混凝土柱上轻钢屋盖房屋结构概念设计

混凝土柱上轻钢屋盖房屋结构概念设计

混凝土柱上轻钢屋盖房屋结构是一种混合结构体系，也可以上说是一种新的结构体系，现行规范还没对其有明确的条文规定，这让众多设计师很迷茫，甚至给设计带来安全隐患。笔者根据多年的设计经验，写此文愿与众多同行分享和共同探讨。

标签混凝土柱上钢梁的混合结构；计算方法；细节设计

1 概述

近年来，采用砖墙维护的混凝土柱配轻钢屋盖的房屋设计越来越多了。这种混凝土框排架加轻钢屋盖的混合结构体系兼顾了两者的诸多优点。

1.1 耐久性：砼梁柱结构，加上砖墙做维护，比纯粹的轻钢结构耐久性更好，这无用质疑；

1.2 功能性：轻钢屋顶的参与使得采用本结构形式的房屋在功能使用上更灵活多变。比如最为普及的此类大跨度单层或多层厂房，让业主使用起来很舒心；还有甲、乙类仓库、超市等此类房屋设计上有泄压要求，采用轻钢屋顶泄压合适不过。

1.3 经济性：轻钢屋顶的采用是砼柱竖向荷重减轻，基础负荷相应减小，造价相应降低；还有轻钢屋盖结构本身造价就比砼低。

1.4 时间性：轻钢屋顶的参与使得施工进度加快，节约工期。

类似门式刚架的混凝土柱加钢梁是一种新型结构，现行所有规范中均未明确指出其设计方法和构造要求，使得完成的设计方案各异，尤其在市场经济环境下工程承包价钱的进一步降低，使得类似门式刚架的混凝土柱加钢梁的设计中也出现了许多问题，如钢梁挠度过大、柱头混凝土松动破坏等，甚至发生厂房倒塌事故。在亲历此特殊结构体系的设计及其校核工作的过程中，积累了惯用的或者是周围大家共同认可的设计思路及其方法，现笔者写此文愿与众多同行分享和共同探讨。

2 概念设计

2.1 伸缩缝设置

这种结构布局，在设计方案时经常会遇到设置伸缩缝的问题，究竟如何来进行设置？对于设置伸缩缝的间距，GB50010-2002《钢结构设计规范》已有定论，具体见规范第8.1.5的注明：“厂房柱为其他材料时，伸缩缝间距按相应规范规定”。所以尽管屋面为轻钢屋面，但伸缩缝的设置还是应按混凝土柱设置，即采

用GB50010-2002《混凝土结构设计规范》上的有关规定，仅轻钢屋盖部分缝的设置根据钢结构GB50010-2002《钢结构设计规范》中第8.1.5条。另由于目前混凝土柱一般采用现浇柱，且为了增强厂房的纵向刚度和承担围护墙的重量，在纵向设有现浇砼连系梁，这样一来纵向实际成了框架，所以伸缩缝的最大间距应为55ｍ，只有在有充分依据和可靠措施时，其伸缩缝的间距才可适当增大，如混凝土浇筑采用后浇带施工。

2.2 计算建模

设计这种结构，一般会在PKPM中建模型，下面层框架形成后，屋面层先按虚梁或者钢梁输入，将屋面上的恒活荷载传递给梁柱，再在SATWE中计算梁柱配筋。这样计算模型是存在有设计隐患的！实际模型中，混凝土柱与钢梁连接是处于铰接或者半铰接状态，这样混凝土柱与钢梁形成了两端铰接的折线拱梁。当柱顶与钢梁铰接且坡度较大时，应按照拱的受力特点进行计算。这种结构坡度和跨度越大，柱顶水平推力就明显越大，会最终导致混凝土柱底弯矩和配筋很大，基础严重偏心。同时，由于拱的位移变形只能靠拱脚反力来阻止，而拱脚反力大小取决于混凝土柱提供的抗侧推力大小，会导致柱截面越大，也即柱抗侧刚度越大，其提供的抗推力会更大，由此引起其柱底弯矩会增大，需配置更多的钢筋，最终导致钢筋密度过大，基础底面大幅增加，势必很不经济合理。因此，笔者认为对于长度18m以上的钢梁，最好在其底部增设拉杆以承受折线拱底的水平推力。所以，在结构模型计算时，有几点考虑是必要的：

2.2.1 需要在PK里按照单榀排架，重新复核柱子配筋，而且柱顶需要考虑钢梁水平推力对混凝土柱的作用力，柱子平面内、平面外计算长度系数，按照《混凝土结构设计规范》中第7.

3.11条取用。

2.2.2 轻钢屋盖属于弹性楼盖，抗震计算不能采用刚性楼板假定，这一条经常被设计人员错用。

2.2.3 轻钢屋盖属于弹性楼盖，风荷载计算需要采用手工调整，具体调整本文不再赘述。

钢梁与砼部分分开计算，钢梁按照两端简支单跨或者多跨折梁平面计算，软件采用PKPM中的STS或者其它工具箱等专业软件均可。

2.3 钢梁强度、稳定性及挠度计算的适用规范

为了保证屋面排水顺畅问题，轻型屋面的坡度往往较大，一般取1/10,斜放的钢梁始终会受到轴力的影响，故此时的钢梁实际上是压弯构件，而不是纯粹的简支受弯构件。而钢结构规范中验算钢梁强度和稳定时，既未考虑轴力项的影响，也未对变截面构件该如何考虑作出规定，只是考虑全截面而非变截面。PKPM 系列中的STS软件用户手册中提到，“对于变截面梁柱构件、斜梁等轴力影响较大的梁杆件，可按门式刚架规程规定的方法进行强度稳定性计算”，因该规程对此类变截面构件考虑了腹板屈曲后强度，且考虑了轴力、弯矩、剪力共同作用

下的强度稳定性计算，所以笔者在计算钢梁的强度和稳定计算时采用门式刚架规程，而不是钢结构规范。

虽然变截面钢梁的强度稳定性计算参照门式刚架规程，这点一般无异议，因实际的结构体系并不是真正的门式刚架，对钢梁挠度值控制采用门式刚架的1/180则显得有点担心，会使挠度过大，影响视觉效果，还可能导致排水不顺畅。曾按钢结构设计规范中主梁的挠度取值，设计出的屋盖比门式钢架的屋盖造价高多了，甲方一般接受不了。故考虑到是轻型屋盖，荷载较轻，施工时还可起拱来调节挠度权衡之下，计算时屋盖钢梁挠度允许值一般可取1/250，比门式刚架钢梁取1/180稍微提高。这样的调整一般造价不会影响太大。所以目前混凝土加屋盖变截面钢梁的最大挠度允许值通常取较折衷的1/250。

2.4 混凝土柱顶与钢梁节点设计

2.4.1 砼柱顶节点

这种结构的钢拱脚与混凝土柱顶的连接节点设计一般采用铰接节点，刚接的施工难度大，造价高。这里锚栓需保证传递节点处的拉力或压力。一般采用4M24，当跨度大于等于30m是采用4M30。节点处螺栓不传递剪力，剪力由焊接于节点板底的抗剪键承担。所以此处必须设抗剪键。这种做法需在砼柱顶二次灌浆，这是比较普遍的节点做法，施工稍麻烦。也有采用柱顶埋设预埋钢板的方法与钢梁拱脚连接，如下图：

笔者认为，预埋板下的予埋锚栓(可为一对或两对)与过渡板事先用塞焊焊牢，这样可使锚栓正确定位。安装定位后过渡板与柱顶的预埋钢板满焊焊牢，拱脚底板的栓孔仅比过渡板上锚栓杆直径大1～1.5mm．垫板与柱脚底板同厚。并与拱脚底板焊牢．垫板上用双螺帽拧紧。轴向压力通过拱脚底板与过渡板、过渡板与柱顶预埋钢板的承压传递，轴向拉力和水平力由过渡板上予焊的锚栓以及过渡板与柱顶预埋钢板的焊缝承受。这种做法避免了预留二次灌浆和设置抗剪键的问题．施工方便、质量可靠．节点处除了钢梁底板外多了两块钢板，造价高些。各有利弊。

2.4.2 混凝土拄顶的构造做法

对于这种特殊结构，在砼柱顶预埋钢板常会有混凝土柱顶开裂的问题，钢拱脚或钢斜梁端部与混凝土柱顶连接的两种不同材料中，混凝土属于脆性材料，而且柱顶受力比较复杂，如果在构造上不加处理，在拉、压应力和剪应力的共同作用下，出现开裂情况在所难免。一般在混凝土柱顶纵筋和箍筋构造应采取加强措施，箍筋需加密间距不大于100mm，箍筋直径不小于8mm，砼柱纵筋与预埋钢板焊接等。

3 结束语

新型的结构形式应采用新的思路和方法来分析和处理，在还不完全成熟的情