混凝土柱輕鋼屋面廠房的設計

【關鍵詞】混凝土柱；實腹鋼梁；輕鋼屋面；設計 

　　0.前言 

　　隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，在社會發(fā)展的新時期我國承載了越來越重的資源與能源壓力。要想全面實現(xiàn)在2020年國內(nèi)生產(chǎn)總值翻兩番和全面實現(xiàn)建設小康社會的宏觀目標，就需要在生產(chǎn)工作中全面落實可持續(xù)發(fā)展觀戰(zhàn)略，大力降低資源的損耗。在目前的社會發(fā)展中，建設資源節(jié)約型國民經(jīng)濟體系和資源節(jié)約型社會已成為鋼結(jié)構產(chǎn)業(yè)義不容辭的工作責任，也是建筑施工單位不容忽視的工作重點。建筑作為國民經(jīng)濟的重要組成成分，在工程建設中采用新型的架構模式已成為工作的重點，是基于當前消費者為基礎實現(xiàn)的一種新的建筑方式。21世紀的消費人群對于消費觀念也提出了新認識，已不再是傳統(tǒng)鋼材結(jié)構和構建的物理屬性的消費模式，而逐步朝著綜合化應用邁進。輕鋼屋面作為目前廠房設計中的主要屋面結(jié)構，其具有著形式多樣的特點，同時更是一種既美觀又實用的新型屋面結(jié)構方式。 

　　1.屋面主要構件的受力情況 

　　隨著社會生產(chǎn)技術的發(fā)展，輕鋼屋面廠房已成為整個工程項目中不容忽視的工作結(jié)構之一，其在施工設計中具有鋼結(jié)構跨度大、施工周期短、工程造價低廉的優(yōu)勢，同時能夠滿足各種荷載需求。這種結(jié)構在建設與設計中都是通過以鋼梁和檁條作為主要的構成模式而形成了一種新的木棉結(jié)構方式，同時在設計中對于其荷載傳遞是通過壓型鋼板均勻地傳遞給內(nèi)部檁條，在通過檁條將荷載力傳遞給鋼梁，進而通過支座傳遞給柱和基礎層。鋼梁和混凝土柱的連接由于是不同材料的連接，因此很難做成剛接，計算時常把它簡化為鉸接，這樣，鋼梁就簡化成為簡支梁。鋼梁的強度由規(guī)范的公式容易算出，但鋼梁的穩(wěn)定性需要構造措施來滿足。而混凝土柱由絞支撐鋼梁底面，多數(shù)情況下還可以將中間混凝土柱與鋼梁連接用鋼梁來連續(xù)。 

　　2.計算程序 

　　在這類結(jié)構的設計中仍是用STS里面門式剛架的程序來計算的，建模的順序跟設計門式鋼架一樣，但由于混凝土柱與鋼梁的連接處理難以達到剛接連接，因此梁柱的連接一般采用鉸接連接形式，而一般門式鋼架結(jié)構邊鋼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，致使這種體系單榀鋼架的受力截然不同于一般的門式鋼架，設計時不能簡單的把門式鋼架的鋼柱替換為混凝土柱，應根據(jù)這類結(jié)構體系的特殊性有針對的進行設計。 

　　3.連接形式與規(guī)范選擇 

　　屋面支撐雖然不是主要的受力構件，但是卻是連接屋面的主要成分同時也是屋面承重結(jié)構的重要組成部分。適當而有效地布置支撐體系，不僅能夠美觀屋面設計節(jié)省能源消耗，還能使屋面具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性�；炷�土柱與鋼梁大多都采用鉸接連接，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)構已經(jīng)超出門規(guī)的使用范圍，結(jié)構類型應選擇“單層鋼結(jié)構”，如果為抗震地區(qū)且選擇了地震作用計算，程序會自動按照抗震規(guī)范第九章關于單層鋼結(jié)構的規(guī)定進行控制；混凝土柱應按混凝土結(jié)構設計規(guī)范進行設計，滿足混凝土結(jié)構設計規(guī)范相應要求，鋼梁應滿足鋼結(jié)構設計規(guī)范相關要求，當采用工形變截面梁時，建議梁構件承載力的校核采用按門式剛架規(guī)程進行校核，以考慮軸力的影響與變截面梁的穩(wěn)定計算，但局部穩(wěn)定應滿足鋼結(jié)構設計規(guī)范、抗震規(guī)范的要求。 

　　4.單榀設計 

　　4.1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緊密相關的，為了能夠反映真實的內(nèi)力，應該進行整體分析，并以整體分析的結(jié)果來設計基礎、混凝土柱的配筋與鋼梁。把它們分開來分別進行設計，往往使設計結(jié)果帶來不安全的隱患：如果在柱與基礎設計時，沒有考慮屋面斜鋼梁對柱的推力，會導致柱配筋與基礎的設計嚴重偏小，按這種方式設計的結(jié)構在安裝過程中就有可能出現(xiàn)基礎被翹起、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。 

　　4.2計算 

　　節(jié)點是鋼梁與混凝土柱之間的主要計算形式。鋼梁拼接節(jié)點，鋼梁連接點是否達到構造要求是計算之重。程序自動根據(jù)整體分析得結(jié)果，按照混凝土結(jié)構設計規(guī)范進行混凝土柱的配筋計算，按選定的鋼梁構件驗算規(guī)范進行鋼梁的校核，在布置基礎的情況下，同時根據(jù)整體分析柱底力完成基礎的計算。 

　　5.整體設計 

　　5.1混凝土柱與鋼梁的鉸接連接處理 

　　一般存在三種連接構造處理：完全抗剪連接構造，這種連接構造能夠把梁端的推力以剪力的方式完全傳遞給混凝土柱；完全滑移連接構造，這種連接構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造，這種連接構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。 

　　5.2三種計算模型的內(nèi)力分析 

　　分析時采用的是鉸接完全抗剪模式，實際處理時處理成了長圓孔等滑動支座形式，這會導致鋼梁的強度應力比、撓度等計算結(jié)果嚴重偏小，同樣給鋼梁的設計帶來不安全隱患。 

　　5.3程序的處理 

　　考慮到混凝土柱與鋼梁的不同構造前提，連接也可以通過設置混凝土柱的柱頂不同約束情況來實現(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，否則會出現(xiàn)分析上的可變體系，使分析無法進行。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)果可以用來處理設置滑移的節(jié)點構造。 

　　5.4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)點及鋼梁的施工圖。在容許滑移的連接節(jié)點施工圖中，底板設置長圓孔，長圓孔標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行，墊板與底板之間不應施焊，底板于混凝土柱頂接觸面處理應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)點中，當滑移量達到容許距離時支承面應設置可靠抗剪措施，限制繼續(xù)滑移，使剩余剪力能夠完全傳遞給柱。 

　　6.結(jié)束語 

　　輕鋼屋面結(jié)構的發(fā)展之門已經(jīng)打開，可以預言21世紀輕鋼屋面發(fā)展前景的廣闊。輕鋼屋面結(jié)構設計著重以安全、合理、可行、經(jīng)濟為原則，設計人員不僅要按規(guī)范設計，還要同當前具體實際情況緊密結(jié)合起來，例如鋼材的質(zhì)量指標、焊接技術、安裝工藝等進行綜合考慮；除了滿足強度的要求外，還要注意各種構造措施的運用，理解它的受力原理是做好結(jié)構設計的關鍵。