水平推力的產(chǎn)生就要采用類似張弦梁的構(gòu)造措施，這需要細(xì)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(shí)際工程中不宜采用。對(duì)方案一和方案二進(jìn)行比選，取中間區(qū)一榀鋼架進(jìn)行分析，用PKPM-STS軟件分析計(jì)算，比較方案一、二的內(nèi)力及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

方案一

方案二

方案三

4.1 荷載計(jì)算

1）屋面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值（對(duì)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(jì)：4.0 kN/m2。

2）屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：按不上人屋面取0.5 kN/m2。

3）風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：基本風(fēng)壓泰寧縣按0.3 kN/m2考慮。

風(fēng)荷載體型系數(shù)μs按《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》表4.2.2-1取值。風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表8.2.1取值，當(dāng)高度小于10m時(shí)，按10m高度處的數(shù)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(shè)防烈度為6度，抗震等級(jí)為四級(jí)。

4.2 剛架內(nèi)力計(jì)算及分析比較

用PKPM-STS軟件計(jì)算兩個(gè)方案在恒、活、風(fēng)、地震荷載作用下，構(gòu)件簡(jiǎn)圖及配筋包絡(luò)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jīng)濟(jì)指標(biāo)及內(nèi)力比較見表1。

表1 剛架經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及內(nèi)力比較

由表1可以明顯看出，在鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)力都比方案二大的多。這個(gè)因?yàn)椋?）方案一相當(dāng)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(chǎn)生很大水平推力，導(dǎo)致柱子截面及配筋和基礎(chǔ)面積都要增大很多；2）方案二為自平衡體系結(jié)構(gòu)，支座處的水平力由下弦桿承擔(dān)，不會(huì)對(duì)混凝土柱產(chǎn)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(jié)構(gòu)屋架采用三角桁架。

配筋包絡(luò)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖

構(gòu)件簡(jiǎn)圖

圖1 支座反力

構(gòu)件簡(jiǎn)圖

配筋包絡(luò)鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖

5 結(jié)語(yǔ)

混凝土柱-鋼結(jié)構(gòu)屋架結(jié)構(gòu)兼具門式剛架跨越能力強(qiáng)及混凝土結(jié)構(gòu)適用性和耐久性好的優(yōu)點(diǎn)，適用于廠房結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)屋架與混凝土柱頂?shù)牟捎勉q接，減小施工難度，屋架和混凝土柱節(jié)點(diǎn)傳力簡(jiǎn)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(jù)屋面的坡度及荷載情況確定屋架的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)屋面坡度小且屋面板采用輕型鋼板時(shí)，應(yīng)采用實(shí)腹式鋼梁方便施工且降低成本；當(dāng)屋面坡度大時(shí)，應(yīng)采用三角桁架或者梯形桁架消除屋架結(jié)構(gòu)對(duì)柱頂水平推力，減小混凝土柱截面及配筋和基礎(chǔ)的大小。

[1]混凝土柱輕鋼屋面廠房分析及設(shè)計(jì)[J].賈遠(yuǎn)林、朱萱.工業(yè)建筑.2012（10）

[2]GB51022-2015.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].2015

[3]GB50009-2012.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].2012

[4]GB50017-2017.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].2017

[5]多高層鋼結(jié)構(gòu)中組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].曲萍.居業(yè). 2020.（03）

TU7

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1007-6344（2021）01-0289-02