1、混凝土柱轻钢屋面的厂房设计吴桂峰中铁十一局集 团建安公司 湖北襄樊441057摘 要：混凝土柱，实腹钢梁，轻型钢屋面，这样的厂房不同于全钢结构厂房，设计时不能简单的把门式刚架的钢柱替换为混凝土柱。当然更不能按钢筋混凝土厂房来设计。本文针对此种结构的特点阐述了设计时要注意的几个问题。关键词：混凝土柱 轻钢屋面 厂房设计1 前言单层厂房采用的结构形式，随着吊车起重量、厂房跨度和高度的不同，根据所采用承重结构的材料可分为砖混结构、钢筋混凝土结构和钢结构三种。对于无吊车或吊车起重量不超过 5 吨，跨度小于 15m，柱顶标高不超过 8m 的小型单层厂房，可以采用砖墙、钢筋混凝土柱和钢筋混凝土屋面梁或屋架
2、的砖混结构，此种厂房比较少见。当吊车起重量超过150 吨，跨度大于 36m，则应采用钢屋架、钢柱的全钢结构，这种厂房自重轻，跨度大，施工周期短，但造价较高，被广泛用于大跨度或大型厂房。除上述两种情况以外的大部份单层厂房，都可以采用钢筋混凝土（或预应力混凝土）屋架和钢筋混凝土柱的钢筋混凝土厂房。这种结构虽然造价比钢结构低，但自重大，屋架形式受跨度影响大，大跨度屋架施工复杂，工期长。正是在这样的背景下诞生了混凝土柱，实腹钢梁，屋面为轻型钢屋面的结构体系，这类结构具有钢结构跨度大，施工周期短的优点，造价却比全钢结构要低。所以在近几年国内的实际应用中较为常见。下面就这类结构的设计作一下简单的介绍，以供
3、大家讨论。2 计算程序设计这类结构仍是用 STS 里面门式刚架的程序来计算，建模的顺序跟设计门式刚架一样，但由于混凝土柱与钢梁的连接处理难以达到刚接连接，因此梁柱的连接一般采用铰接连接形式，而一般门式刚架结构边刚架柱与梁的连接均采用刚接连接形式，由于连接形式的不同，致使这种体系单榀刚架的受力截然不同于一般的门式刚架，设计时不能简单的把门式刚架的钢柱替换为混凝土柱，应根据这类结构体系的特殊性有针对的进行设计。3 连接形式混凝土柱与钢梁采用铰接连接，混凝土柱底采用刚接，多跨情况下的中间混凝土柱与钢梁的连接采用钢梁连续，混凝土柱铰撑于钢梁底面。4 规范选择这类结构已经超出门规的使用范围，结构类型应选
4、择“单层钢结构厂房” ，如果为抗震地区且选择了地震作用计算，程序会自动按照抗震规范第九章关于单层钢结构厂房的规定进行控制；混凝土柱应按混凝土结构设计规范进行设计，满足混凝土结构设计规范相应要求，钢梁应满足钢结构设计规范相关要求，当采用工形变截面梁时，建议梁构件承载力的校核采用按门式刚架规程进行校核，以考虑轴力的影响与变截面梁的稳定计算，但局部稳定应满足钢结构设计规范、抗震规范的要求；挠度控制，考虑到所采用的轻型屋面体系对钢梁挠度不是非常敏感，在有经验的情况下可较钢结构设计规范的挠度控制指标（L/400）适当放宽。5 单榀设计5.1 建模单榀设计时，应采用混凝土柱与钢梁整体建模分析。钢梁对混凝土
5、柱的约束反力与混凝土柱本身的刚度是直接相关的，为反映真实的内力情况，应该进行整体分析，并以整体分析的结果来设计基础、混凝土柱的配筋与钢梁。把它们分开来分别进行设计，往往使设计结果带来不安全的隐患：如果在柱与基础设计时，没有考虑屋面斜钢梁对柱的推力，会导致柱配筋与基础的设计严重偏小，按这种方式设计的结构在安装过程中就有可能出现基础被翘起、混凝土柱顶位移过大、柱身出现裂缝、钢梁挠度过大等问题。而在分析钢梁时，把钢梁两端视为固定铰支座或建两根很短的下端刚接柱作为支座都会夸大混凝土柱对钢梁的约束作用，导致钢梁轴力增大、跨中弯矩减小、挠度减小等不真实情况，这时往往会出现安装后的钢梁的挠度要大于计算挠度、
6、钢梁有可能整体屈服失稳、局部压屈等不安全问题。5.2 计算程序自动根据整体分析得结果，按照混凝土结构设计规范进行混凝土柱的配筋计算，按选定的钢梁构件验算规范进行钢梁的校核，在布置基础的情况下，同时根据整体分析柱底力完成基础的计算。6 整体设计6.1 混凝土柱与钢梁的铰接连接处理一般存在三种连接构造处理：完全抗剪连接构造，这种连接构造能够把梁端的推力以剪力的方式完全传递给混凝土柱；完全滑移连接构造，这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶自由滑移，梁端的推力由于相对的滑移而释放，作用力不传递给混凝土柱；介于以上二者之间的部分滑移连接构造，这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶有一定的滑移量，梁端的推力由于
7、相对的滑移而部分释放，剩余作用力以剪力的方式传递给混凝土柱。6.2 三种计算模型的内力分析下表为某一单跨结构不同的连接计算模型的分析结果比较：砼柱钢梁连接计算模型不同的分析结果比较表砼柱钢梁连接构造柱底弯矩（kn.m）砼柱配筋（mm 2）基础尺寸（mm）钢梁跨中弯矩 钢梁最大挠度 钢梁应力比完全抗剪 209.0 1615 2940 194.5 78.9 0.9完全滑移（实算最大滑移：50mm） 60.5 700 1820 257.2 97.1 1.08部分抗剪（控制最大滑移20mm） 127.1 957 2500 219.1 86.0 0.97从上表的比较结果可以看出，不同的计算模型，对内力分
8、析结果、设计结果影响非常大：如果一个完全抗剪的连接构造，分析时采用完全滑移的分析模型（砼柱单独作为悬臂柱计算，不考虑钢梁的推力，也属于这种情况） ，会导致柱的配筋、基础尺寸严重的偏小，带来的后果如同上面柱与基础设计不考虑钢梁的推力的情况一样。而分析时采用的是铰接完全抗剪模式，实际处理时处理成了长圆孔等滑动支座形式，这会导致钢梁的强度应力比、挠度等计算结果严重偏小，同样给钢梁的设计带来不安全隐患。6.3 程序的处理考虑混凝土柱与钢梁的不同构造连接，可以通过设置混凝土柱的柱顶不同约束情况来实现。6.3.1 完全抗剪连接构造：普通的铰接连接。6.3.2 完全滑移连接构造：采用铰接混凝土柱顶定义约束为
9、“水平方向自由滑动” 。6.3.3 部分滑移连接构造：采用铰接混凝土柱顶定义约束为“约束水平方向相对位移差”。 对于定义完全滑移与部分滑移的分析模型，必须保留一个梁端为完全约束的普通铰接节点，否则会出现分析上的可变体系，使分析无法进行。在定义完全滑移或部分滑移约束的情况下，程序分析结果中，在查看该混凝土柱的构件信息时，能够发现程序实际分析出来的滑移量，根据分析结果可以用来处理设置滑移的节点构造。6.4 施工图的处理门式刚架施工图程序中，能够根据整体分析的结果，处理这类节点及钢梁的施工图。在容许滑移的连接节点施工图中，底板设置长圆孔，长圆孔标注的长度尺寸为支座底板相对于支承面的容许滑移距离，为保
10、证滑移的顺利进行，垫板与底板之间不应施焊，底板于混凝土柱顶接触面处理应保证支座底板与支承面间在容许距离内自由滑动。对于限制滑移量的连接节点中，当滑移量达到容许距离时支承面应设置可靠抗剪措施，限制继续滑移，使剩余剪力能够完全传递给柱。7 施工图的绘制施工图的绘制：混凝土柱身配筋图，可以在 STS 二维整体分析的基础上，接力 PK 进行绘图，有吊车作用的混凝土排架柱，直接接 PK 模块中的排架柱绘图，普通无吊车混凝土柱，接 PK 模块中的框架绘图。钢梁及屋面构件详图在 STS 里绘制。8 其它构造处理对于风载较大的地区，当风的作用能够克服屋面自重作用(组合：1.0 恒1.4 风)，出现屋面作用力向
11、上的情况，这时通过在柱顶设置单拉杆来抵抗梁对柱顶的推力作用，会由于出现压力致使该单拉杆失效而退出工作，这时剪力还是能够传递到混凝土柱与基础，对于这种情况，这种处理是不能起作用的，不建议采用这种处理。9 结束语综上所述，混凝土柱实腹钢梁单层厂房与门式刚架有相同之处，又有其不同之处。相同之处在于其单个构件的计算和校核，如钢梁的强度、刚度，稳定性，以及檩条和屋面板的计算和构造。不同之处在于梁和柱是铰接连接，梁柱受力不同于门式刚架。理解它的受力原理是做好结构设计的关键。参考文献：1 GB50017-2003，钢结构设计规范，中国建筑工业出版社，20032 GB50010-2002，混凝土结构设计规范，
12、中国建筑工业出版社，20023 GB50011-2001，建筑抗震设计规范，中国建筑工业出版社，20014 CECS102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程，中国 计划出版社，2003 5 候兆欣、李秀川，轻型钢结构建筑节点构造，机械工业出版社，2004，2228 页6 中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部， STS 技术条件， 2005 7 中国建筑科学研究院 PKPM CAD 工程部， STS 用户手册， 20058 周学 军 、王建明， 门式刚架轻钢结构设计与施工，山 东科学技术出版社，2004 ，4449 页作者简介：姓 名：吴桂峰 ； 出生年月：1980.11； 性 别：男； 职 称：助理工程师；最高学历：本科； 毕业时间：2005 年； 学 校：武汉理工大学； 专 业：房屋建筑工程；通讯地址：湖北省襄樊市长虹北路 3 号中铁十一局集团建安公司设计所；联系电话：13597537038
