龔 捷

(云南化工設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明 650041)

鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展比較迅速。鋼結(jié)構(gòu)的特性是強(qiáng)度高、自重輕、安裝施工周期短等。合理高效的利用此類(lèi)結(jié)構(gòu)，對(duì)工程造價(jià)的控制非常重要。工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，建構(gòu)筑物一般需要較大柱網(wǎng)及空間。因此，門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，已成為建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類(lèi)型之一。但有業(yè)主希望采用混凝土柱代替鋼柱，而屋面仍采用原門(mén)式剛架體系。這是出于減小用鋼量，省去防腐及防火涂料費(fèi)用，或滿足建筑功能方面的考慮。在石油化工領(lǐng)域，這類(lèi)結(jié)構(gòu)形式既充分發(fā)揮混凝土柱側(cè)向剛度好、抗壓強(qiáng)度高、防腐防火性能好的優(yōu)勢(shì)，也發(fā)揮了鋼梁抗彎性能好、自重輕、跨度大的特點(diǎn)。

1 實(shí)例介紹

我公司2018年承接了臨滄億金再生能源科技有限公司臨翔區(qū)生活垃圾資源化處理的工程項(xiàng)目。此項(xiàng)目建設(shè)地位于云南省臨滄市，子項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容有：有機(jī)肥裝置廠房、垃圾分類(lèi)裝置廠房、沼液處理廠房、綜合處理間、成品庫(kù)、變電所、沼氣儲(chǔ)罐區(qū)、消防水站、污水處理站、綜合辦公樓、倒班宿舍等多項(xiàng)建構(gòu)筑物。廠房結(jié)構(gòu)形式均采用了混凝土框排架結(jié)構(gòu)，實(shí)腹鋼梁輕型屋蓋。

1.1 混凝土柱實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)工業(yè)建構(gòu)筑物的特點(diǎn)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮設(shè)備布置、工藝配管的需求及范圍。設(shè)備布置有多種放置形態(tài)，應(yīng)結(jié)合造價(jià)因素，臥式及立式放置對(duì)建構(gòu)筑物的高度、坡向等局限性要求，在滿足適用、生產(chǎn)、使用、檢修條件下合理采用建構(gòu)筑物高度及跨度。按照以上條件，混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)屋面常采用單跨單坡、單跨雙坡、多跨雙坡、側(cè)向高跨雙坡低跨單坡的形式，如圖1所示。本工程采用(B)形式。

(A) (B)

對(duì)于混凝土柱實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)，從材料性質(zhì)來(lái)看，提高混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度的比值是混凝土改性的重要方面，而鋼梁為彈性材料，抗彎承載力較高。兩種完全不同性質(zhì)的材料，如何采用可靠的連接方法，才能讓不同的材料發(fā)揮本身的優(yōu)勢(shì)。若考慮體系的材料節(jié)約及節(jié)點(diǎn)的處彎矩分配，兩者材料的連接節(jié)點(diǎn)需采用剛性連接，可兩者較難達(dá)到剛性連接。理論上的混凝土柱與鋼梁連接可作為剛性節(jié)點(diǎn)，參照鋼柱外包式剛接柱腳做法。但在實(shí)際制作、吊裝安裝時(shí)難以達(dá)到理論上的剛性連接，與實(shí)際計(jì)算簡(jiǎn)圖有出入，且施工程序較多、較復(fù)雜，還要考慮設(shè)備進(jìn)場(chǎng)吊裝時(shí)間、各節(jié)點(diǎn)的施工，吊裝時(shí)間難以控制。因此設(shè)計(jì)時(shí)，鋼梁與混凝土柱頂?shù)倪B接一般采用鉸接連接形式，即橫向類(lèi)似排架結(jié)構(gòu)，縱向混凝土框架結(jié)構(gòu)，混凝土柱底采用剛性連接，如圖1(A)所示。

橫梁為實(shí)腹式熱軋或焊接工字型鋼，一般采用變截面。在單層工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中，橫向純排架結(jié)構(gòu)的做法，如混凝土柱加梯形鋼屋架，屋架可視為一個(gè)空間不變桁架體系。橫梁的軸向位移很小，屋架體系可形成較大的剛體，屋面假定為剛性的，即橫梁的軸向變形可忽略不計(jì)。整體模型計(jì)算時(shí)，屋架可模擬為剛性無(wú)限大的剛性桿，但在混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)體系中，此體系不完全和純排架結(jié)構(gòu)體系相同。此體系中，混凝土柱頂與鋼梁鉸接不產(chǎn)生彎矩，但鋼梁屋蓋體系中，鋼梁自身不形成剛體，始終會(huì)對(duì)柱頂產(chǎn)生一個(gè)水平作用力。在模擬計(jì)算時(shí)需考慮此水平力產(chǎn)生的不利影響，特別對(duì)于有設(shè)橋式吊車(chē)時(shí)，對(duì)軌頂位移的控制需更加留意。

1.2 設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)范的選用

如1.1所述，不同材料的連接有著多種多樣形式。按照理論的計(jì)算假定，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有剛性連接及鉸接連接做法，此計(jì)算假定需與計(jì)算簡(jiǎn)圖一一對(duì)應(yīng)。不同連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方式，對(duì)整體分析及構(gòu)件內(nèi)力情況有較大的區(qū)別。由于節(jié)點(diǎn)連接形式的不同，致使此類(lèi)結(jié)構(gòu)形式與單榀門(mén)式剛架的計(jì)算簡(jiǎn)圖、計(jì)算內(nèi)力截然不同，這類(lèi)結(jié)構(gòu)已經(jīng)超出了門(mén)剛規(guī)范的適用范圍。故不能直接采用《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行此類(lèi)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用整體模型分析、單榀復(fù)核的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于混凝土柱，應(yīng)根據(jù)整體分析得到的結(jié)果，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行混凝土柱的計(jì)算及構(gòu)造；至于鋼梁，對(duì)具有輕型屋蓋系統(tǒng)或吊重較小的電動(dòng)單梁起重機(jī)，此類(lèi)型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合抗震區(qū)域的地震作用計(jì)算，同需滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中單層工業(yè)廠房的相關(guān)規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)部分在制作和安裝時(shí)可參考《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行，但也應(yīng)進(jìn)行整體模型分析。特別是兩種不同材料之間內(nèi)力分布，剛度位移的影響。對(duì)于廠房跨度較大、屋蓋荷載較重及對(duì)水平位移比較敏感(如吊重大于 5 t，工作級(jí)別高于A5的橋式吊車(chē))的情況，鋼梁的設(shè)計(jì)應(yīng)整體模型分析，在滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)要求前提下，結(jié)合門(mén)剛規(guī)范進(jìn)行校核。其中，鋼梁應(yīng)按壓彎構(gòu)件驗(yàn)算平面內(nèi)穩(wěn)定性，考慮軸力對(duì)鋼梁的影響。對(duì)于鋼梁撓度的控制，可以綜合考慮鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)以及輕鋼規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行控制。綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性的因素，大跨度鋼梁撓度指標(biāo)可按L/240進(jìn)行控制。

1.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

在假定條件滿足的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)采用整體模型分析。若屋蓋系統(tǒng)(鋼梁部分)與下部混凝土柱分開(kāi)計(jì)算，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)連接處為鉸接連接模擬，不能真實(shí)反映混凝土柱的自身剛度。不考慮鋼梁對(duì)混凝土柱的水平力，會(huì)對(duì)混凝土的內(nèi)力產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致混凝土柱的配筋偏小，對(duì)柱產(chǎn)生不利的配筋和位移影響。對(duì)于帶吊車(chē)的淺基礎(chǔ)情況，基礎(chǔ)的零應(yīng)力區(qū)控制將不滿足規(guī)范；對(duì)不帶吊車(chē)的淺基礎(chǔ)情況，基礎(chǔ)的零應(yīng)力區(qū)比例將增大；對(duì)于帶吊車(chē)且采用單柱單樁的情況，樁基將產(chǎn)生壓彎、剪壓應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)廠房類(lèi)跨度均較大，但上部荷載不大，在無(wú)吊車(chē)布置時(shí)，通常情況下基礎(chǔ)為單柱單樁布置，且只能在廠房縱向布置拉梁。另一個(gè)方向是沒(méi)有條件布置拉梁的，即柱底彎矩?zé)o法完全靠拉梁承擔(dān)，若計(jì)算簡(jiǎn)圖不真實(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)是不利的，則上述的計(jì)算分析都將成為不安全隱患。

1.3.1 鋼梁的分析

在混凝土柱實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合連接節(jié)點(diǎn)的假定，工字形截面鋼梁計(jì)算簡(jiǎn)圖為兩端簡(jiǎn)支支座的鋼梁。構(gòu)件鋼梁通常情況下為抗彎強(qiáng)度控制，對(duì)于鋼梁面外的穩(wěn)定計(jì)算，與屋蓋的水平支撐系統(tǒng)布置有很大關(guān)系。鋼梁翼緣主要以抗彎為主，腹板主要以受剪為主。加大鋼梁的截面高度，隨即增大腹板的高度，在滿足抗剪、抗彎承載力、穩(wěn)定性計(jì)算及構(gòu)造要求的前提下，使之抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、穩(wěn)定性應(yīng)力值大致平均，可有效調(diào)節(jié)各應(yīng)力的平衡。因此從構(gòu)件截面和內(nèi)力分布的來(lái)看，按有效截面概念設(shè)計(jì)，滿足構(gòu)件高厚比、寬厚比等構(gòu)造，采用的鋼梁截面，高而薄的腹板。當(dāng)腹板的寬厚比不滿足，差很少的情況，可通過(guò)設(shè)置縱向加勁肋的方法來(lái)減小，不宜采用較大的截面(造成材料的浪費(fèi))。對(duì)于單構(gòu)件，在滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定情況下，應(yīng)當(dāng)采用高截面、薄腹板的鋼梁設(shè)計(jì)，因?yàn)楦拱宓母叨容^大，可能會(huì)引發(fā)腹板屈曲。板件屈曲仍具有一定的承載能力，但承載力并不會(huì)立刻喪失，此過(guò)程的承載力并不是成比例的直線性變化，并且在此過(guò)程中，利用鋼材的屈服強(qiáng)度相對(duì)來(lái)說(shuō)也是較為可觀的。另外，鋼梁主要是抗彎為主，通常鋼梁軸力較小，控制截面為跨中的正彎矩點(diǎn)，這也只簡(jiǎn)支鋼梁控制截面的主要因素。因此，此類(lèi)結(jié)構(gòu)形式的鋼梁可將截面高的位置與彎矩圖正向彎矩匹配，使之包絡(luò)圖與截面高做線性變化，進(jìn)而鋼梁的任意截面處同時(shí)達(dá)到或接近承載力，更有效的利用鋼梁截面。

1.3.2 屋蓋水平支撐系統(tǒng)的分析

屋蓋鋼梁不僅要滿足抗彎、抗剪承載力，同時(shí)鋼梁的穩(wěn)定性也是重要的計(jì)算要點(diǎn)，這也和屋面的水平支撐系統(tǒng)有很大關(guān)系。水平支撐的合理布置不僅能有效傳遞水平力，還能有效的節(jié)約鋼材，這也就意味著水平支撐系統(tǒng)并不是可有可無(wú)的，而是與屋蓋結(jié)構(gòu)緊緊相關(guān)的，是不可忽略的重要組成部分，與房屋是一個(gè)整體，是山墻風(fēng)荷載、水平地震力、吊車(chē)水平剎車(chē)力的重要的傳力途徑。屋蓋水平支撐構(gòu)件宜設(shè)于邊跨山墻側(cè)。在工藝、設(shè)備，建筑布置不滿足時(shí)，可設(shè)于縱向柱間距第二跨。當(dāng)廠房縱向長(zhǎng)度太長(zhǎng)，需在合理間距范圍再設(shè)一道水平支撐，形成屋蓋系統(tǒng)的平面桁架，以提高屋蓋的整體性。水平承載力和空間剛度，使之更有效傳遞水平力。結(jié)合結(jié)構(gòu)布置，此結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)的布置與門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)屋面支撐系統(tǒng)有很多類(lèi)似之處，但也有其自身特點(diǎn)，如圖2。

圖2 屋面鋼梁及水平支撐平面布置圖

屋面板采用鋼筋混凝土?xí)r，混凝土板設(shè)于鋼梁上翼緣，即可在鋼梁上翼緣設(shè)置剪力釘；屋面板下設(shè)壓型鋼板，形成組合屋面板。亦可采用壓型鋼板作為屋面底模形成屋面板，屋面板宜按單向板布置。此板在面外具有很大剛度，保證了鋼梁的上翼緣的穩(wěn)定，至此可以不設(shè)置上翼緣的水平支撐。但從施工角度上看，在澆筑混凝土屋面板前，為保證施工時(shí)的穩(wěn)定性，可按照構(gòu)造臨時(shí)加設(shè)水平支撐，但可不作為整體計(jì)算的控制點(diǎn)?；炷吝_(dá)到強(qiáng)度后可進(jìn)行拆除，亦可保留。

采用復(fù)合壓型鋼板的柔性屋面，H型鋼次梁兼做檁條。在單獨(dú)設(shè)屋面檁條時(shí)，當(dāng)檁條滿焊于檁條，復(fù)合壓型鋼板有較長(zhǎng)搭接長(zhǎng)度，且有可靠的自攻釘連接。理論上壓型鋼板可保證上翼緣的穩(wěn)定性，但應(yīng)考慮施工實(shí)施的完整性。特別對(duì)于單層壓型鋼板，沒(méi)有足夠的剛度往往不能完全保證穩(wěn)定性，則需設(shè)置上弦橫向水平支撐。支撐可十字交叉布置，按受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)。在縱向水平傳力途徑中，鋼梁的下弦橫向水平支撐通常理解為能作為山墻抗風(fēng)柱的支點(diǎn)，是保證鋼梁穩(wěn)定的重要措施，必須嚴(yán)抗風(fēng)柱間距合理布置。當(dāng)鋼梁跨度較大時(shí)，鋼梁一般采用高強(qiáng)螺栓拼裝節(jié)點(diǎn)?？紤]材料的運(yùn)輸、吊裝的可行性，鋼梁的拼接位置也有講究。拼裝節(jié)點(diǎn)通常設(shè)于彎矩較小處，不建議設(shè)于彎矩較大處。避開(kāi)彎矩較大處可有效減少拼接節(jié)點(diǎn)處的螺栓數(shù)量，其熱軋或工廠焊接的工字型截面鋼梁有較好的連續(xù)性。此外，拼接節(jié)點(diǎn)也宜避開(kāi)抗風(fēng)柱位置處，間距錯(cuò)開(kāi) 1 m 為宜。節(jié)點(diǎn)過(guò)于集中，對(duì)節(jié)點(diǎn)受力和施工不利，縱向、橫向，上翼緣、下翼緣支撐系統(tǒng)的合理布置，在整個(gè)體系中即可形成封閉完整的空間幾何不變體系。

系桿同屬于屋蓋水平支撐系統(tǒng)的重要組成部分，作用與水平支撐相輔相成，達(dá)到共同抵抗水平力的作用。一方面保證無(wú)支撐開(kāi)間處屋蓋梁的側(cè)向穩(wěn)定，因?yàn)槲萆w在縱向及橫向形成的水平桁架體系；另一方面可以減少屋蓋鋼梁的平面外計(jì)算長(zhǎng)度。在沿抗風(fēng)柱水平支撐位置處，沿縱向的系桿應(yīng)按通長(zhǎng)受壓剛性系桿布置，剛性系桿在鋼梁的布置位置應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的大小，宜設(shè)于鋼梁上翼緣下側(cè) 150 mm 處。對(duì)于水平力不大的情況，在無(wú)支撐開(kāi)間處可按柔性系桿布置，但不可完全按照受拉構(gòu)件控制。此做法的適用與鋼梁的平面計(jì)算長(zhǎng)度相互對(duì)應(yīng)，不可盲目減小計(jì)算長(zhǎng)度，以免造成不安全的隱患。

1.3.3 混凝土柱的分析

在此類(lèi)結(jié)構(gòu)中，對(duì)于橫向，因跨度較大，混凝土柱有較大的抗側(cè)力剛度，為主要的抗側(cè)力構(gòu)件?；炷林孛娌粦?yīng)設(shè)為正方形截面柱。根據(jù)受力特點(diǎn)及吊車(chē)水平剎車(chē)力的組合，橫向的柱截面應(yīng)大于縱向的柱截面，以提供足夠大的側(cè)向剛度；縱向應(yīng)形成可靠的水平傳力結(jié)構(gòu)體系，可形成混凝土框架，或加設(shè)柱間支撐。但需留意的是，通過(guò)驗(yàn)算，在高烈度和風(fēng)荷載較大的地區(qū)，在只能設(shè)柱間支撐的情況時(shí)，柱間支撐并不是構(gòu)件強(qiáng)度或構(gòu)造控制，往往是節(jié)點(diǎn)的承載力控制。此類(lèi)結(jié)構(gòu)結(jié)合屋蓋的鋼梁的不利影響，適宜采用整體分析。當(dāng)有橋式吊車(chē)時(shí)，應(yīng)考慮吊車(chē)水平剎車(chē)力，即軌頂?shù)奈灰浦担浣钜m當(dāng)加強(qiáng)以考慮不利影響。

1.4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.4.1 混凝土柱與鋼梁鉸接的連接

混凝土柱與鋼梁的連接有多種連接方式，較為常用為：

1)混凝土柱側(cè)預(yù)埋鋼板，鋼梁通過(guò)節(jié)點(diǎn)板與埋件焊接或螺栓連接；

2)鋼梁端側(cè)設(shè)置端板，鋼梁端板與柱側(cè)或者柱頂化學(xué)錨栓進(jìn)行固定，端板上的連接板與鋼梁腹板螺栓連接；

3)對(duì)于需釋放柱頂水平力的情況，柱頂可預(yù)埋鋼板及螺栓，鋼梁置于混凝土柱頂，鋼梁下翼緣設(shè)長(zhǎng)圓孔，下翼緣板不與預(yù)埋鋼板焊接，墊板不與下翼緣焊接，形成滑動(dòng)鉸支座。

結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例分析及以上連接方式，現(xiàn)對(duì)不同受力的連接構(gòu)造細(xì)分為三種形式：完全抗剪連接構(gòu)造，完全滑移連接構(gòu)造，部分滑移連接構(gòu)造。

完全抗剪連接構(gòu)：此連接構(gòu)造即為典型的鉸接連接節(jié)點(diǎn)，混凝土接受鋼梁傳遞過(guò)來(lái)的剪力(即水平推力)；完全滑移連接構(gòu)造：釋放鋼梁傳遞過(guò)來(lái)的水平推力，形成相對(duì)的自由滑動(dòng)；部分滑移連接構(gòu)造：鋼梁與柱頂連接處制定限位措施，即當(dāng)滑動(dòng)量達(dá)到一定程度后，限位后剩余水平力傳遞至混凝土柱。

1.4.2 3種計(jì)算模型的內(nèi)力分析

從不同的連接方式分析(見(jiàn)表1)，約束的不同，結(jié)果相差很大。怎樣合理采用不同的連接方式，不同的項(xiàng)目客觀制約因素不同，需根據(jù)工程實(shí)際情況具體分析。

表1 砼柱鋼梁連接計(jì)算模型不同的分析結(jié)果比較表

1.4.3 拉條布置及其它

合理的構(gòu)造布置及處理是保證房屋安全的重要措施。通常情況下，簡(jiǎn)單的單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)均為風(fēng)荷載作用控制，屬風(fēng)荷載敏感性結(jié)構(gòu)。特別是對(duì)于基本風(fēng)壓較大的地區(qū)，屋面常形成向上的推力，為風(fēng)吸力控制。在計(jì)算屋面檁條時(shí)，拉條的布置位置和道數(shù)及計(jì)算緊密聯(lián)系；對(duì)于屋面板剛度較大，能保證上翼緣穩(wěn)定，即不會(huì)產(chǎn)生上翼緣失穩(wěn)定的情況，可將拉條布置于靠下翼緣側(cè)；對(duì)于體型系數(shù)較大的房屋，屋面板剛度較小的單層壓型鋼板，同時(shí)在上、下翼緣失穩(wěn)的情況，需設(shè)置雙層拉條，位置可盡量靠翼緣的上下側(cè)，滿足施工的預(yù)留空間，一般情況下取三分之一位置處。

1.4.4 伸縮縫的設(shè)置

房屋縱向結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架，溫度產(chǎn)生的應(yīng)力不可不計(jì)，需按照混凝土框架體系考慮伸縮縫的設(shè)置，最大間距要求按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》構(gòu)造規(guī)定采用。

2 結(jié)語(yǔ)

本文從結(jié)構(gòu)布置體系、主要構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)分析等方面闡述了混凝土柱實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)例，對(duì)不同的計(jì)算模型進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)模型的假定及實(shí)際設(shè)計(jì)中容易發(fā)生錯(cuò)誤的地方進(jìn)行了提示，是結(jié)構(gòu)概念和工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。