石油化工混凝土柱實腹鋼梁單層廠房設計分析

龔 捷

(云南化工設計院有限公司，云南 昆明 650041)

鋼結構在我國發展比較迅速。鋼結構的特性是強度高、自重輕、安裝施工周期短等。合理高效的利用此類結構，對工程造價的控制非常重要。工業結構設計中，建構筑物一般需要較大柱網及空間。因此，門式剛架結構在我國得到廣泛的應用，已成為建筑結構發展最快的結構類型之一。但有業主希望采用混凝土柱代替鋼柱，而屋面仍采用原門式剛架體系。這是出于減小用鋼量，省去防腐及防火涂料費用，或滿足建筑功能方面的考慮。在石油化工領域，這類結構形式既充分發揮混凝土柱側向剛度好、抗壓強度高、防腐防火性能好的優勢，也發揮了鋼梁抗彎性能好、自重輕、跨度大的特點。

1 實例介紹

我公司2018年承接了臨滄億金再生能源科技有限公司臨翔區生活垃圾資源化處理的工程項目。此項目建設地位于云南省臨滄市，子項設計內容有：有機肥裝置廠房、垃圾分類裝置廠房、沼液處理廠房、綜合處理間、成品庫、變電所、沼氣儲罐區、消防水站、污水處理站、綜合辦公樓、倒班宿舍等多項建構筑物。廠房結構形式均采用了混凝土框排架結構，實腹鋼梁輕型屋蓋。

1.1 混凝土柱實腹鋼梁結構的設計

根據工業建構筑物的特點，這類結構應考慮設備布置、工藝配管的需求及范圍。設備布置有多種放置形態，應結合造價因素，臥式及立式放置對建構筑物的高度、坡向等局限性要求，在滿足適用、生產、使用、檢修條件下合理采用建構筑物高度及跨度。按照以上條件，混凝土柱鋼梁結構屋面常采用單跨單坡、單跨雙坡、多跨雙坡、側向高跨雙坡低跨單坡的形式，如圖1所示。本工程采用(B)形式。

(A) (B)

對于混凝土柱實腹鋼梁結構，從材料性質來看，提高混凝土抗拉、抗壓強度的比值是混凝土改性的重要方面，而鋼梁為彈性材料，抗彎承載力較高。兩種完全不同性質的材料，如何采用可靠的連接方法，才能讓不同的材料發揮本身的優勢。若考慮體系的材料節約及節點的處彎矩分配，兩者材料的連接節點需采用剛性連接，可兩者較難達到剛性連接。理論上的混凝土柱與鋼梁連接可作為剛性節點，參照鋼柱外包式剛接柱腳做法。但在實際制作、吊裝安裝時難以達到理論上的剛性連接，與實際計算簡圖有出入，且施工程序較多、較復雜，還要考慮設備進場吊裝時間、各節點的施工，吊裝時間難以控制。因此設計時，鋼梁與混凝土柱頂的連接一般采用鉸接連接形式，即橫向類似排架結構，縱向混凝土框架結構，混凝土柱底采用剛性連接，如圖1(A)所示。

橫梁為實腹式熱軋或焊接工字型鋼，一般采用變截面。在單層工業廠房設計中，橫向純排架結構的做法，如混凝土柱加梯形鋼屋架，屋架可視為一個空間不變桁架體系。橫梁的軸向位移很小，屋架體系可形成較大的剛體，屋面假定為剛性的，即橫梁的軸向變形可忽略不計。整體模型計算時，屋架可模擬為剛性無限大的剛性桿，但在混凝土柱鋼梁結構體系中，此體系不完全和純排架結構體系相同。此體系中，混凝土柱頂與鋼梁鉸接不產生彎矩，但鋼梁屋蓋體系中，鋼梁自身不形成剛體，始終會對柱頂產生一個水平作用力。在模擬計算時需考慮此水平力產生的不利影響，特別對于有設橋式吊車時，對軌頂位移的控制需更加留意。

1.2 設計時規范的選用

如1.1所述，不同材料的連接有著多種多樣形式。按照理論的計算假定，節點設計有剛性連接及鉸接連接做法，此計算假定需與計算簡圖一一對應。不同連接節點的設計方式，對整體分析及構件內力情況有較大的區別。由于節點連接形式的不同，致使此類結構形式與單榀門式剛架的計算簡圖、計算內力截然不同，這類結構已經超出了門剛規范的適用范圍。故不能直接采用《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》進行設計。在進行此類結構工程設計時，應采用整體模型分析、單榀復核的方式進行設計。對于混凝土柱，應根據整體分析得到的結果，按照《混凝土結構設計規范》及《建筑抗震設計規范》進行混凝土柱的計算及構造；至于鋼梁，對具有輕型屋蓋系統或吊重較小的電動單梁起重機，此類型的結構設計，結合抗震區域的地震作用計算，同需滿足《建筑抗震設計規范》中單層工業廠房的相關規定，鋼結構部分在制作和安裝時可參考《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》進行，但也應進行整體模型分析。特別是兩種不同材料之間內力分布，剛度位移的影響。對于廠房跨度較大、屋蓋荷載較重及對水平位移比較敏感(如吊重大于 5 t，工作級別高于A5的橋式吊車)的情況，鋼梁的設計應整體模型分析，在滿足《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)要求前提下，結合門剛規范進行校核。其中，鋼梁應按壓彎構件驗算平面內穩定性，考慮軸力對鋼梁的影響。對于鋼梁撓度的控制，可以綜合考慮鋼結構標準以及輕鋼規范的規定進行控制。綜合考慮安全性、經濟性的因素，大跨度鋼梁撓度指標可按L/240進行控制。

1.3 結構構件設計

在假定條件滿足的前提下，結構應采用整體模型分析。若屋蓋系統(鋼梁部分)與下部混凝土柱分開計算，因為節點連接處為鉸接連接模擬，不能真實反映混凝土柱的自身剛度。不考慮鋼梁對混凝土柱的水平力，會對混凝土的內力產生偏差，導致混凝土柱的配筋偏小，對柱產生不利的配筋和位移影響。對于帶吊車的淺基礎情況，基礎的零應力區控制將不滿足規范；對不帶吊車的淺基礎情況，基礎的零應力區比例將增大；對于帶吊車且采用單柱單樁的情況，樁基將產生壓彎、剪壓應力。一般來說，工業廠房類跨度均較大，但上部荷載不大，在無吊車布置時，通常情況下基礎為單柱單樁布置，且只能在廠房縱向布置拉梁。另一個方向是沒有條件布置拉梁的，即柱底彎矩無法完全靠拉梁承擔，若計算簡圖不真實，對結構是不利的，則上述的計算分析都將成為不安全隱患。

1.3.1 鋼梁的分析

在混凝土柱實腹鋼梁結構設計時，結合連接節點的假定，工字形截面鋼梁計算簡圖為兩端簡支支座的鋼梁。構件鋼梁通常情況下為抗彎強度控制，對于鋼梁面外的穩定計算，與屋蓋的水平支撐系統布置有很大關系。鋼梁翼緣主要以抗彎為主，腹板主要以受剪為主。加大鋼梁的截面高度，隨即增大腹板的高度，在滿足抗剪、抗彎承載力、穩定性計算及構造要求的前提下，使之抗彎強度、抗剪強度、穩定性應力值大致平均，可有效調節各應力的平衡。因此從構件截面和內力分布的來看，按有效截面概念設計，滿足構件高厚比、寬厚比等構造，采用的鋼梁截面，高而薄的腹板。當腹板的寬厚比不滿足，差很少的情況，可通過設置縱向加勁肋的方法來減小，不宜采用較大的截面(造成材料的浪費)。對于單構件，在滿足強度、穩定情況下，應當采用高截面、薄腹板的鋼梁設計，因為腹板的高度較大，可能會引發腹板屈曲。板件屈曲仍具有一定的承載能力，但承載力并不會立刻喪失，此過程的承載力并不是成比例的直線性變化，并且在此過程中，利用鋼材的屈服強度相對來說也是較為可觀的。另外，鋼梁主要是抗彎為主，通常鋼梁軸力較小，控制截面為跨中的正彎矩點，這也只簡支鋼梁控制截面的主要因素。因此，此類結構形式的鋼梁可將截面高的位置與彎矩圖正向彎矩匹配，使之包絡圖與截面高做線性變化，進而鋼梁的任意截面處同時達到或接近承載力，更有效的利用鋼梁截面。

1.3.2 屋蓋水平支撐系統的分析

屋蓋鋼梁不僅要滿足抗彎、抗剪承載力，同時鋼梁的穩定性也是重要的計算要點，這也和屋面的水平支撐系統有很大關系。水平支撐的合理布置不僅能有效傳遞水平力，還能有效的節約鋼材，這也就意味著水平支撐系統并不是可有可無的，而是與屋蓋結構緊緊相關的，是不可忽略的重要組成部分，與房屋是一個整體，是山墻風荷載、水平地震力、吊車水平剎車力的重要的傳力途徑。屋蓋水平支撐構件宜設于邊跨山墻側。在工藝、設備，建筑布置不滿足時，可設于縱向柱間距第二跨。當廠房縱向長度太長，需在合理間距范圍再設一道水平支撐，形成屋蓋系統的平面桁架，以提高屋蓋的整體性。水平承載力和空間剛度，使之更有效傳遞水平力。結合結構布置，此結構支撐系統的布置與門式剛架結構屋面支撐系統有很多類似之處，但也有其自身特點，如圖2。

圖2 屋面鋼梁及水平支撐平面布置圖

屋面板采用鋼筋混凝土時，混凝土板設于鋼梁上翼緣，即可在鋼梁上翼緣設置剪力釘；屋面板下設壓型鋼板，形成組合屋面板。亦可采用壓型鋼板作為屋面底模形成屋面板，屋面板宜按單向板布置。此板在面外具有很大剛度，保證了鋼梁的上翼緣的穩定，至此可以不設置上翼緣的水平支撐。但從施工角度上看，在澆筑混凝土屋面板前，為保證施工時的穩定性，可按照構造臨時加設水平支撐，但可不作為整體計算的控制點。混凝土達到強度后可進行拆除，亦可保留。

采用復合壓型鋼板的柔性屋面，H型鋼次梁兼做檁條。在單獨設屋面檁條時，當檁條滿焊于檁條，復合壓型鋼板有較長搭接長度，且有可靠的自攻釘連接。理論上壓型鋼板可保證上翼緣的穩定性，但應考慮施工實施的完整性。特別對于單層壓型鋼板，沒有足夠的剛度往往不能完全保證穩定性，則需設置上弦橫向水平支撐。支撐可十字交叉布置，按受拉構件設計。在縱向水平傳力途徑中，鋼梁的下弦橫向水平支撐通常理解為能作為山墻抗風柱的支點，是保證鋼梁穩定的重要措施，必須嚴抗風柱間距合理布置。當鋼梁跨度較大時，鋼梁一般采用高強螺栓拼裝節點。考慮材料的運輸、吊裝的可行性，鋼梁的拼接位置也有講究。拼裝節點通常設于彎矩較小處，不建議設于彎矩較大處。避開彎矩較大處可有效減少拼接節點處的螺栓數量，其熱軋或工廠焊接的工字型截面鋼梁有較好的連續性。此外，拼接節點也宜避開抗風柱位置處，間距錯開 1 m 為宜。節點過于集中，對節點受力和施工不利，縱向、橫向，上翼緣、下翼緣支撐系統的合理布置，在整個體系中即可形成封閉完整的空間幾何不變體系。

系桿同屬于屋蓋水平支撐系統的重要組成部分，作用與水平支撐相輔相成，達到共同抵抗水平力的作用。一方面保證無支撐開間處屋蓋梁的側向穩定，因為屋蓋在縱向及橫向形成的水平桁架體系；另一方面可以減少屋蓋鋼梁的平面外計算長度。在沿抗風柱水平支撐位置處，沿縱向的系桿應按通長受壓剛性系桿布置，剛性系桿在鋼梁的布置位置應根據構件的大小，宜設于鋼梁上翼緣下側 150 mm 處。對于水平力不大的情況，在無支撐開間處可按柔性系桿布置，但不可完全按照受拉構件控制。此做法的適用與鋼梁的平面計算長度相互對應，不可盲目減小計算長度，以免造成不安全的隱患。

1.3.3 混凝土柱的分析

在此類結構中，對于橫向，因跨度較大，混凝土柱有較大的抗側力剛度，為主要的抗側力構件。混凝土柱截面不應設為正方形截面柱。根據受力特點及吊車水平剎車力的組合，橫向的柱截面應大于縱向的柱截面，以提供足夠大的側向剛度；縱向應形成可靠的水平傳力結構體系，可形成混凝土框架，或加設柱間支撐。但需留意的是，通過驗算，在高烈度和風荷載較大的地區，在只能設柱間支撐的情況時，柱間支撐并不是構件強度或構造控制，往往是節點的承載力控制。此類結構結合屋蓋的鋼梁的不利影響，適宜采用整體分析。當有橋式吊車時，應考慮吊車水平剎車力，即軌頂的位移值，柱配筋要適當加強以考慮不利影響。

1.4 節點設計

1.4.1 混凝土柱與鋼梁鉸接的連接

混凝土柱與鋼梁的連接有多種連接方式，較為常用為：

1)混凝土柱側預埋鋼板，鋼梁通過節點板與埋件焊接或螺栓連接；

2)鋼梁端側設置端板，鋼梁端板與柱側或者柱頂化學錨栓進行固定，端板上的連接板與鋼梁腹板螺栓連接；

3)對于需釋放柱頂水平力的情況，柱頂可預埋鋼板及螺栓，鋼梁置于混凝土柱頂，鋼梁下翼緣設長圓孔，下翼緣板不與預埋鋼板焊接，墊板不與下翼緣焊接，形成滑動鉸支座。

結合實際工程實例分析及以上連接方式，現對不同受力的連接構造細分為三種形式：完全抗剪連接構造，完全滑移連接構造，部分滑移連接構造。

完全抗剪連接構：此連接構造即為典型的鉸接連接節點，混凝土接受鋼梁傳遞過來的剪力(即水平推力)；完全滑移連接構造：釋放鋼梁傳遞過來的水平推力，形成相對的自由滑動；部分滑移連接構造：鋼梁與柱頂連接處制定限位措施，即當滑動量達到一定程度后，限位后剩余水平力傳遞至混凝土柱。

1.4.2 3種計算模型的內力分析

從不同的連接方式分析(見表1)，約束的不同，結果相差很大。怎樣合理采用不同的連接方式，不同的項目客觀制約因素不同，需根據工程實際情況具體分析。

表1 砼柱鋼梁連接計算模型不同的分析結果比較表

1.4.3 拉條布置及其它

合理的構造布置及處理是保證房屋安全的重要措施。通常情況下，簡單的單層工業廠房結構均為風荷載作用控制，屬風荷載敏感性結構。特別是對于基本風壓較大的地區，屋面常形成向上的推力，為風吸力控制。在計算屋面檁條時，拉條的布置位置和道數及計算緊密聯系；對于屋面板剛度較大，能保證上翼緣穩定，即不會產生上翼緣失穩定的情況，可將拉條布置于靠下翼緣側；對于體型系數較大的房屋，屋面板剛度較小的單層壓型鋼板，同時在上、下翼緣失穩的情況，需設置雙層拉條，位置可盡量靠翼緣的上下側，滿足施工的預留空間，一般情況下取三分之一位置處。

1.4.4 伸縮縫的設置

房屋縱向結構體系為鋼筋混凝土框架，溫度產生的應力不可不計，需按照混凝土框架體系考慮伸縮縫的設置，最大間距要求按《混凝土結構設計規范》構造規定采用。

2 結語

本文從結構布置體系、主要構件、節點分析等方面闡述了混凝土柱實腹鋼梁結構設計中應注意的問題。通過實例，對不同的計算模型進行了對比，對模型的假定及實際設計中容易發生錯誤的地方進行了提示，是結構概念和工程經驗的總結。