混凝土柱輕型鋼屋蓋結構設計

摘要：隨著我國社會經濟的快速發展，建筑行業也在很大程度上實現了又新又快發展，其結構形式也可以說是非常多樣化的，柱為鋼筋混凝土柱，屋面梁為輕型屋面結構體系，屋梁一般采用實腹鋼梁。近年來，這種結構體系被越來越多的人采用。因此，在屋面設備布置不多的情況下，輕鋼板屋面的設計思想已廣泛應用于工業和建筑的主體結構設計中。相對而言，輕型鋼筋混凝土屋蓋結構的設計有節省成本、加快了施工進度、頂層可容納大空間、空間利用率高等優點。基于此，本文在現代我國工業建筑設計現狀的背景下，了解了輕型鋼在工業建筑設計中的重要性及應用，分析了混凝土柱輕型鋼屋蓋結構設計內容，并以福州某企業新建物流基地為例，探討了混凝土柱輕型鋼屋蓋結構設計。

關鍵詞：輕型鋼屋蓋結構;倉庫;結構設計

一、現代工業背景下我國工業建筑設計的現狀

改革開放以來，我國的工業行業的發展速度更是讓人目不暇接，工業生產類型也由傳統的粗放式生產模式向精細的科技化生產模式不斷轉變。工業行業的迅猛發展，也使得人們對于生產廠房的建筑要求也越來越高，以此滿足人們對于日常生產活動的需要。工業建筑設計是工業建筑建設項目的初始階段，也是工程建設項目順利開展的有效保證。所以，為了適應現代工業發展的需要，人們對于生產廠房建筑設計的要求也在不斷增加，人們希望生產廠房的設計不僅僅能夠滿足日常生產活動的需要，還要滿足其它方面的需求。安全生產是企業生產活動的重中之重，企業要求設計人員在進行生產廠房設計時，不僅要考慮生產安全方面的需求，也應該在生產廠房設計過程中加入環保方面的設計理念。

二、輕型鋼在工業建筑設計中的重要性及應用

（一）輕型鋼在工業建筑設計中的重要性

就輕型鋼來說，這種鋼材料的結構造型比較固定，因而極大地方便了材料的批量生產。這樣一來，可以極大地降低材料生產的成本，同時還能提高效率。在工業中，生產材料時往往會造成很大的浪費，但是在生產輕型鋼時，由于它自身結構簡單，極大地減少了浪費的情況。輕型鋼的造型美觀，有著質量輕、便于搬運等一系列的優點，因而被廣泛地應用在工業生產中，給工業建筑帶來了巨大的活力。因其具有綠色環保的特點，成為了一種炙手可熱的建筑材料。因此，鋼結構的設計者們應該高度重視對于鋼結構進行設計，利用扎實的理論依據和豐富的實際操作經驗來針對鋼結構進行改良優化。由于鋼結構的設計涉及了幾何知識，對于工作人員專業技術知識的要求也很高，在其設計過程中也存在一定困難與挑戰。

鋼結構的設計者在進行鋼結構的設計過程中，應該嚴格按照鋼結構的設計方案進行，以鋼結構建設過程的各種施工特點及其性質與工程設計圖紙作為鋼結構的設計指南，將鋼結構的各種設計節點布置落實到位，使整個鋼結構的三維形象清晰，繪制好一張相應的鋼結構設計圖紙，把解決鋼結構在設計過程中存在的質量事故放在第一位。優秀的鋼結構設計工藝離不開專業技術人員夯實扎固的理論基礎和豐富的操作經驗。結構設計師們要特別注意每一個環節、每一次施工，把每個細節擺得很到位，保障了構件安裝和使用的質量。

（二）輕型鋼在工業建筑結構設計中的應用

1、合適的鋼材選擇

在一些工業建筑中，輕鋼結構多用于非承重墻結構。在一些水泥廠房的內壁中，有些人經常考慮復合墻體的形式，所以在施工中需要更加注意兩者之間的壁厚協調。復合墻體大多采用壓型鋼板，壓型鋼板采用鍍鋅或鍍鋁鍍鋅鋼板。可分為大浪、小浪、垂直板塊和水平板塊。施工開始時，有關施工人員應從多方面分析施工材料的選用。本文首先對鋼立面造型進行了分析，從輕鋼結構工業建筑設計的角度出發，通過對大量材料的簡化和增加，可以改變和改善設計材料單一的特點和規律，為促進中國建筑業的繁榮和發展打下堅實的基礎。輕鋼結構與普通建筑在很多方面都有著較大的區別，因此，在實際應用中，要充分結合輕鋼建筑的主要結構特點，保證輕鋼建筑在這一行業的穩定發展。輕鋼結構是指工業建筑中使用的較為規則的形式，立面上的結構較為簡單。其次，要合理控制立面細部構件的結構設計。輕鋼結構工業建筑主要依靠外立面結構進行保溫，通過外立面的設計來提高工業建筑的保溫效果，但這類建筑對室內溫度沒有很大的要求。我國大多數工業建筑采用輕鋼結構。對這種結構進行節能設計，可以提高墻體的保溫性能。

2、金屬壓型鋼屋面的結構設計

在輕鋼為主的屋頂設計中，需要在屋頂上設計一定的采光窗，即所謂的天窗，以及相應的通風管和凸出構件。對于屋頂漏水，我們需要根據實際情況制定解決方案。對于一些邊長、孔徑較小的吊件，施工時可在相應位置涂一定量的硅酮膠，以保證一定的防水效果。對于直徑較大的孔洞，要進行相應的防排水作業，防止積水，影響屋面的使用。在通風設計中，有關人員應處理粉塵、煙霧等的影響。他們可以增加天窗，輔助通風設備等。

3、強柱弱梁的設計

在建筑施工的時候，強柱弱梁比較注意整體的設計。這是由于在施工過程中，當整個鋼結構承受較大的荷載時，需要在梁上連接一個塑料鉸鏈而不是在氣缸上，以保證整個鋼結構在使用過程中不會瞬間損壞。鋼結構在受到一定的外力作用后，可以在很短的時間內迅速恢復到原來的狀態。國家標準在這方面提供了明確的條件和規范。強柱和弱梁必須按設計要求進行計算和分析。只有滿足以上要求，才算合格。

三、混凝土柱輕型鋼屋蓋結構設計內容

（一）結構形式

建筑物內部輕鋼框架和屋蓋構件內部混凝土撐桿支護柱腳應固定牢確。由于在建筑中使用的混凝土柱頂和鋼拱梁之間的連接方法不同，一般在建筑中主要有以下三種類型的連接：（1）柱頂與鋼拱梁鉸接。由于拱腳的位移對鋼拱梁的應力非常敏感，這種建筑的跨距一般在24米以內，（2）鋼拱梁必須鉸接，柱頂兩端各設一根拉桿。一般來說，單極只能承受一定的張力，而不能承受一定的壓力。在通風和吸氣的影響下，拉桿必須保持一定的張緊狀態，否則不適合采用這種結構。因此，對于一般的輕鋼建筑屋蓋，只有當鋼拱梁上部有較大的懸移荷載，且單個拉桿在強風和吸力作用下仍處于被動受拉狀態時，才能采用這種建筑的合適結構。這種建筑的跨度一般在30米以內（3）柱頂用鋼拱梁固定牢固。這種結構與門式剛架相同，但柱的結構和材料不同，故又稱混合門式剛架。由于混凝土柱與鋼拱梁的固定節點施工較為復雜，難度較大，一般很少。鋼拱梁多跨連續，中間混凝土柱頂部鉸接在鋼拱梁底部。

（二）結構構件

鋼拱梁可以采用H鋼、矩形鋼管、雙角鋼組成的T型截面構件，跨度小時可以用熱軋H型鋼，跨度大時考慮經濟宜采用變截面高頻焊接H鋼，在滿足腹板高厚比要求前提下盡量提高腹板的高度，這樣鋼拱梁的用鋼量最少。單拉桿可采用圓鋼，并用花籃螺絲張緊，也可采用雙角鋼、圓鋼管、方鋼管等。吊桿可采用鋼筋或型鋼，僅為減少單拉桿的撓度變形，并不參與結構受力。

（三）結構計算

中國建筑科學研究院編制的PKPM-STS軟件對混凝土柱上輕鋼屋蓋結構能夠進行很合理的計算。這里僅提出幾點應注意的問題。（1）縱向框架應單獨錄入計算，并考慮橫向屋架的荷載作用，復核混凝土柱的配筋。（2）為減少鋼拱梁的平面外計算長度，可在梁下翼緣設置隅撐，隅撐間距不宜大于3米，則其平面外計算長度為隅撐間距。（3）單拉桿應按柱錄入計算，并設置為單拉桿。風荷載較大的地區，采用單拉桿抵抗斜拱梁對柱頂推力的方式不能起到作用，因為單拉桿在受壓時會失效退出工作，建議不采用這種方式。

（四）基礎設計

輕鋼屋蓋結構對混凝土柱的自重很小，采用磚砌體圍護結構，柱底軸力不大。對于沉降要求較低的建筑物，如果淺基礎承載力的特征值達到100kPa，可以采用自然淺基礎，這是最經濟的選擇。如果淺基礎的承載力很低，或者業主對房屋沉降有很高的要求，可以使用樁基礎。預應力樁施工周期短，造價低廉，在該地區得到廣泛應用。雖然柱底軸力較小，但彎矩較大。預應力管樁的抗彎能力較弱，不能設置單樁基礎，只能設置雙樁基礎承受柱底彎矩。當兩樁間距較小時，樁的軸向力較小，彎矩較大，容易被拔出。由于抗拔樁的要求高，施工難度大，經濟性差，建議增加兩樁之間的樁間距，保證基樁不再拔出。

四、混凝土柱輕型鋼屋蓋結構設計要點分析

項目案例：如我們在建的天津及廣州倉儲項目，這個兩個項目主要是兩層的坡道倉庫。第一層、第二層均保證了9米的凈空高度，主要柱距為12m，一層為鋼筋混凝土框架結構體系，二層為混凝土柱和輕鋼屋架的排架結構。這樣的結構設計比整體采用鋼筋混凝土框架結構節約成本，減少高支模等危險工作。二層因為采用了混凝土柱加鋼屋架排架結構，可以局部采取抽柱設計，從而保證二層凈高的基礎上，還保證了大空間設計。

（一）明確項目的結構體系

首先，輕鋼屋蓋采用單桁架進行計算。在單桁架的設計中，應采用混凝土柱和鋼梁的整體造型分析。地震分析采用振型分解反應譜法。結構阻尼比為0.03。混凝土柱的頂部和屋面鋼板梁鉸接，混凝土柱底部是剛性的，中產混凝土柱和鋼梁之間的連接是連續的，和混凝土柱鉸接在底部的鋼梁，鋼筋混凝土柱的連接位置應當能夠滿足國家有關鋼結構技術標準和規范中的相關要求。當采用工字形梁時，應按照門式鋼框架設計規范要求對梁構件的承載能力和強度進行校驗考核，鑒于軸力的作用和變截面梁的穩定性而進行計算，但是局部的穩定性要求應能夠滿足鋼結構設計技術規范和其抗震性能規范的具體要求;撓度控制，由于屋蓋沒有做任何吊頂，且由于考慮到選擇的輕型屋面鋼結構框架體系對于鋼梁的撓度并不是很敏感，所以在計算過程中比較鋼結構框架設計規范更重視撓度控制這一指標（L/400）可適當地放寬，計算中完成了單元撓度極限分析方法。在屋面支承構件計算完成后，將鋼構件替換為整體三維模型，屋面板可定義為彈性板，并通過整體模型進行分析。由于鋼梁對混凝土柱的約束和反應直接與混凝土柱本身的強度有關，而混凝土柱和鋼梁屬于兩種不同的材料，構件的橫向位移由于截面尺寸和剛度的不同而不同，而重型鋼梁的屋面坡度一般為1/10～1/20，鋼梁頂向混凝土柱的坡度會使混凝土柱頂產生較大的推力。在混凝土柱的配筋設計過程中，需要充分考慮這一推力。同時，建筑物基礎的高度也受到水平應力的影響。如果這里考慮的不夠，那么就需要進行混凝土柱的加固，這將會嚴重的小于基礎。

（二）鋼架連接點的設計

輕鋼屋蓋跨度一般為16～37m。為了大大提高建筑工程的實際施工質量，施工人員一般可以通過分段運輸等方式將鋼架運到現場，然后由專業施工人員在現場將各種分段鋼架緊密拼接在一起，也就是說，可有效避免安全事故的發生。但設計人員必須結合鋼架的不同特點，合理設計各種鋼架之間的連接點。根據國家標準，鋼架連接有三種：一種是端板的豎向連接，另一種是端板的水平連接，第三種是端板的斜向連接。

（三）屋面系統的支撐構件設計

在輕鋼屋蓋結構設計中，除了建筑主體框架外，其他支撐構件的設計也不容忽視。主體剛架是主要的承重結構，由頂板和支架相互連接，形成一個完整的結構系統;主要的支撐結構為拉桿和水平支撐，拉桿采用剛性鋼筋，。壓桿的設計必須能夠滿足軸壓應力長細比。一般根據各向同性的受力情況選擇在支座處的各向同性相似鋼梁和在屋脊節點處的各向同性相似鋼梁，并選用不同的各向同性相似的圓管;水平支撐機構圓鋼板作為一種柔性的構件，主要是按照拉桿的方式進行設計的，圓鋼通常用于水平的支撐，圓鋼板在施工時需要進行張拉，截面必須能夠很好地滿足對拉應力的測量要求。

（四）屋面圍護系統構件設計

輕鋼屋蓋一般采用壓型彩鋼板制作，屋蓋薄鋼板的斜邊多為Z形冷彎薄壁型鋼斜邊或Z形直邊。對于應力力學的分析方法，可以考慮小桿或連續桿。在屋面設計過程中，應特別注意檢查屋面翼緣是否能防止上下翼緣的側向位移和扭轉，上下翼緣的平衡和穩定要求是否得到保證，并應及時采取其他措施，保證法蘭的穩定性或增大上下法蘭的截面，使上下法蘭的整體平衡符合設計規范的要求。

結束語：目前，混凝土柱和輕鋼建筑屋蓋結構被廣泛地應用于大型倉庫和工業廠房建筑設計。相對而言，這種建筑結構形式具有其自身的優勢，如：頂層可用空間較大，造價經濟，施工速度快等。目前，混凝土柱輕鋼建筑屋蓋的主體結構設計包括以下幾個方面：一種就是要明確建筑主體結構的特征，選取合理應力學分析和試驗結果來進行主體構件的設計;二是對于鋼架各個部位和連接處的設計，合理地設置鋼架各個連接處可以較好地維持和提高鋼架運動的穩定性;三是建筑屋面系統支撐結構的設計。頂板支持構件的合理設計是如何保證建筑頂板總體性的重要因素;四是建筑屋面圍護體系的主要構件裝飾設計;第五，角撐的合理布置和橫截面的選取，需要建筑工程師有效地維持和提高建筑物的整體設計質量和穩定。

參考文獻：

[1]李謙;陳娟;王曉霞.淺議鋼筋混凝土柱和輕型鋼屋蓋的應用[J].科技致富向導，2011，（18）：402.

[2]劉銘;湯煒.輕型鋼結構廠房屋蓋優化設計[J].工業建筑，2013，43（S1）：371-375.

[3]白曉民.輕型鋼結構工業建筑設計研究[J].黑龍江科學，2014，（11）：59.

[4]楚跟旭.輕型鋼屋面結構標準設計簡析[J].中國標準化，2017，（06）：155.

[5]孟斌.輕型鋼結構建筑結構構件節點分析與綜合評價體系框架初探[C].東南大學，2018.

[6]袁增嶸.一種裝配式輕型鋼結構體系的動力性能研究[C].貴州大學，2019.

[7]曹萬林;劉子斌;劉巖;張宗敏;王如偉.裝配式輕型鋼管混凝土框架-復合墻共同工作性能試驗研究[J].建筑結構學報，2019，（08）：12-22.

[8]付雅娣;商凱光;王益民;張曉煜;黃樹青.雙曲米字梁輕型鋼結構屋蓋施工技術[J].建筑技術，2021，52（01）：38-41.

作者簡介

姓名 楊寧佳 性別 女 民族 漢 籍貫 北京市 單位 中遠海運航空貨運代理有限公司 學歷 本科 職稱 工程師 研究方向 結構設計