混合輕鋼結構的設計探討

劉 心

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097)

在工業建筑設計中，經常會出現鋼筋混凝土框架結構+輕鋼結構的“混合結構”，下面就“混合結構”進行幾方面的闡述。

1 使用“混合結構”的原因

1)為了節省鋼結構廠房防火涂料及防腐涂料。

在SH3137—2013石油化工鋼結構防火保護技術規范中就列舉了鋼結構需要做防火的范圍。其中：“單層鋼結構廠房：采用輕型屋面時，地面以上10 m內的柱、柱間支撐、框架梁均應做防火保護；多層鋼結構廠房：地面以上10 m范圍的柱、柱間支撐、框架梁及設備梁需要做防火。同時規范還對構筑物防火范圍也提出了要求”。對于鋼構總量多，防火面積大的廠區，防火成本也是一筆不小的開支。

另外，防火涂料施工一般分為噴涂和抹面兩種。若采用噴涂的方法，有時會污染已經完成的設備及其他；若采用抹面防火的形式，成品保護及施工質量(高空作業)難以保證。

同時在石油化工廠設計中，鋼結構基本上都是按照中等腐蝕性來考慮，經過除銹后的鋼構需要底涂，中涂，面涂，使漆膜的總厚度大于150 μm,防腐的成本也是需要考慮的因素之一。

2)全鋼結構設計仍不普及，鋼結構的計算及畫圖麻煩。

一些設計院比較擅長混凝土結構的設計，考慮鋼構設計有時比較繁瑣和麻煩，節點繪制比較多。

3)為了滿足建筑功能的需要。

4)業主特殊需求或設備布置特殊等。

有時業主堅持使用混凝土結構，可能是為了和原有類似結構形式一致，或認為混凝土結構更安全。有時，因為有非常沉重或振動的設備，采用下部為混凝土結構形式更合理。

2 混凝土柱+鋼屋蓋的單層廠房設計分析

此種結構類型在工業建筑的設計中較多出現。但是，這種結構形式并沒有明確的規范指導當前的設計。

從構造上說，鋼梁和混凝土柱子的節點剛接和鉸接都可以。一般來說，有三種設計方法：

1)完全抗剪支座：兩端都設置抗剪件。這樣鋼梁撓度小，梁截面小，混凝土柱配筋比較大，柱頭位移比較大；

2)完全不抗剪：鋼梁按簡支梁設計。鋼梁撓度大，梁截面偏大，混凝土柱配筋比較小，柱頭位移比較小。這樣做，使混凝土柱在平面內沒有約束，混凝土柱實際是懸臂柱；

3)不完全抗剪：支座介于二者之間，結構相應也介于二者之間。具體做法就是有限釋放支座位移。安裝屋面鋼梁時，先不固定一端支座，螺栓孔開為長圓孔。屋面恒載產生的鋼梁推力可以通過位移來釋放掉。

如果是在混凝土柱子上做鋼屋架，是可行的。在國標圖集《梯形鋼屋架》(05G511)里，屋架最大跨度為36 m，如果廠房的跨度不大于36 m，可以套用圖集。因為屋架產生的水平推力由屋架下弦承擔，對下部結構的推力沒有或很小。而如果用實腹式鋼梁，鋼梁產生的水平推力需要依靠下部結構來承擔。下部的混凝土柱根據節點連接的方式不同，會產生不同情況，受力和配筋都有所不同。若混凝土柱子做的很大，就可以完全抵抗鋼梁的水平推力了。

具體剛接做法：把斜梁用豎放端板與混凝土柱中的預埋螺栓連接，以形成剛接。

節點固接的優點在于鋼梁兩端為固接,對于小跨度結構,可直接采用型鋼,且用鋼量較小(相對于采用變截面鋼梁)。可以使層高減小，既滿足工藝要求，又節省用鋼量。

節點的鉸接可以按排架結構來計算。具體做法可以有如下兩種形式：

1)螺栓鉸接，螺栓孔可以只作為長圓孔，豎向力直接傳遞給混凝土柱，水平力釋放通過長圓孔實現。

2)一端鉸接，一端滑動支座。

如結構跨度較小，門型架鋼梁底面可以將底面平面放置，減小水平力的作用。

對于鋼梁與柱節點鉸接，又會出現問題，就是當跨度很大的時候，可能會出現由撓度控制的情況，而按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》，撓度控制為1/180，而按照《鋼結構設計規范》則最少要套用次梁的1/250，選擇哪本規范，還是一個問題，有待進一步考慮，現在只能是具體問題具體分析。

3 混凝土框架上+鋼框架結構

混凝土框架上+鋼框架結構，存在彈性模量，截面特性，阻尼比不同等問題，所以在抗震設計時可采取如下措施來考慮并解決該問題：

1)按照GB 50011—2010建筑抗震設計規范(以下簡稱《規范》)條文說明5.1.1條第3款，我們把此混合結構按“不規則結構”分析，并在SATWE抗震信息中選擇“不規則”，并“考慮偶然偏心”和“雙向地震作用”，取兩者的不利結果。分析結果符合《規范》3.4.3條和3.4.4條。

2)結構分析采用空間分析，受力較為明確。在滿足工藝使用的同時，傳力路線也較為合理。并且,所有鋼構平臺梁與柱接頭均采用鉸接，在混凝土柱分析配筋結果時也未考慮鋼構層對其的有利影響。

3)阻尼比可按《規范》8.2.2條取值，放大地震作用效應。

4)按照《規范》條文說明5.2.2條，我們將振型個數適當增加，保證振型參與質量達到總質量的90%以上。

5)按照《規范》5.2.4條及條文說明，突出混凝土頂層的鋼構層，在振型分解法分析中應該將其視為結構的一部分，按獨立質點考慮。PKPM計算軟件中采用的就是振型分解法。

至于鋼柱與混凝土柱是剛接還是鉸接，同鋼梁與混凝土柱的節點一樣，從構造上講都沒有問題。鉸接控制整體穩定比較難，剛接則節點稍難處理。剛接要求混凝土柱的截面尺寸會更大，柱頭的配筋更密。若按剛接，下段混凝土柱子會通過上段柱子受到屋面橫梁的約束，計算長度能減小，不再按照懸臂柱計算。

4 結語

本文淺談了“混合結構”的一些設計理念和具體做法，供大家參考討論。工業建筑結構類型較多，工藝要求復雜，設備體積大，重量大，會有防火，防腐等各種要求，如何把結構設計的更加合理恰當，是我們今后繼續努力思考的問題。

[1] GB 50191—2012,構筑物抗震設計規范[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[3] CECS 102：2002,門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].

[4] SH/T 3147—2014,石油化工構筑物抗震設計規范[S].

[5] 姜學詩.鋼結構房屋結構設計中常見問題分析[J].建筑結構，2003(6):3-5.

[6] 陳紹藩.單層房屋鋼支撐體系的內力和桿件計算[J].建筑結構，2007(11):89-91.