鋼梁屋蓋與混凝土下部結構的設計

冷加冰

（吳江市建筑設計院有限責任公司，蘇州 215168）

鋼屋蓋具有自重輕、跨越能力大、造價低、施工周期短等優點，下部混凝土結構具有保溫隔熱性能好、易維護、造價低等優點，兩者相結合具有造價低，工期短的特點，故該種結構在實際工程中已較為常見，但對于此類結構的設計依據、結構體系、施工要點、應用范圍及受力性能，學術界和工程界尚無定論，國內相關標準、規范、規程也沒有明確規定。這種現象給設計人員的設計工作帶來了很多麻煩，特別是對設計經驗不豐富的新手，如果對這種結構體系認識不清楚，盲目著手設計，可能會使結構存在很多安全隱患，甚至造成結構傾覆、垮塌等工程事故。

1 混凝土下部結構鋼梁屋蓋結構形式概述

大跨度單層工業廠房一般使用門式剛架輕型房屋建設，相對于其他技術而言具有極大的優越性，跨度也在建設過程中逐漸增大，然而隨著市場的發展和建設，鋼材市場的價格日漸不穩定，鋼材的價格在一定程度上有了提高，鋼柱的用鋼量大于鋼梁的用鋼量，并且防火涂料在鋼柱中的使用是必須的。而防火涂料價格昂貴，并且由于工程建設的需要，混凝土柱鋼梁的使用逐漸得到了業主的認可，形成了傳統鋼筋混凝土柱焊接工藝鋼梁的設計結構形式。

2 混凝土下部結構鋼梁屋蓋結構形式設計中的問題

當前國家現有的規范和相應的工程建筑規程未對混凝土柱鋼梁結構形式的施工管理建立規范而標準的規定，也未對具體的混凝土柱鋼梁結構施工過程中的受力結構的分析以及變形限值等具體的施工管理的數據進行專門而規范的規定，相應建設工程的設計和施工人員甚至混淆了混凝土柱鋼梁結構和門式鋼架結構，并且在施工過程中參照門式鋼架設計，由此使相應的建筑工程的鋼梁結構設計進入了施工和設計的誤區，給工程項目的使用和發展帶來了安全的隱患。從混凝土柱鋼梁結構的假定條件出發，通過模擬建設等發展形勢，根據仿真的模型和結構的設計明確具體工程的受力特點，了解相應鋼梁結構形式的明確分析和掌握其使用的范圍和作用發生的條件，從而建立科學合理的施工管理和安全質量控制。

由于混凝土柱鋼梁結構中的柱頂和混凝土柱鋼梁結構的鋼梁的良好結合是由完全不同的兩種材料組成，鋼梁屬于彈性材料而混凝土柱是彈塑性材料。若將混凝土柱鋼梁結構的柱頂上的相應混凝土節點當作剛性的節點，從而建立了十分復雜的受力模式。但混凝土柱鋼梁結構柱和螺栓的連接的最佳方式是鉸接，從而使混凝土柱鋼梁結構的柱頂節點的構造十分復雜，這就為混凝土柱鋼梁結構的設計和施工帶來一定程度的困難。同時也增加了工程建筑的造價，然而完全的剛性節點只能在理論上形成和建立，相應的施工也只能通過加強鋼梁的構造，在具體的設計中根據具體的建設施工提高鋼梁跨度中的彎矩系數來實現。

在混凝土柱鋼梁結構的工程建筑過程中，混凝土柱、鋼梁皆采用一般形式的預埋螺栓進行連接，而混凝土柱頂與鋼梁鉸接，從而不能將其定性為門式鋼架的輕型房屋體系，而應建立成為兩鉸折線拱，并且按照鋼梁結構的受力特點進行相應的計算和設計。混凝土柱鋼梁結構的拱腳的反力對混凝土柱有著一定水平的推力，并且相應門式鋼架的設計跨度越大，對相應鋼梁結構的推力就越大。為減少水平推力，應在鋼梁結構設計時設置拉桿或是在相應的梁柱之間設置拉桿或在梁、柱間采用剛節點的構建模式，若鋼梁結構的設計和施工接近平拱，混凝土的柱頂和鋼梁實現了鉸接的發展，進而結構體系將設計成為排架體系，進而能根據排架體系的構建進行具體的受力設計和分析。

雙鉸折線拱混凝土的排架柱結構如果沒有設置相應的拉桿，在具體的鋼梁結構工程的設計中，混凝土柱鋼梁結構的工程項目的計算程序極為繁瑣，而采用平面桿系計算軟件電算，由于電算會帶來較大的差距，也會給混凝土柱鋼梁結構形式的工程項目留下安全隱患。在鋼梁結構的分析過程中，應對混凝土柱鋼梁結構進行合理設計和施工。

3 混凝土下部結構鋼梁屋蓋結構形式設計建議

這類混合結構屋面梁的常見形式有2種：梁底面接近水平的變截面實腹鋼梁和等截面人字形實腹鋼梁。1）底平變截面實腹鋼梁結構在豎向荷載作用下，柱頂不產生水平推力及由水平推力產生的柱頂水平位移，柱底也無彎矩，柱子受力簡單，內力較小，基礎面積也較小。但鋼梁在跨中屋脊處撓度較大，需增大梁截面，這給鋼梁焊接和施工增加了難度，同時也提高了造價。2）等截面人字形實腹鋼梁結構在豎向荷載作用下，柱頂會產生一定的推力和水平位移，在計算和分析時比較復雜。但結構形式比較簡單，制作和施工難度小，工程造價也相對較低。具體確定時，應結合本工程的特點及業主的要求進行取舍。

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。而一般門式剛架結構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。設計時不能簡單的把門式剛架的鋼柱替換為混凝土柱，應根據這類結構體系的特殊性有針對的進行設計。建議的連接形式為：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，混凝土柱鉸撐于鋼梁底面。

單榀設計時，應采用混凝土柱與鋼梁整體建模分析。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的，為反映真實的內力情況，應該進行整體分析，并以整體分析的結果來設計基礎、混凝土柱的配筋與鋼梁。把它們割裂開來分別進行設計，往往會給設計結果帶來安全隱患：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構在安裝過程中就有可能出現基礎被翹起、混凝土柱頂位移過大、柱身出現裂縫、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，導致鋼梁軸力增大、跨中彎矩減小、撓度減小等不真實情況，這時往往會出現安裝后的鋼梁的撓度大于計算撓度、鋼梁整體屈服失穩、局部壓屈等不安全問題。

整體分析時，分析模型要與連接構造處理相對應。混凝土柱與鋼梁的鉸接連接處理一般存在3種構造形式：1）完全抗剪連接構造，即普通的鉸接連接。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；2）完全滑移連接構造，采用鉸接＋混凝土柱頂，定義約束為“水平方向自由滑動”。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；3）介于以上二者之間的部分滑移連接構造，采用鉸接＋混凝土柱頂，定義約束為“約束水平方向相對位移差”。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點，否則會出現分析上的可變體系，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，程序分析結果中，在查看該混凝土柱的構件信息時，能夠得到程序實際分析出來的滑移量，分析結果可以用來處理設置滑移的節點構造問題。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。

根據相關研究，不同的計算模型對內力分析結果、設計結果影響非常大：如果一個完全抗剪的連接構造，分析時采用完全滑移的分析模型（混凝土柱單獨作為懸臂柱計算，不考慮鋼梁的推力，也屬于這種情況），會導致柱的配筋、基礎尺寸嚴重的偏小，帶來的后果與上面柱與基礎設計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，實際處理時處理成了長圓孔等滑動支座形式，會導致鋼梁的強度應力比、撓度等計算結果嚴重偏小，同樣給鋼梁的設計帶來安全隱患。

若要實現混凝土柱和鋼梁的剛性連接，那么在具體的混凝土施工過程中應參照鋼柱外包式柱腳，也就是在混凝土柱鋼梁結構的柱頂增加短鋼柱并且將短鋼柱埋入柱頂，實現短鋼柱與鋼梁的連接，相應的連接節點的設計和計算也應按照相關的規定，采用有效的措施對鋼梁進行加固。也可參照網架支座預埋件，對其加以改進做成剛接的節點，實現鋼梁支座底板和支座預埋件鋼板周圍的電焊模式，并且在支座的底部焊接圓孔，實現焊接圓孔的塞焊，從而使支座底板和鋼板的整體模塊化，而相應的預埋件應按照工程項目的有關規定，進行合理設計和構造，從而建立具有質量保證的混凝土鋼梁結構體系。

這樣的鋼梁結構的設計的用鋼量相對較小，施工建設的成本較低，單節點的構造相對麻煩，對施工的要求較高，從而建立施工質量相對穩定的工程建設。

4 結 語

混凝土下部結構鋼梁屋蓋結構在實際工程中已較為常見，但對于此類結構的設計依據、結構體系、施工要點、應用范圍及受力性能，學術界和工程界尚無定論，國內相關標準、規范、規程也沒有明確規定。因此，廣大結構設計人員需要正確把握所設計工程的特點，保證設計方案經濟、安全。

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