混凝土柱輕型鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)也在很大程度上實(shí)現(xiàn)了又新又快發(fā)展，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，屋梁一般采用實(shí)腹鋼梁。近年來，這種結(jié)構(gòu)體系被越來越多的人采用。因此，在屋面設(shè)備布置不多的情況下，輕鋼板屋面的設(shè)計(jì)思想已廣泛應(yīng)用于工業(yè)和建筑的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。相對而言，輕型鋼筋混凝土屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有節(jié)省成本、加快了施工進(jìn)度、頂層可容納大空間、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)?；诖?，本文在現(xiàn)代我國工業(yè)建筑設(shè)計(jì)現(xiàn)狀的背景下，了解了輕型鋼在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中的重要性及應(yīng)用，分析了混凝土柱輕型鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容，并以福州某企業(yè)新建物流基地為例，探討了混凝土柱輕型鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：輕型鋼屋蓋結(jié)構(gòu);倉庫;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、現(xiàn)代工業(yè)背景下我國工業(yè)建筑設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

改革開放以來，我國的工業(yè)行業(yè)的發(fā)展速度更是讓人目不暇接，工業(yè)生產(chǎn)類型也由傳統(tǒng)的粗放式生產(chǎn)模式向精細(xì)的科技化生產(chǎn)模式不斷轉(zhuǎn)變。工業(yè)行業(yè)的迅猛發(fā)展，也使得人們對于生產(chǎn)廠房的建筑要求也越來越高，以此滿足人們對于日常生產(chǎn)活動(dòng)的需要。工業(yè)建筑設(shè)計(jì)是工業(yè)建筑建設(shè)項(xiàng)目的初始階段，也是工程建設(shè)項(xiàng)目順利開展的有效保證。所以，為了適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要，人們對于生產(chǎn)廠房建筑設(shè)計(jì)的要求也在不斷增加，人們希望生產(chǎn)廠房的設(shè)計(jì)不僅僅能夠滿足日常生產(chǎn)活動(dòng)的需要，還要滿足其它方面的需求。安全生產(chǎn)是企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的重中之重，企業(yè)要求設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行生產(chǎn)廠房設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮生產(chǎn)安全方面的需求，也應(yīng)該在生產(chǎn)廠房設(shè)計(jì)過程中加入環(huán)保方面的設(shè)計(jì)理念。

二、輕型鋼在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中的重要性及應(yīng)用

（一）輕型鋼在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中的重要性

就輕型鋼來說，這種鋼材料的結(jié)構(gòu)造型比較固定，因而極大地方便了材料的批量生產(chǎn)。這樣一來，可以極大地降低材料生產(chǎn)的成本，同時(shí)還能提高效率。在工業(yè)中，生產(chǎn)材料時(shí)往往會造成很大的浪費(fèi)，但是在生產(chǎn)輕型鋼時(shí)，由于它自身結(jié)構(gòu)簡單，極大地減少了浪費(fèi)的情況。輕型鋼的造型美觀，有著質(zhì)量輕、便于搬運(yùn)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，給工業(yè)建筑帶來了巨大的活力。因其具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)，成為了一種炙手可熱的建筑材料。因此，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者們應(yīng)該高度重視對于鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用扎實(shí)的理論依據(jù)和豐富的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)來針對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良優(yōu)化。由于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)涉及了幾何知識，對于工作人員專業(yè)技術(shù)知識的要求也很高，在其設(shè)計(jì)過程中也存在一定困難與挑戰(zhàn)。

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該嚴(yán)格按照鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，以鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)過程的各種施工特點(diǎn)及其性質(zhì)與工程設(shè)計(jì)圖紙作為鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指南，將鋼結(jié)構(gòu)的各種設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)布置落實(shí)到位，使整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的三維形象清晰，繪制好一張相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，把解決鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中存在的質(zhì)量事故放在第一位。優(yōu)秀的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝離不開專業(yè)技術(shù)人員夯實(shí)扎固的理論基礎(chǔ)和豐富的操作經(jīng)驗(yàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們要特別注意每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一次施工，把每個(gè)細(xì)節(jié)擺得很到位，保障了構(gòu)件安裝和使用的質(zhì)量。

（二）輕型鋼在工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、合適的鋼材選擇

在一些工業(yè)建筑中，輕鋼結(jié)構(gòu)多用于非承重墻結(jié)構(gòu)。在一些水泥廠房的內(nèi)壁中，有些人經(jīng)常考慮復(fù)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(xié)調(diào)。復(fù)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?？煞譃榇罄恕⑿±?、垂直板塊和水平板塊。施工開始時(shí)，有關(guān)施工人員應(yīng)從多方面分析施工材料的選用。本文首先對鋼立面造型進(jìn)行了分析，從輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，通過對大量材料的簡化和增加，可以改變和改善設(shè)計(jì)材料單一的特點(diǎn)和規(guī)律，為促進(jìn)中國建筑業(yè)的繁榮和發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。輕鋼結(jié)構(gòu)與普通建筑在很多方面都有著較大的區(qū)別，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要充分結(jié)合輕鋼建筑的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，保證輕鋼建筑在這一行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。輕鋼結(jié)構(gòu)是指工業(yè)建筑中使用的較為規(guī)則的形式，立面上的結(jié)構(gòu)較為簡單。其次，要合理控制立面細(xì)部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑主要依靠外立面結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫，通過外立面的設(shè)計(jì)來提高工業(yè)建筑的保溫效果，但這類建筑對室內(nèi)溫度沒有很大的要求。我國大多數(shù)工業(yè)建筑采用輕鋼結(jié)構(gòu)。對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，可以提高墻體的保溫性能。

2、金屬壓型鋼屋面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在輕鋼為主的屋頂設(shè)計(jì)中，需要在屋頂上設(shè)計(jì)一定的采光窗，即所謂的天窗，以及相應(yīng)的通風(fēng)管和凸出構(gòu)件。對于屋頂漏水，我們需要根據(jù)實(shí)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(shí)可在相應(yīng)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(jìn)行相應(yīng)的防排水作業(yè)，防止積水，影響屋面的使用。在通風(fēng)設(shè)計(jì)中，有關(guān)人員應(yīng)處理粉塵、煙霧等的影響。他們可以增加天窗，輔助通風(fēng)設(shè)備等。

3、強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)

在建筑施工的時(shí)候，強(qiáng)柱弱梁比較注意整體的設(shè)計(jì)。這是由于在施工過程中，當(dāng)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)承受較大的荷載時(shí)，需要在梁上連接一個(gè)塑料鉸鏈而不是在氣缸上，以保證整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中不會瞬間損壞。鋼結(jié)構(gòu)在受到一定的外力作用后，可以在很短的時(shí)間內(nèi)迅速恢復(fù)到原來的狀態(tài)。國家標(biāo)準(zhǔn)在這方面提供了明確的條件和規(guī)范。強(qiáng)柱和弱梁必須按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

（一）結(jié)構(gòu)形式

建筑物內(nèi)部輕鋼框架和屋蓋構(gòu)件內(nèi)部混凝土撐桿支護(hù)柱腳應(yīng)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(yīng)力非常敏感，這種建筑的跨距一般在24米以內(nèi)，（2）鋼拱梁必須鉸接，柱頂兩端各設(shè)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(fēng)和吸氣的影響下，拉桿必須保持一定的張緊狀態(tài)，否則不適合采用這種結(jié)構(gòu)。因此，對于一般的輕鋼建筑屋蓋，只有當(dāng)鋼拱梁上部有較大的懸移荷載，且單個(gè)拉桿在強(qiáng)風(fēng)和吸力作用下仍處于被動(dòng)受拉狀態(tài)時(shí)，才能采用這種建筑的合適結(jié)構(gòu)。這種建筑的跨度一般在30米以內(nèi)（3）柱頂用鋼拱梁固定牢固。這種結(jié)構(gòu)與門式剛架相同，但柱的結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)施工較為復(fù)雜，難度較大，一般很少。鋼拱梁多跨連續(xù)，中間混凝土柱頂部鉸接在鋼拱梁底部。

（二）結(jié)構(gòu)構(gòu)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(gòu)件，跨度小時(shí)可以用熱軋H型鋼，跨度大時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)受力。

（三）結(jié)構(gòu)計(jì)算

中國建筑科學(xué)研究院編制的PKPM-STS軟件對混凝土柱上輕鋼屋蓋結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行很合理的計(jì)算。這里僅提出幾點(diǎn)應(yīng)注意的問題。（1）縱向框架應(yīng)單獨(dú)錄入計(jì)算，并考慮橫向屋架的荷載作用，復(fù)核混凝土柱的配筋。（2）為減少鋼拱梁的平面外計(jì)算長度，可在梁下翼緣設(shè)置隅撐，隅撐間距不宜大于3米，則其平面外計(jì)算長度為隅撐間距。（3）單拉桿應(yīng)按柱錄入計(jì)算，并設(shè)置為單拉桿。風(fēng)荷載較大的地區(qū)，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?yàn)閱卫瓧U在受壓時(shí)會失效退出工作，建議不采用這種方式。

（四）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

輕鋼屋蓋結(jié)構(gòu)對混凝土柱的自重很小，采用磚砌體圍護(hù)結(jié)構(gòu)，柱底軸力不大。對于沉降要求較低的建筑物，如果淺基礎(chǔ)承載力的特征值達(dá)到100kPa，可以采用自然淺基礎(chǔ)，這是最經(jīng)濟(jì)的選擇。如果淺基礎(chǔ)的承載力很低，或者業(yè)主對房屋沉降有很高的要求，可以使用樁基礎(chǔ)。預(yù)應(yīng)力樁施工周期短，造價(jià)低廉，在該地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。雖然柱底軸力較小，但彎矩較大。預(yù)應(yīng)力管樁的抗彎能力較弱，不能設(shè)置單樁基礎(chǔ)，只能設(shè)置雙樁基礎(chǔ)承受柱底彎矩。當(dāng)兩樁間距較小時(shí)，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(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

項(xiàng)目案例：如我們在建的天津及廣州倉儲項(xiàng)目，這個(gè)兩個(gè)項(xiàng)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(jié)構(gòu)體系，二層為混凝土柱和輕鋼屋架的排架結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比整體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)約成本，減少高支模等危險(xiǎn)工作。二層因?yàn)椴捎昧嘶炷林愉撐菁芘偶芙Y(jié)構(gòu)，可以局部采取抽柱設(shè)計(jì)，從而保證二層凈高的基礎(chǔ)上，還保證了大空間設(shè)計(jì)。

（一）明確項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)體系

首先，輕鋼屋蓋采用單桁架進(jìn)行計(jì)算。在單桁架的設(shè)計(jì)中，應(yīng)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(yīng)譜法。結(jié)構(gòu)阻尼比為0.03?；炷林捻敳亢臀菝驿摪辶恒q接，混凝土柱底部是剛性的，中產(chǎn)混凝土柱和鋼梁之間的連接是連續(xù)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(yīng)當(dāng)能夠滿足國家有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中的相關(guān)要求。當(dāng)采用工字形梁時(shí)，應(yīng)按照門式鋼框架設(shè)計(jì)規(guī)范要求對梁構(gòu)件的承載能力和強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)考核，鑒于軸力的作用和變截面梁的穩(wěn)定性而進(jìn)行計(jì)算，但是局部的穩(wěn)定性要求應(yīng)能夠滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范和其抗震性能規(guī)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(jié)構(gòu)框架體系對于鋼梁的撓度并不是很敏感，所以在計(jì)算過程中比較鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)規(guī)范更重視撓度控制這一指標(biāo)（L/400）可適當(dāng)?shù)胤艑?，?jì)算中完成了單元撓度極限分析方法。在屋面支承構(gòu)件計(jì)算完成后，將鋼構(gòu)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(jìn)行分析。由于鋼梁對混凝土柱的約束和反應(yīng)直接與混凝土柱本身的強(qiáng)度有關(guān)，而混凝土柱和鋼梁屬于兩種不同的材料，構(gòu)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(chǎn)生較大的推力。在混凝土柱的配筋設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮這一推力。同時(shí)，建筑物基礎(chǔ)的高度也受到水平應(yīng)力的影響。如果這里考慮的不夠，那么就需要進(jìn)行混凝土柱的加固，這將會嚴(yán)重的小于基礎(chǔ)。

（二）鋼架連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)

輕鋼屋蓋跨度一般為16～37m。為了大大提高建筑工程的實(shí)際施工質(zhì)量，施工人員一般可以通過分段運(yùn)輸?shù)确绞綄摷苓\(yùn)到現(xiàn)場，然后由專業(yè)施工人員在現(xiàn)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(fā)生。但設(shè)計(jì)人員必須結(jié)合鋼架的不同特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)各種鋼架之間的連接點(diǎn)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)的支撐構(gòu)件設(shè)計(jì)

在輕鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了建筑主體框架外，其他支撐構(gòu)件的設(shè)計(jì)也不容忽視。主體剛架是主要的承重結(jié)構(gòu)，由頂板和支架相互連接，形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)系統(tǒng);主要的支撐結(jié)構(gòu)為拉桿和水平支撐，拉桿采用剛性鋼筋，。壓桿的設(shè)計(jì)必須能夠滿足軸壓應(yīng)力長細(xì)比。一般根據(jù)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(jié)點(diǎn)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(jī)構(gòu)圓鋼板作為一種柔性的構(gòu)件，主要是按照拉桿的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的，圓鋼通常用于水平的支撐，圓鋼板在施工時(shí)需要進(jìn)行張拉，截面必須能夠很好地滿足對拉應(yīng)力的測量要求。

（四）屋面圍護(hù)系統(tǒng)構(gòu)件設(shè)計(jì)

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(yīng)力力學(xué)的分析方法，可以考慮小桿或連續(xù)桿。在屋面設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)特別注意檢查屋面翼緣是否能防止上下翼緣的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)，上下翼緣的平衡和穩(wěn)定要求是否得到保證，并應(yīng)及時(shí)采取其他措施，保證法蘭的穩(wěn)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(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

結(jié)束語：目前，混凝土柱和輕鋼建筑屋蓋結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于大型倉庫和工業(yè)廠房建筑設(shè)計(jì)。相對而言，這種建筑結(jié)構(gòu)形式具有其自身的優(yōu)勢，如：頂層可用空間較大，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，施工速度快等。目前，混凝土柱輕鋼建筑屋蓋的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面：一種就是要明確建筑主體結(jié)構(gòu)的特征，選取合理應(yīng)力學(xué)分析和試驗(yàn)結(jié)果來進(jìn)行主體構(gòu)件的設(shè)計(jì);二是對于鋼架各個(gè)部位和連接處的設(shè)計(jì)，合理地設(shè)置鋼架各個(gè)連接處可以較好地維持和提高鋼架運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性;三是建筑屋面系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。頂板支持構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)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(hù)體系的主要構(gòu)件裝飾設(shè)計(jì);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(shè)計(jì)質(zhì)量和穩(wěn)定。

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作者簡介

姓名 楊寧佳 性別 女 民族 漢 籍貫 北京市 單位 中遠(yuǎn)海運(yùn)航空貨運(yùn)代理有限公司 學(xué)歷 本科 職稱 工程師 研究方向 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)