混凝土柱-实腹钢梁结构形式的计算和设计

混凝土柱-实腹钢梁结构形式的计算和设计

1.引言

自"门式刚架轻型房屋钢结构技术规程"CECS 102：98公布实施以来，门式刚架结构在我国迅速发展，得到越来越广泛的应用，逐渐成为建筑结构中发展最快的结构类型之一。它以结构简洁、刚度良好、用钢量省、建设周期短及制作安装方便等一系列优点，深受欢迎。但出于节约钢结构防火、防腐费用或满足建筑功能方面的考虑，慢慢产生了采用混凝土柱-实腹钢梁这种结构形式的工业厂房。

对于此种结构形式，外形类似门式刚架，但其受力又完全不同于门式刚架。由于目前尚无相应的规范规定，所以设计者对它的争议很多，实际工程中造成的问题和隐患也不少。本文通过对混凝土柱-钢梁结构形式的分析，谈谈此种结构设计中容易被忽视的问题及实用的设计方法，供设计人员参考。

2.混凝土柱-实腹钢梁结构的分析

2.1结构形式和体系

混凝土柱-钢梁结构的形式应用最多是双坡单跨或双坡多跨的形式，如图1所示。

横梁为实腹式焊接工字形钢，一般采用变截面。计算模型混凝土柱脚刚接，混凝土柱与钢梁可采用铰接，也可采用刚接。

混凝土柱-钢梁这种结构形式规范并没有明文规定，严格的来说，它并不是真正意义的门式刚架。它更像排架，类似于单层工业厂房混凝土柱加梯形钢屋架或轻型钢屋架的做法。但它又不同于排架结构，排架结构的计算模型假定屋盖是刚性的，受力后横梁的轴向变形忽略不计。而混凝土柱-钢梁体系中，横梁轴向变形不能忽略，且梁始终对柱有水平力作用。

2.2 设计时规范的选用

由于材料及连接形式的不同，致使这种结构形式的单榀刚架受力截然不同与一般的门式刚架，这类结构已经超出了门规的适用范围，故不能直接采用"门式刚架轻型房屋钢结构技术规程"进行设计。

在进行工程设计时，混凝土部分的计算及构造应采用"混凝土结构设计规范"，钢梁部分根据文献[5]的研究，对于具有轻型屋盖或吊车起重量不大的结构，该

部分结构的设计、制作和安装可参照轻钢规程执行，但应进行整体分析，包括抗震分析，以考虑混凝土、钢两部分结构之间内力和位移的影响。对于跨度及屋盖荷载较大的情况，应采用钢结构规范进行设计。

对于钢梁挠度的控制可以综合考虑钢结构规范以及轻钢规程的规定进行控制。文献[6]中认为综合考虑安全性、经济性的因素，大跨度钢梁挠度指标可按照L/240进行控制。

2.3 结构构件设计

为反应结构的真实内力情况，应对结构进行整体分析，并以整体分析的结果来设计基础、混凝土柱的配筋与钢梁。

2.3.1钢梁的设计

混凝土柱-钢梁结构中，工字截面钢构件腹板以受剪为主，抗弯作用不如翼缘有效，增大腹板高度，可使翼缘抗弯能力发挥得更充分。因此先进的设计方法是采用高而薄的腹板，按有效截面概念设计。这种设计虽可能会引发腹板屈曲，但板件屈曲并不等于承载力丧失，而且还有相当可观的屈曲后强度可以利用。

对于横梁来说，通常轴力都是很小的，弯矩就成为控制截面强度设计的主要因素。为此，可将构件截面向弯矩包络图靠拢，根据包络图，截面高度作线性变化。这种变截面构件基本设计意图就是使构件的各个截面能同时达到或者接近其承载力，尽量充分发挥材料的作用。另外也要考虑到运输等因素。以图1中（A）、（B）的结构（柱与梁铰接）为例。

当跨度较小时，结构如果满足强度和稳定要求可以不设拉杆。当跨度较大时，由于屋面刚架对混凝土柱产生的水平推力很可观，可设置拉杆抵消剖分或全部水平力，如图1中（C）。这时，横梁可采用等截面工字形钢。在模型计算时，可把拉杆设为只拉单元。拉杆的做法有很多，可用圆钢、型钢、圆管等。采用不同的形式有不同的做法，采用圆钢时可用螺栓连接，其它的可以焊接在钢梁下翼缘，如果长细比不满足要求可在梁上连接吊杆接住拉杆，以免其在自重作用下下垂。

2.3.2 混凝土柱的设计

对于混凝土柱，应进行整体分析，充分考虑上部钢梁对它的影响。柱配筋要适当加强以考虑不利影响。

2.4 节点设计

如果设计时混凝土柱及钢梁采用刚接，那么就要采取相应的连接方式，可在混凝土柱中设置型钢柱，钢梁与型钢柱进行刚性连接。这种连接方式可在一定程度上节约钢梁用钢量、减少钢梁挠度，但也存在较多缺点：（1）梁柱节点刚接水平推力很大，而且还存在温度应力和不均匀沉降引起的附加应力；（2）混凝土是一种脆性材料，虽然构件可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很差，在外力作用下很容易松动和破坏。而且，水平推力使得混凝土柱截面增大，钢筋增多而不经济；（3）現浇钢筋混凝土柱底与基础多为固接，基础易形成大偏心；（4）节点构造复杂，施工难度大。综上所述，在实际工程中，梁柱采用刚接是不太合理的，应尽量避免。

在实际工程中，较多采用的梁柱连接方式为钢梁一般一端为不动铰，一端为铰接并且可沿水平方向平动。这样可使结构受力明确、构造简单。梁柱节点常采用两端用螺栓铰接的形式，栓孔可做成椭圆的，孔的尺寸可根据结构分析确定的最大滑动位移确定，且留有余量。通过底板将全部反力传给柱，其计算可采用类似铰接柱脚计算方法。如文献[4]提供了一种连接形式，即一端铰接，一端滑动支座，目前在国内较少用到。另外近几年出现了一种球型钢支座，可单向或双向进行滑动，但由于造价较高，在工业厂房中应用很少。

目前在网架计算中可以将混凝土柱按弹性支座输入，并且支座特殊处理后可以吸收部分温度应力，因此作者认为屋面钢梁也可以采用这种计算方法和构造措施。构造上即为橡胶支座。

2.5伸缩缝的设置

尽管屋面体系为轻钢结构，但柱间支撑和纵向传力结构都需按照钢筋混凝土结构布置，因此温度对钢筋混凝土柱的作用不会减小，所以应该按照钢筋混凝土结构考虑温度缝设置。设置温度缝的地方，轻钢屋面也要在相应位置设缝。

3.小结

本文从结构分析、主体构件和节点的设计和温度缝设置等方面阐述了混凝土柱-钢梁结构设计中应该注意的问题。由于目前此种结构并无相应规范，故设计人员不仅要熟悉结构概念，有着清晰的设计思路，更要重视工程经验的作用。

参考文献

1. CECS 102：2002 "门式刚架轻型房屋结构技术规程"

2. GB20017-2003 "钢结构设计规范"