混凝土柱轻钢屋面厂房的设计

【关键词】混凝土柱；实腹钢梁；轻钢屋面；设计 

　　0.前言 

　　随着国民经济的快速发展，在社会发展的新时期我国承载了越来越重的资源与能源压力。要想全面实现在2020年国内生产总值翻两番和全面实现建设小康社会的宏观目标，就需要在生产工作中全面落实可持续发展观战略，大力降低资源的损耗。在目前的社会发展中，建设资源节约型国民经济体系和资源节约型社会已成为钢结构产业义不容辞的工作责任，也是建筑施工单位不容忽视的工作重点。建筑作为国民经济的重要组成成分，在工程建设中采用新型的架构模式已成为工作的重点，是基于当前消费者为基础实现的一种新的建筑方式。21世纪的消费人群对于消费观念也提出了新认识，已不再是传统钢材结构和构建的物理属性的消费模式，而逐步朝着综合化应用迈进。轻钢屋面作为目前厂房设计中的主要屋面结构，其具有着形式多样的特点，同时更是一种既美观又实用的新型屋面结构方式。 

　　1.屋面主要构件的受力情况 

　　随着社会生产技术的发展，轻钢屋面厂房已成为整个工程项目中不容忽视的工作结构之一，其在施工设计中具有钢结构跨度大、施工周期短、工程造价低廉的优势，同时能够满足各种荷载需求。这种结构在建设与设计中都是通过以钢梁和檩条作为主要的构成模式而形成了一种新的木棉结构方式，同时在设计中对于其荷载传递是通过压型钢板均匀地传递给内部檩条，在通过檩条将荷载力传递给钢梁，进而通过支座传递给柱和基础层。钢梁和混凝土柱的连接由于是不同材料的连接，因此很难做成刚接，计算时常把它简化为铰接，这样，钢梁就简化成为简支梁。钢梁的强度由规范的公式容易算出，但钢梁的稳定性需要构造措施来满足。而混凝土柱由绞支撑钢梁底面，多数情况下还可以将中间混凝土柱与钢梁连接用钢梁来连续。 

　　2.计算程序 

　　在这类结构的设计中仍是用STS里面门式刚架的程序来计算的，建模的顺序跟设计门式钢架一样，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，而一般门式钢架结构边钢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，致使这种体系单榀钢架的受力截然不同于一般的门式钢架，设计时不能简单的把门式钢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.连接形式与规范选择 

　　屋面支撑虽然不是主要的受力构件，但是却是连接屋面的主要成分同时也是屋面承重结构的重要组成部分。适当而有效地布置支撑体系，不仅能够美观屋面设计节省能源消耗，还能使屋面具有足够的强度、刚度和稳定性。混凝土柱与钢梁大多都采用铰接连接，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。这类结构已经超出门规的使用范围，结构类型应选择“单层钢结构”，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。 

　　4.单榀设计 

　　4.1建模 

　　钢梁对混凝土柱的约束反力与混凝土柱本身的刚度是紧密相关的，为了能够反映真实的内力，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。 

　　4.2计算 

　　节点是钢梁与混凝土柱之间的主要计算形式。钢梁拼接节点，钢梁连接点是否达到构造要求是计算之重。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。 

　　5.整体设计 

　　5.1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。 

　　5.2三种计算模型的内力分析 

　　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。 

　　5.3程序的处理 

　　考虑到混凝土柱与钢梁的不同构造前提，连接也可以通过设置混凝土柱的柱顶不同约束情况来实现。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。 

　　5.4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。 

　　6.结束语 

　　轻钢屋面结构的发展之门已经打开，可以预言21世纪轻钢屋面发展前景的广阔。轻钢屋面结构设计着重以安全、合理、可行、经济为原则，设计人员不仅要按规范设计，还要同当前具体实际情况紧密结合起来，例如钢材的质量指标、焊接技术、安装工艺等进行综合考虑；除了满足强度的要求外，还要注意各种构造措施的运用，理解它的受力原理是做好结构设计的关键。