混凝土柱實(shí)腹鋼梁的輕鋼屋面設(shè)計(jì)

【關(guān)鍵詞】混凝土柱；實(shí)腹鋼梁；輕鋼屋面；設(shè)計(jì) 

　　1 前言 

　　21 世紀(jì)消費(fèi)者已不再僅僅滿足于鋼材構(gòu)件的物理屬性。輕鋼屋面形式多樣，可以根據(jù)業(yè)主的要求選用既美觀又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式。一般的結(jié)構(gòu)形式有鋼梁或鋼屋架結(jié)構(gòu)、圓管屋架結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等。本文以鋼梁和檁條作為主受力桿件的輕鋼屋面作為研究對象，介紹其設(shè)計(jì)過程，總結(jié)其中常見的問題和處理辦法。 

　　2 屋面主要構(gòu)件的受力情況 

　　以鋼梁和檁條組成的屋面，外荷載通過壓型鋼板（彩鋼瓦）均勻地傳遞給檁條，再由檁 條傳給鋼梁，鋼梁通過鋼板支座傳給柱，再傳至基礎(chǔ)。鋼梁和混凝土柱的連接由于是不同材 料的連接，難以做成剛接，計(jì)算時常把它簡化為鉸接，這樣，鋼梁就簡化為簡支梁或者連續(xù) 梁。鋼梁的強(qiáng)度由規(guī)范的公式容易算出，但鋼梁的穩(wěn)定性需要構(gòu)造措施來滿足。許多情況下 ，鋼梁強(qiáng)度還沒有達(dá)到極限應(yīng)力值，而穩(wěn)定應(yīng)力已經(jīng)超出要求了。因?yàn)槿绻�截面的�?cè)向抗彎剛度和抗扭剛度不足（如窄而高的工字型截面），則會在截面形成塑性鉸以前，甚至在彈性階段，梁就有可能突然發(fā)生繞弱軸y軸的側(cè)向彎曲，且同時伴隨扭轉(zhuǎn)變形而破壞。加強(qiáng)抗彎和抗扭剛度的方法除了加大梁的截面以外，增加側(cè)向支承點(diǎn)也是有效的方法，這樣減少梁受壓翼緣的自由長度，從而減小梁在側(cè)向支承點(diǎn)間對y軸的長細(xì)比。 

　　3 計(jì)算程序 

　　設(shè)計(jì)這類結(jié)構(gòu)仍是用STS里面門式剛架的程序來計(jì)算，建模的順序跟設(shè)計(jì)門式剛架一樣，但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的進(jìn)行設(shè)計(jì)。 

　　4 連接形式與規(guī)范選擇 

　　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。這類結(jié)構(gòu)已經(jīng)超出門規(guī)的使用范圍，結(jié)構(gòu)類型應(yīng)選擇“單層鋼結(jié)構(gòu)”，如果為抗震地區(qū)且選擇了地震作用計(jì)算，程序會自動按照抗震規(guī)范第九章關(guān)于單層鋼結(jié)構(gòu)的規(guī)定進(jìn)行控制；混凝土柱應(yīng)按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相應(yīng)要求，鋼梁應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)要求，當(dāng)采用工形變截面梁時，建議梁構(gòu)件承載力的校核采用按門式剛架規(guī)程進(jìn)行校核，以考慮軸力的影響與變截面梁的穩(wěn)定計(jì)算，但局部穩(wěn)定應(yīng)滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、抗震規(guī)范的要求；撓度控制，考慮到所采用的輕型屋面體系對鋼梁撓度不是非常敏感，在有經(jīng)驗(yàn)的情況下可較鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的撓度控制指標(biāo)（L/400）適當(dāng)放寬。 

　　5 單榀設(shè)計(jì) 

　　5.1 建模 

　　鋼梁對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。把它們分開來分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往使設(shè)計(jì)結(jié)果帶來不安全的隱患：如果在柱與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時，沒有考慮屋面斜鋼梁對柱的推力，會導(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，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夸大混凝土柱對鋼梁的約束作用，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，這時往往會出現(xiàn)安裝后的鋼梁的撓度要大于計(jì)算撓度、鋼梁有可能整體屈服失穩(wěn)、局部壓屈等不安全問題。 

　　5.2 計(jì)算 

　　程序自動根據(jù)整體分析得結(jié)果，按照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行混凝土柱的配筋計(jì)算，按選定的鋼梁構(gòu)件驗(yàn)算規(guī)范進(jìn)行鋼梁的校核，在布置基礎(chǔ)的情況下，同時根據(jù)整體分析柱底力完成基礎(chǔ)的計(jì)算。 

　　6 整體設(shè)計(jì) 

　　6.1 混凝土柱與鋼梁的鉸接連接處理 

　　一般存在三種連接構(gòu)造處理：完全抗剪連接構(gòu)造，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；完全滑移連接構(gòu)造，這種連接構(gòu)造容許梁端相對混凝土柱頂自由滑移，梁端的推力由于相對的滑移而釋放，作用力不傳遞給混凝土柱；介于以上二者之間的部分滑移連接構(gòu)造，這種連接構(gòu)造容許梁端相對混凝土柱頂有一定的滑移量，梁端的推力由于相對的滑移而部分釋放，剩余作用力以剪力的方式傳遞給混凝土柱。 

　　6.2 三種計(jì)算模型的內(nèi)力分析 

　　如果一個完全抗剪的連接構(gòu)造，分析時采用完全滑移的分析模型（砼柱單獨(dú)作為懸臂柱計(jì)算，不考慮鋼梁的推力，也屬于這種情況），會導(dǎo)致柱的配筋、基礎(chǔ)尺寸嚴(yán)重的偏小，帶來的后果如同上面柱與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不考慮鋼梁的推力的情況一樣。而分析時采用的是鉸接完全抗剪模式，實(shí)際處理時處理成了長圓孔等滑動支座形式，這會導(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)帶來不安全隱患。 

　　6.3 程序的處理 

　　考慮混凝土柱與鋼梁的不同構(gòu)造連接，可以通過設(shè)置混凝土柱的柱頂不同約束情況來實(shí)現(xiàn)。對于定義完全滑移與部分滑移的分析模型，必須保留一個梁端為完全約束的普通鉸接節(jié)點(diǎn)，否則會出現(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，能夠發(fā)現(xiàn)程序?qū)嶋H分析出來的滑移量，根據(jù)分析結(jié)果可以用來處理設(shè)置滑移的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。 

　　6.4 施工圖的處理 

　　門式剛架施工圖程序中，能夠根據(jù)整體分析的結(jié)果，處理這類節(jié)點(diǎn)及鋼梁的施工圖。在容許滑移的連接節(jié)點(diǎn)施工圖中，底板設(shè)置長圓孔，長圓孔標(biāo)注的長度尺寸為支座底板相對于支承面的容許滑移距離，為保證滑移的順利進(jìn)行，墊板與底板之間不應(yīng)施焊，底板于混凝土柱頂接觸面處理應(yīng)保證支座底板與支承面間在容許距離內(nèi)自由滑動。對于限制滑移量的連接節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)滑移量達(dá)到容許距離時支承面應(yīng)設(shè)置可靠抗剪措施，限制繼續(xù)滑移，使剩余剪力能夠完全傳遞給柱。 

　　6.5 其它構(gòu)造處理 

　　對于風(fēng)載較大的地區(qū)，當(dāng)風(fēng)的作用能夠克服屋面自重作用(組合：1.0恒＋1.4風(fēng))，出現(xiàn)屋面作用力向上的情況，這時通過在柱頂設(shè)置單拉桿來抵抗梁對柱頂?shù)耐屏ψ饔�，會由于出現(xiàn)壓力致使該單拉桿失效而退出工作，這時剪力還是能夠傳遞到混凝土柱與基礎(chǔ)，對于這種情況，這種處理是不能起作用的，不建議采用這種處理。 

　　7 結(jié)束語 

　　輕鋼屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以安全、合理、可行、經(jīng)濟(jì)為原則，設(shè)計(jì)人員不僅要按規(guī)范設(shè)計(jì)，還要結(jié)合實(shí)際情況，例如鋼材的質(zhì)量指標(biāo)、焊接技術(shù)、安裝工藝等進(jìn)行綜合考慮；除 了滿足強(qiáng)度的要求外，還要注意各種構(gòu)造措施的運(yùn)用，理解它的受力原理是做好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。