劉心潔 趙偉哲 陳博 曾江

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設計院有限公司 秦皇島 066001）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，很多工業(yè)建筑因工藝而生，具有特殊的結(jié)構(gòu)細部，在進行這樣的結(jié)構(gòu)設計時，有時無法完全遵循常規(guī)的規(guī)范與標準進行設計。此時，應該更加注重概念設計的應用，即在把握好結(jié)構(gòu)受力的真實情況和規(guī)律的前提下，充分考慮地震作用和風荷載作用等的傳遞途徑及內(nèi)力重分布狀態(tài)，準確預測結(jié)構(gòu)的破壞趨向，加強結(jié)構(gòu)的關鍵節(jié)點及薄弱環(huán)節(jié)的設計，做到結(jié)構(gòu)設計從大處著眼小處著手，以便在設計規(guī)范中無章可循時，能做到既滿足功能需求又滿足結(jié)構(gòu)安全。

1 下部混凝土擋墻上部鋼結(jié)構(gòu)體系存在問題

在玻璃工廠廠區(qū)，有一部分大跨度的廠房，是用來儲存砂石等原料的倉庫，其特殊的功能需求決定，下部要設計成能堆砌一定高度的散粒狀原材料，如：砂子、白云石、芒硝等，通常會采用懸臂式混凝土擋墻結(jié)構(gòu)；上部屋蓋有時需要架設吊車，以及滿足鏟運機等大型機械進出，所以通常上部都會采用門式剛架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 下部混凝土擋墻上部鋼結(jié)構(gòu)形式廠房

如果將鋼結(jié)構(gòu)柱直接落于混凝土擋墻頂，此種結(jié)構(gòu)因其上下阻尼比不同，無法整體建立模型來計算位移和連接處受力情況，通常的做法就是上下部結(jié)構(gòu)分別計算，但是這種方式經(jīng)常受到施工圖審查單位的質(zhì)疑：一方面這種混合結(jié)構(gòu)形式在規(guī)范中無章可循，適用性和安全性無法考查；另一方面，上下結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度分布不均，阻尼比不同，無法通過常規(guī)計算軟件整體計算。

為了避免此種困擾，設計人員有時不得已會將鋼結(jié)構(gòu)柱與混凝土擋墻脫開，鋼結(jié)構(gòu)柱直接落于地面，設置獨立基礎，擋墻底板置于獨立基礎之下，如圖2所示，這樣就避免了混合結(jié)構(gòu)在規(guī)范中無據(jù)可依，在計算中無軟件可用的處境。但是，因為鋼柱對于建筑場地的額外占用和耗材的增多，建設單位的投資成本提高。

綜合考慮，工程設計中還是采用將上下結(jié)構(gòu)直接做成一體，而在鋼柱下端設置埋設于擋墻中的混凝土短柱的方式代替以往的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)的設計關鍵在于上下結(jié)構(gòu)的相互影響分析及連接節(jié)點的設置。本文以一個設計實例為例，用概念設計的思維分析總結(jié)這種結(jié)構(gòu)的設計要點。

2 設計要點

某原礦倉庫采用上部單層門式剛架、下部鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，無吊車，長72 m，寬24 m，鋼梁底標高8.5 m，柱距為9 m，跨度為24 m，大跨度、大空間的功能需求決定了適宜采用上部鋼結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，而下部要求能堆4 m高原礦材料而采用了懸臂式混凝土擋墻。上部門式剛架在風荷載等作用下將力通過鋼柱傳至柱底，作用于混凝土擋墻。首先，單獨驗算上部門式剛架結(jié)構(gòu)，滿足設計要求后，將柱底作用力反作用于下部擋墻結(jié)構(gòu)，而擋墻結(jié)構(gòu)在堆砌物的作用下，擋墻頂將會發(fā)生側(cè)移，從而作用給上部結(jié)構(gòu)。

（1）鋼結(jié)構(gòu)對鋼筋混凝土擋墻的作用力

在下部擋墻設計時，首先取一跨為計算單元，把下部堆料對擋墻產(chǎn)生的水平推力取單位長度計算，在此基礎上，將上部鋼結(jié)構(gòu)計算的反作用力（圖4）均分后計入此計算單元。

圖4 鋼柱對擋墻作用力示意

在以上合力的作用下計算擋墻尺寸和配筋。需要特別說明的是：①對于鋼柱下的混凝土短柱，因其兩側(cè)混凝土擋墻的共同作用，實際受力減少，可以比無混凝土擋墻情況下適當減少配筋量。但是，對于短柱下基礎設計，因為大水平推力、單邊超載情況的存在，偏心傾斜荷載使得地基承載力降低，應該在設計短柱下基礎時，計算地基承載力過程中，謹慎修正，保守取值［1］；②混凝土短柱所受荷載很大而柱距又過大時，短柱附近的受力要大于平均值，按照此種簡化計算方法，會使混凝土柱附近的擋土墻配筋偏小，而兩短柱中間的擋土墻區(qū)域配筋偏大。

（2）位移作用對鋼結(jié)構(gòu)的影響

GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》3.3.1中規(guī)定：在風荷載或多遇地震標準值作用下的單層門式剛架的柱頂位移值不應大于表1中規(guī)定的限值［2］。

表1 剛架柱頂位移限值

GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》（2016年版）5.5.1規(guī)定：鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)應進行多遇地震作用下的抗震變形驗算，其樓層內(nèi)最大的彈性層間位移應符合式（1）要求［3］：

式中：Due——多遇地震作用標準值產(chǎn)生的樓層內(nèi)最大的彈性層間位移；計算時，除以彎曲變形為主的高層建筑外，可不扣除結(jié)構(gòu)整體彎曲變形；應計入扭轉(zhuǎn)變形，各作用分項系數(shù)均應采用1.0；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面剛度可采用彈性剛度；

［qe］——彈性層間位移角限值，宜按表2采用。

表2 彈性層間位移角限值

相比框架與鋼結(jié)構(gòu)的位移比限值可知，門式剛架對于位移限值的要求遠遠低于框架，對于變形的適應性非常強。而下部懸臂式混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，埋置于土中，已通過抗滑移及抗傾覆驗算，在柱頂作用以及堆料側(cè)壓力的作用下，位移是非常小的，完全可以將擋墻視為上部門式剛架的不動支座。

（3）連接節(jié)點設計

在考慮上下部相互作用的前提下，將上部鋼結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)的計算思路分別分析清晰之后，最關鍵的問題便是連接節(jié)點的設計。

門式剛架與下部混凝土結(jié)構(gòu)的連接主要有兩種形式：剛接與鉸接，區(qū)分的主要依據(jù)在于下部混凝土結(jié)構(gòu)是否承擔柱底彎矩。為更接近于實際受力情況，GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》5.1.4條規(guī)定，門式剛架的柱腳宜按鉸接支承設計。當用于工業(yè)廠房且有5 t以上橋式吊車時，可將柱腳設計成剛接。

本案例設計成鉸接，鉸接節(jié)點設置時，要注意抗剪鍵的留置，即柱底水平反力不宜用柱腳錨栓來承擔，而應該依靠結(jié)構(gòu)間摩擦力或者抗剪鍵承擔，抗剪鍵一般由十字板或H型鋼組成，在基礎頂預留孔槽或埋件，不可用角鋼或扁鋼支邊抗剪［4］。

3 結(jié)語

下部混凝土上部鋼結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)，近年來的應用越來越多，懸臂式擋土墻作為鋼結(jié)構(gòu)柱底錨固端要比混凝土框架結(jié)構(gòu)受力簡單清晰，較易滿足結(jié)構(gòu)安全，在實際應用方面也更普遍，這種結(jié)構(gòu)形式也經(jīng)受住了實踐驗證。只要保證結(jié)構(gòu)①上部鋼結(jié)構(gòu)自身滿足規(guī)范要求，②下部混凝土擋墻滿足強度、抗滑移、抗傾覆要求，③連接節(jié)點安全可靠，便可以實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)體系的整體安全可靠，滿足使用功能要求。