浅析混凝土柱轻型钢屋盖结构设计要点

【关键词】轻型钢屋盖结构；仓库；结构设计 

　　引言： 

　　随着社会经济的飞速发展，人们对生活质量的要求不断提高，越来越多的企业家意识到物流行业将会发展越来越好，所以全国各地新建起物流基地，物流基地的建筑物主体即是仓库，传统的单层轻钢结构的仓库虽然造价低廉，但是由于土地成本增加，单层意味着土地利用率低，越来越多的企业觉得单位面积土地上只建大面积单层建筑性价比并不高，建筑物层数越多土地利用率越高，但是仓库的主要功能就是满足货物的存储和运输流通，仓库层数太多的话就会增加垂直运输成本，且每层需要考虑运输通道占用了有效仓储面积，另外仓库的楼面荷载要求一般也有1T/m2左右，层数越多柱底荷载就会越大，加大了建筑基础投资成本，且层数越多对建筑消防要求越高，增加了消防设施投资成本，综上所述，物流仓库层数为两～三层使得建筑面积增加一～两倍从而增加了土地利用率，而垂直运输成本、基础成本、消防设施成本增加从单位面积上计算成本是降低的。若全楼采用多层钢结构，根据《建筑防火规范》仓库的防火级别要求高，势必会造成钢结构防火涂料费用的增加，而混凝土是不燃材料，用混凝土柱就不需要防火涂料节省开支，所以目前流行起来的多层仓库多是采用混凝土柱轻型钢屋盖结构形式。 

　　一、轻钢屋盖结构的特点 

　　钢材由于本身承载力能力强，变形能力强，已成为建筑结构设计的常用结构材料，如今采用H型钢做成轻型钢屋盖越来越普遍，轻钢屋盖结构具有以下特点：一是建筑物屋盖重量相对较轻，二是屋盖的强度和韧性较大，三是屋盖的跨度范围大，可用空间比较大。 

　　二、工程案例 

　　福州某企业新建物流基地，该项目为仓库，仓库三层，一层层高10米，二层层高6米，三层层高5.8米，建筑物长181.65米，宽81.6米，柱网尺寸为12m×11m， 一～二层为混凝土结构柱梁板，三层抽局部混凝土柱，形成四跨钢结构屋盖，跨度为（18.8+22+22+18.8）m，屋面板为压型彩钢板。 

　　此项目所在地福建闽侯县，抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度值为0.1g，设计地震分组为第三组；场地土类别为Ⅲ类。

　　三、混凝土柱轻型钢屋盖结构设计要点分析 

　　（一）明确项目的结构体系 

　　本项目为三层混凝土框架结构+轻型钢屋盖体系，为了顶层实现大空间，三层在南北方向抽了四根柱子，形成混凝土柱支承轻钢屋盖。 

　　单榀计算简图如图一所示（云彩线以内为轻型钢屋盖，其他构件均为混凝土构件）： 

　　首先轻型钢屋盖采用单榀计算，单榀设计时，应采用混凝土柱与钢梁整体建模分析，地震作用分析采用振型分解反应谱法，结构阻尼比取0.03，混凝土柱顶与屋面钢梁采用铰接，混凝土柱底刚接，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，钢梁应满足钢结构技术规范相关要求，当采用工形变截面梁时，梁构件承载力再按门式钢架规程进行校核，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；挠度控制，由于屋盖没做吊顶，且考虑到所采用轻型屋面体系对钢梁挠度不是非常敏感，所以计算时较钢结构设计规范的挠度控制指标（L/400）可适当放宽，（注：门式刚架轻型房屋钢结构技术规程对屋面斜梁仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条的挠度限值是L/180），单榀分析计算完毕，屋面支撑构件计算完毕后，钢构件代入整体三维模型，屋面板可定义为弹性板进行整体模型分析。因为钢梁对混凝土柱的约束反力与混凝土柱本身的刚度是直接相关的，混凝土柱和钢梁属两种不同材料，构件由于截面尺寸的不同刚度差异会造成侧移差异，且轻型钢屋盖坡度一般为1/10～1/20，钢梁对混凝土柱顶会产生推力，设计混凝土柱配筋时需考虑这个推力，同时基础大小也受水平力影响，若此处考虑不足，那么混凝土柱配筋和基础都会严重偏小。 

　　（二）钢架连接点的设计 

　　通常情况下，轻型钢屋盖的跨度是16m-37m。为了提高项目的施工效率，施工人员可以采用分段运输的方法运输钢架，运输至现场，施工人员再把分段的钢架拼接起来，这样也可以避免安全事故的发生。但是，设计人员必须结合钢架的特点合理的设计钢架连接点。按照规定，钢架连接有三种方法：一是端板垂直连接，二是端板横向连接，三是端板斜向连接。 

　　（三）屋面系统的支撑构件设计 

　　在轻型钢屋盖结构设计中，屋盖系统除主刚架外，支撑构件设计不容忽视，主刚架是主要承重构件，他们是由屋面支撑连接起来形成一个完整的体系，支撑构件主要是连系杆，水平支撑，连系杆为刚性杆按压杆设计满足轴心受压应力要求的同时还需满足压杆长细比要求，通常设置在支座处的钢梁和屋脊处的钢梁，根据受力大小选择截面，选择各向同性的圆管居多；水平支撑作为柔性杆件主要按拉杆设计，一般采用圆钢设计成交叉水平支撑，圆钢需张紧，截面需满足受拉应力要求。 

　　（四）屋面围护系统构件设计 

　　轻型钢屋盖一般采用压型彩钢板作为屋面，屋面檩条多选用冷弯薄壁型钢斜卷边Z型或直卷边的Z型，受力可按简支构件或连续构件来分析，檩条设计时应注意屋面能不能阻止檩条侧向位移和扭转，是否能保证上下翼缘的稳定性，若不能需采取其他措施保证翼缘稳定性或加大檩条截面以致檩条整体稳定性满足规范。 

　　结语： 

　　如今，混凝土柱轻型钢屋盖结构广泛应用在仓库、厂房设计中。相对来说，这类结构形式具有自身的优势，比如：顶层可用空间比较大、造价经济，施工速度快等等。目前，混凝土柱轻型钢屋盖结构设计包括以下几个方面：一是设计人员要明确的结构体系特点，选择合理的受力分析结果进行结构构件设计；二是钢架连接点的设计，合理设计钢架的连接点，才能更好的保证钢架的稳定性；三是屋面系统的支撑构件设计，合理的屋面支撑构件设计是保证屋面整体性的关键；四是屋面围护系统构件设计；五是隅撑合理的布置和选用截面，设计人员需有效保证整体设计的稳定性。 

　　参考文献： 

　　[1]李懿.浅析轻钢厂房结构设计要点[J].山西建筑，2013（17）. 

　　[2]中华人民共和国建设部. 钢结构设计规范GB50017-2003[S].北京：中国计划出版社，2003. 

　　[3]陈宁.基于厂房设计的钢结构设计要点分析[J].门窗，2014（01）.