鋼筋混凝土框架輕鋼屋面結構設計思路分析

摘 要：隨著經濟快速發展，大跨度建筑越來越普遍，且為了符合業主對建筑經濟性的要求，選擇一個既經濟又合理的結構是非常有必要的。本文結合工程實際需求，采用鋼筋混凝土框架輕鋼屋面結構，在設計過程中對鋼筋混凝土框架輕鋼屋面結構設計進行研究，分析了不同屋面結構形式、支座類型及屋面荷載選取對鋼筋混凝土框架輕鋼屋面結構設計的影響，最終選擇適合本項目的結構形式，為類似工程提供經驗借鑒。

關鍵詞：輕鋼屋面；網架；橡膠支座；球鉸支座；屋面荷載

1 前言

伴隨著我國經濟的快速發展，大跨度建筑在生活中越來越常見，而輕鋼屋面結構以其自重輕、抗震性能好、施工進度快、跨度大、屋面下部空間大等優點在大跨度建筑中廣泛應用。而對于豎向構件，混凝土柱和鋼柱對比，具有費用較低、耐火、耐久性能較好的優勢，因此為滿足甲方經濟要求，設計上常采用混凝土柱加輕鋼屋面設計的方法，即混凝土框架輕鋼屋面結構。而常用的輕鋼屋面有鋼梁結構、桁架結構和網架結構，混凝土框架柱與屋面的支座類型有平板壓力支座、平板橡膠支座和雙向抗震球鉸支座，且伴隨著極端天氣越來越多，積雪過多、超強臺風等造成的輕鋼屋蓋破壞事故屢見不鮮。因此在此類結構設計中合理選擇屋架、支座類型及屋面荷載對結構安全性也有很大的影響。本文結合具體項目淺談輕鋼屋面的設計思路，為后續相似工程設計提供一定的參考作用。

2工程概況

此次項目為河南省鄭州市的某單層工業建筑，該建筑寬40 m，長66.2 m，建筑檐口高度18 m，屋脊高度為19 m，雙坡屋面坡度為5%。為建筑功能需要，房屋中間不能設柱，因此結構的橫向跨度達到40 m，同時，屋面結構下還設5 t懸掛吊車。根據經濟需求，并結合建筑空間需求，采用混凝土框架輕鋼屋面結構。

3結構關鍵技術分析

3.1屋面結構形式選取

工程中常見的屋面結構形式為鋼梁結構、桁架結構和網架結構，結構形式詳見圖1。

各項研究指出[1-2]：鋼梁結構主要應用于單層廠房屋蓋，多見為單跨簡支梁或多跨連續梁。鋼梁和混凝土柱屬于兩種材料，連接節點處很難達到剛接要求，且施工難度大，很難實現，故一般情況下鋼梁支座和混凝土柱頂應采用鉸接。兩端簡支的梁式結構跨中截面高度較高，連續梁式結構支座及跨中部位截面高度相對較高，通常可結合建筑空間關系形成所需的結構高度。由于梁式結構主要是利用截面的抗彎能力，因此對結構高度的要求較高，一般適用于較小跨度屋面，跨度40 m以內可得到較為合理的經濟性，隨著跨度的增加將趨于不經濟。

鋼桁架結構最常采用的是平面桁架，在橫向荷載作用下，其受力實質是格構式的梁，整個桁架是個受彎的構件組，上、下弦桿的軸心受壓和受拉，剪力則表現為各腹桿的軸心受壓或受拉，桁架需要有一定的空間結構高度才能滿足抗彎要求。一般情況下，桁架兩端與混凝土柱應采用鉸接，桁架的高度可以隨著彎矩大小漸變，故為取得較好的經濟性，多采用梯形桁架結構形式，跨度一般為18 m～36 m。

空間網架結構具有空間受力的性能，是超靜定的空間鉸接桿系結構體系。網架結構用鋼量少、剛度大、抗震性能好、施工安裝方便、產品可標準化生產。網架結構適用于各種建筑平面，網架結構較為經濟的適用跨度為20 m～100 m。

本項目由于建筑功能需求，柱網應布置在建筑周邊，綜上屋面結構形式進行比較，宜選擇正放四角錐體空間網架結構，既經濟又美觀。網架受力采用周邊支承，網架四周全部直接支承在周邊的柱上，柱距8.4 m，網架的網格布置和柱距相匹配，詳見圖2。

3.2支座類型

工程中常用的支座有[3]：平板壓力支座、平板橡膠支座和雙向抗震球鉸支座，詳見圖3。

平板壓力支座為固定鉸支座，可有限轉動，受力明確可靠，可有效地傳遞梁端剪力和軸力至混凝土柱頂，施工簡便易于操作，但因其水平、垂直方向不能移動，屋面結構因變形或側移產生的水平力直接傳遞給柱子，造成柱子受力變復雜，增加其截面和配筋，所以一般適用于跨度較小屋面。

平板橡膠支座為多層天然橡膠與薄鋼板鑲嵌、粘合、硫化而成的支座產品，具有足夠的豎向剛度和較大的剪切變形，既能將屋面結構反力可靠地傳遞給柱子，又能通過剪切變形實現水平位移，從而有效釋放水平力，減小其對柱子的影響，這就很大地簡化了柱子的設計，同時還能通過不均勻彈性壓縮實現梁端的轉動，所以適用于支座反力較大、有抗震和溫度要求、水平位移較大，以及有轉動要求的大、中跨度空間網格結構。

雙向抗震球鉸支座通過球面傳力，不會出現力的縮頸現象，作用在支座上、下結構的反力比較均勻，不存在橡膠老化對支座的影響，使用壽命長。可直接承受豎向力和水平力，又能保證地震時結構不脫落，同時可適應徑向、環向的位移要求和任意方向的轉角要求，具有良好的減震性能。因此，本項目選擇采用雙向抗震球鉸支座，設計時明確該支座的設計參數，如豎向承載力的大小、水平承載力的大小、抗拔承載力的大小、支座轉角限值、水平彈性剛度要求等，廠家可根據設計要求進行生產。

3.3屋面荷載選取

輕鋼屋面的荷載主要分為永久荷載和可變荷載。永久荷載包括屋面做法和屋蓋構件自重，而可變荷載則要重點關注其中的雪荷載和風荷載。積雪過多將輕鋼屋蓋壓塌的事故屢見不鮮，說明雪荷載具有較易發生超載的問題，危險性很高。而風荷載則需注意風吸力對結構的作用，這種作用對于自身質量較輕的輕鋼屋蓋來說，往往是不利的，當結構自重不能平衡負風壓產生的吸力時，會使鋼梁下翼緣受壓失穩或屋架桿件中拉桿受壓失穩，造成結構破壞，進而引起結構垮塌。因此，在屋蓋結構的設計中，必須全面把握風、雪荷載作用特點以及作用方式，以進行精確的設計。本次在主要承重結構承載力驗算時，風荷載則按基本風壓的1.1倍取用，雪載則按重現期為100年雪荷載進行設計。此外，還要求業主在后續的使用過程中，采取相應措施防止超載情況發生，如及時清理積雪、設置融雪設施等，避免荷載過大發生垮塌。

4結構建模分析

4.1模型參數選取

根據以上分析、項目概況，結合《建筑結構荷載規范》《鋼結構設計標準》以及《屋蓋結構風荷載標準》的要求，本次結構計算參數取：抗震設防烈度7度，0.10 g，Ⅱ類場地，設計地震分組為第二組，基本風壓為0.45 kN/m2（n=50年），基本雪載為0.45 kN/m2（n=100年），抗震設防分類標準為標準設防類；上弦靜載取0.6 kN/m2，活載取0.5 kN/m2，下弦靜載取0.3 kN/m2（包括消防和燈具），另布置馬道荷載和吊車荷載，吊車采用多點式懸掛起重機，在網架球節點下設置5條吊車梁軌道，吊車通過5個吊點均勻把荷載傳遞給網架；針對溫度作用，上溫差：+36℃，下溫差：-8℃，以施工合攏時溫度為10～25℃為設計標準，對結構最大溫升的工況為26℃，對結構最大溫降的工況為33℃；屋面女兒墻附近網架按《建筑結構荷載規范》表7.2.1考慮積雪分布系數μr。

4.2計算結果分析

本次項目，屋面網架采用3D3S網架網殼結構設計模塊進行內力分析和設計驗算，將桿件截面驗算應力比控制在0.85以內，受拉、受壓桿件長細比限制為180，而關鍵桿件（臨支座1個網格內的弦桿和腹桿）受拉長細比和受壓長細比限制為150。該屋蓋跨度為40 m，厚度為2 m，上弦起坡高度為1 m，跨中厚度為3 m。建立不同支座約束條件下的模型進行結構分析計算，其經濟指標及內力計算結果詳見表1。

通過表1可以看出：

（1）水平彈性剛度值越大，對網架的豎向變形越有利，但桿件的內力及支座的水平力也越大，導致網架的用鋼量也越多，同時要求框架柱的截面變大，配筋增多，可能嚴重影響建筑的功能布局；

（2）當網架支座的X、Y向水平彈簧剛度為2 kN/mm時，支座水平力較合理，對框架柱影響很小，網架用鋼量也較經濟，是最合理的取值；

（3）網架跨中最大豎向位移79.6 mm＜L/400=100 mm，滿足整體撓度控制要求，詳見圖4；

（4）桿件截面規格為：上弦Φ180 mm*12 mm，下弦Ф159 mm*10 mm，腹桿Ф88.5 mm*4 mm。

5結論

輕鋼屋蓋作為一種建筑類型，以其結構均勻、強度高、重量輕、良好的塑性、韌性及密封性等優點被廣泛采用。而此類結構受風、雪等外界荷載影響較大，在設計時要充分考慮這類不利因素。同時需根據建筑功能要求以及經濟性，選擇合理的屋架結構形式。雙向抗震球鉸支座設置合適的水平彈性剛度值，即能保證結構安全，又能有效減少支座水平力，具有良好的經濟性。

參考文獻

[1]沈曉飛，潘俊，周烽煒，等.海口國際免稅城造型屋面鋼結構施工關鍵技術[J].建筑結構，2023，53（S1）：2158-2163.

[2]李江.混凝土柱支撐的鋼梁輕鋼屋面排架結構設計[J].建材與裝飾，2016（21）：115-116.

[3]郭鵬.網架支座約束條件對結構內力的影響分析[J].成組技術與生產現代化，2020，37（2）：58-62

作者簡介：胡翠平（1989.03-），女，漢，福建上杭人，碩士，講師，研究方向：結構工程。