鋼梁屋蓋與混凝土下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

冷加冰

（吳江市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，蘇州 215168）

鋼屋蓋具有自重輕、跨越能力大、造價(jià)低、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，下部混凝土結(jié)構(gòu)具有保溫隔熱性能好、易維護(hù)、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，兩者相結(jié)合具有造價(jià)低，工期短的特點(diǎn)，故該種結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中已較為常見，但對(duì)于此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)、結(jié)構(gòu)體系、施工要點(diǎn)、應(yīng)用范圍及受力性能，學(xué)術(shù)界和工程界尚無定論，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程也沒有明確規(guī)定。這種現(xiàn)象給設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作帶來了很多麻煩，特別是對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不豐富的新手，如果對(duì)這種結(jié)構(gòu)體系認(rèn)識(shí)不清楚，盲目著手設(shè)計(jì)，可能會(huì)使結(jié)構(gòu)存在很多安全隱患，甚至造成結(jié)構(gòu)傾覆、垮塌等工程事故。

1 混凝土下部結(jié)構(gòu)鋼梁屋蓋結(jié)構(gòu)形式概述

大跨度單層工業(yè)廠房一般使用門式剛架輕型房屋建設(shè)，相對(duì)于其他技術(shù)而言具有極大的優(yōu)越性，跨度也在建設(shè)過程中逐漸增大，然而隨著市場的發(fā)展和建設(shè)，鋼材市場的價(jià)格日漸不穩(wěn)定，鋼材的價(jià)格在一定程度上有了提高，鋼柱的用鋼量大于鋼梁的用鋼量，并且防火涂料在鋼柱中的使用是必須的。而防火涂料價(jià)格昂貴，并且由于工程建設(shè)的需要，混凝土柱鋼梁的使用逐漸得到了業(yè)主的認(rèn)可，形成了傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱焊接工藝鋼梁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式。

2 混凝土下部結(jié)構(gòu)鋼梁屋蓋結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)中的問題

當(dāng)前國家現(xiàn)有的規(guī)范和相應(yīng)的工程建筑規(guī)程未對(duì)混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)形式的施工管理建立規(guī)范而標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，也未對(duì)具體的混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)施工過程中的受力結(jié)構(gòu)的分析以及變形限值等具體的施工管理的數(shù)據(jù)進(jìn)行專門而規(guī)范的規(guī)定，相應(yīng)建設(shè)工程的設(shè)計(jì)和施工人員甚至混淆了混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)和門式鋼架結(jié)構(gòu)，并且在施工過程中參照門式鋼架設(shè)計(jì)，由此使相應(yīng)的建筑工程的鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)入了施工和設(shè)計(jì)的誤區(qū)，給工程項(xiàng)目的使用和發(fā)展帶來了安全的隱患。從混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)的假定條件出發(fā)，通過模擬建設(shè)等發(fā)展形勢，根據(jù)仿真的模型和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)明確具體工程的受力特點(diǎn)，了解相應(yīng)鋼梁結(jié)構(gòu)形式的明確分析和掌握其使用的范圍和作用發(fā)生的條件，從而建立科學(xué)合理的施工管理和安全質(zhì)量控制。

由于混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)中的柱頂和混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)的鋼梁的良好結(jié)合是由完全不同的兩種材料組成，鋼梁屬于彈性材料而混凝土柱是彈塑性材料。若將混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)的柱頂上的相應(yīng)混凝土節(jié)點(diǎn)當(dāng)作剛性的節(jié)點(diǎn)，從而建立了十分復(fù)雜的受力模式。但混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)柱和螺栓的連接的最佳方式是鉸接，從而使混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)的柱頂節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造十分復(fù)雜，這就為混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工帶來一定程度的困難。同時(shí)也增加了工程建筑的造價(jià)，然而完全的剛性節(jié)點(diǎn)只能在理論上形成和建立，相應(yīng)的施工也只能通過加強(qiáng)鋼梁的構(gòu)造，在具體的設(shè)計(jì)中根據(jù)具體的建設(shè)施工提高鋼梁跨度中的彎矩系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

在混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)的工程建筑過程中，混凝土柱、鋼梁皆采用一般形式的預(yù)埋螺栓進(jìn)行連接，而混凝土柱頂與鋼梁鉸接，從而不能將其定性為門式鋼架的輕型房屋體系，而應(yīng)建立成為兩鉸折線拱，并且按照鋼梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和設(shè)計(jì)?；炷林摿航Y(jié)構(gòu)的拱腳的反力對(duì)混凝土柱有著一定水平的推力，并且相應(yīng)門式鋼架的設(shè)計(jì)跨度越大，對(duì)相應(yīng)鋼梁結(jié)構(gòu)的推力就越大。為減少水平推力，應(yīng)在鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置拉桿或是在相應(yīng)的梁柱之間設(shè)置拉桿或在梁、柱間采用剛節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建模式，若鋼梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工接近平拱，混凝土的柱頂和鋼梁實(shí)現(xiàn)了鉸接的發(fā)展，進(jìn)而結(jié)構(gòu)體系將設(shè)計(jì)成為排架體系，進(jìn)而能根據(jù)排架體系的構(gòu)建進(jìn)行具體的受力設(shè)計(jì)和分析。

雙鉸折線拱混凝土的排架柱結(jié)構(gòu)如果沒有設(shè)置相應(yīng)的拉桿，在具體的鋼梁結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)中，混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)的工程項(xiàng)目的計(jì)算程序極為繁瑣，而采用平面桿系計(jì)算軟件電算，由于電算會(huì)帶來較大的差距，也會(huì)給混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)形式的工程項(xiàng)目留下安全隱患。在鋼梁結(jié)構(gòu)的分析過程中，應(yīng)對(duì)混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和施工。

3 混凝土下部結(jié)構(gòu)鋼梁屋蓋結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)建議

這類混合結(jié)構(gòu)屋面梁的常見形式有2種：梁底面接近水平的變截面實(shí)腹鋼梁和等截面人字形實(shí)腹鋼梁。1）底平變截面實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，柱頂不產(chǎn)生水平推力及由水平推力產(chǎn)生的柱頂水平位移，柱底也無彎矩，柱子受力簡單，內(nèi)力較小，基礎(chǔ)面積也較小。但鋼梁在跨中屋脊處撓度較大，需增大梁截面，這給鋼梁焊接和施工增加了難度，同時(shí)也提高了造價(jià)。2）等截面人字形實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，柱頂會(huì)產(chǎn)生一定的推力和水平位移，在計(jì)算和分析時(shí)比較復(fù)雜。但結(jié)構(gòu)形式比較簡單，制作和施工難度小，工程造價(jià)也相對(duì)較低。具體確定時(shí)，應(yīng)結(jié)合本工程的特點(diǎn)及業(yè)主的要求進(jìn)行取舍。

由于混凝土柱與鋼梁的連接處理難以達(dá)到剛接連接，因此梁柱的連接一般采用鉸接連接形式。而一般門式剛架結(jié)構(gòu)邊剛架柱與梁的連接均采用剛接連接形式，由于連接形式的不同，致使這種體系單榀剛架的受力截然不同于一般的門式剛架。設(shè)計(jì)時(shí)不能簡單的把門式剛架的鋼柱替換為混凝土柱，應(yīng)根據(jù)這類結(jié)構(gòu)體系的特殊性有針對(duì)的進(jìn)行設(shè)計(jì)。建議的連接形式為：混凝土柱與鋼梁采用鉸接連接，混凝土柱底采用剛接，多跨情況下的中間混凝土柱與鋼梁的連接采用鋼梁連續(xù)，混凝土柱鉸撐于鋼梁底面。

單榀設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用混凝土柱與鋼梁整體建模分析。鋼梁對(duì)混凝土柱的約束反力與混凝土柱本身的剛度是直接相關(guān)的，為反映真實(shí)的內(nèi)力情況，應(yīng)該進(jìn)行整體分析，并以整體分析的結(jié)果來設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、混凝土柱的配筋與鋼梁。把它們割裂開來分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往會(huì)給設(shè)計(jì)結(jié)果帶來安全隱患：如果在柱與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，沒有考慮屋面斜鋼梁對(duì)柱的推力，會(huì)導(dǎo)致柱配筋與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)嚴(yán)重偏小，按這種方式設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在安裝過程中就有可能出現(xiàn)基礎(chǔ)被翹起、混凝土柱頂位移過大、柱身出現(xiàn)裂縫、鋼梁撓度過大等問題。而在分析鋼梁時(shí)，把鋼梁兩端視為固定鉸支座或建兩根很短的下端剛接柱作為支座都會(huì)夸大混凝土柱對(duì)鋼梁的約束作用，導(dǎo)致鋼梁軸力增大、跨中彎矩減小、撓度減小等不真實(shí)情況，這時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)安裝后的鋼梁的撓度大于計(jì)算撓度、鋼梁整體屈服失穩(wěn)、局部壓屈等不安全問題。

整體分析時(shí)，分析模型要與連接構(gòu)造處理相對(duì)應(yīng)。混凝土柱與鋼梁的鉸接連接處理一般存在3種構(gòu)造形式：1）完全抗剪連接構(gòu)造，即普通的鉸接連接。這種連接構(gòu)造能夠把梁端的推力以剪力的方式完全傳遞給混凝土柱；2）完全滑移連接構(gòu)造，采用鉸接＋混凝土柱頂，定義約束為“水平方向自由滑動(dòng)”。這種連接構(gòu)造容許梁端相對(duì)混凝土柱頂自由滑移，梁端的推力由于相對(duì)的滑移而釋放，作用力不傳遞給混凝土柱；3）介于以上二者之間的部分滑移連接構(gòu)造，采用鉸接＋混凝土柱頂，定義約束為“約束水平方向相對(duì)位移差”。對(duì)于定義完全滑移與部分滑移的分析模型，必須保留一個(gè)梁端為完全約束的普通鉸接節(jié)點(diǎn)，否則會(huì)出現(xiàn)分析上的可變體系，使分析無法進(jìn)行。在定義完全滑移或部分滑移約束的情況下，程序分析結(jié)果中，在查看該混凝土柱的構(gòu)件信息時(shí)，能夠得到程序?qū)嶋H分析出來的滑移量，分析結(jié)果可以用來處理設(shè)置滑移的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造問題。這種連接構(gòu)造容許梁端相對(duì)混凝土柱頂有一定的滑移量，梁端的推力由于相對(duì)的滑移而部分釋放，剩余作用力以剪力的方式傳遞給混凝土柱。

根據(jù)相關(guān)研究，不同的計(jì)算模型對(duì)內(nèi)力分析結(jié)果、設(shè)計(jì)結(jié)果影響非常大：如果一個(gè)完全抗剪的連接構(gòu)造，分析時(shí)采用完全滑移的分析模型（混凝土柱單獨(dú)作為懸臂柱計(jì)算，不考慮鋼梁的推力，也屬于這種情況），會(huì)導(dǎo)致柱的配筋、基礎(chǔ)尺寸嚴(yán)重的偏小，帶來的后果與上面柱與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不考慮鋼梁的推力的情況一樣。而分析時(shí)采用的是鉸接完全抗剪模式，實(shí)際處理時(shí)處理成了長圓孔等滑動(dòng)支座形式，會(huì)導(dǎo)致鋼梁的強(qiáng)度應(yīng)力比、撓度等計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重偏小，同樣給鋼梁的設(shè)計(jì)帶來安全隱患。

若要實(shí)現(xiàn)混凝土柱和鋼梁的剛性連接，那么在具體的混凝土施工過程中應(yīng)參照鋼柱外包式柱腳，也就是在混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)的柱頂增加短鋼柱并且將短鋼柱埋入柱頂，實(shí)現(xiàn)短鋼柱與鋼梁的連接，相應(yīng)的連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和計(jì)算也應(yīng)按照相關(guān)的規(guī)定，采用有效的措施對(duì)鋼梁進(jìn)行加固。也可參照網(wǎng)架支座預(yù)埋件，對(duì)其加以改進(jìn)做成剛接的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)鋼梁支座底板和支座預(yù)埋件鋼板周圍的電焊模式，并且在支座的底部焊接圓孔，實(shí)現(xiàn)焊接圓孔的塞焊，從而使支座底板和鋼板的整體模塊化，而相應(yīng)的預(yù)埋件應(yīng)按照工程項(xiàng)目的有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和構(gòu)造，從而建立具有質(zhì)量保證的混凝土鋼梁結(jié)構(gòu)體系。

這樣的鋼梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的用鋼量相對(duì)較小，施工建設(shè)的成本較低，單節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造相對(duì)麻煩，對(duì)施工的要求較高，從而建立施工質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定的工程建設(shè)。

4 結(jié) 語

混凝土下部結(jié)構(gòu)鋼梁屋蓋結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中已較為常見，但對(duì)于此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)、結(jié)構(gòu)體系、施工要點(diǎn)、應(yīng)用范圍及受力性能，學(xué)術(shù)界和工程界尚無定論，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程也沒有明確規(guī)定。因此，廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要正確把握所設(shè)計(jì)工程的特點(diǎn)，保證設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)、安全。

［1］ 張大科.對(duì)混凝土柱鋼梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的探討［J］.建材與裝飾：上旬.市場營銷，2009（7）.

［2］ 馬 凱，魏海琴.一種新型結(jié)構(gòu)形式——混凝土柱鋼梁［J］.黑龍江科技信息，2007（2）.

［3］ 陳軍利.一種新型結(jié)構(gòu)形式的探討——混凝土柱鋼梁［J］.中國科技信息，2006（5）.

［4］ 萬晨耀.單層工業(yè)廠房鋼筋混凝土柱鋼梁結(jié)構(gòu)體系探討［J］.工業(yè)建筑，2007（1）.

［5］ 彭潔蕓.輕鋼雙鉸折線拱屋架單層封閉式廠房在風(fēng)荷載作用下的受力淺析［J］.廣東土木與建筑，2002，（5）：9－11.

［6］ 李 賢，肖 巖，郭玉榮.圓鋼管混凝土柱鋼梁框架節(jié)點(diǎn)型式的介紹［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005，7（4）：22－26.