混凝土柱钢梁结构在污泥处理厂房中的应用

许 怡

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着城市污水处理厂大规模的建设运行，污泥产生量大幅增加。为使污泥处理达到减量化、无害化、稳定化、资源化的目标，在污泥处理厂房的设计中一般设置污泥干化系统、污泥焚烧系统、烟气除尘系统、除臭系统等。污泥处理厂房的跨度一般在20～30 m，高度在15～20 m。工业厂房的结构选型时，可考虑门式刚架或混凝土柱钢梁结构。门式刚架跨越能力强、平面布置灵活、外形简洁优美、施工方便，在工业厂房的设计中应用广泛。由于污泥具有一定的腐蚀性，采用门刚结构时需对钢结构进行防腐及防火处理。随着防火涂料和后续维护成本的上升，不少业主要求采用混凝土柱钢梁结构。混凝土柱钢梁结构在现行规范中没有明确其设计方法和构造要求，本文将结合工程实例，探讨此类结构的分析要点、关键构造，并从经济性角度评价此类结构的适用性，为类似工程提供借鉴。

1 结构分析要点

1.1 荷载取值

目前我国关于荷载取值的规范有《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012）和《门式刚架轻型房屋技术规程（2012年版）》（CECS102:2002），由于这两本规范在荷载取值、计算方式上存在个别差异，导致了设计、审图及一些设计软件中的某些参数取值出现混乱。

1.1.1 风荷载取值

在《门刚规范》的风荷载计算中，基本风压的取值需按《荷载规范》的规定值乘以1.05采用，而且风荷载的体型系数已包含了阵风效应，仅适用于屋面平均高度不大于18 m的门式刚架轻型房屋。对于污泥处理厂房而言，其高度可能超过18 m，应按《荷载规范》进行取值计算。

1.1.2 雪荷载取值

在污泥处理厂房设计时，建筑专业应尽可能避免多坡屋面，以避免中间V型谷形成滑雪效应。同时，应降低女儿墙高度，以减小堆雪效应。雪荷载计算时，应注意屋面积雪不均匀分布系数的影响，特别是女儿墙较高时，积雪不均匀分布系数会达到1.4，同时还应注意双坡屋面半坡积雪不均匀分布系数差别较大的影响，防止出现计算不安全的误差隐患。在寒冷地区也可以考虑在雪荷载取值时适当增大安全储备。

1.1.3 屋面恒、活载取值

屋面恒荷载计算时，钢梁自重另行计算，单层彩色压型钢板加保温棉取0.20 kN/m2，双层彩色压型钢板加保温棉取0.25 kN/m2，檩条、水平支撑系统取0.1 kN/m2，吊挂电器设备、消防水喷洒管道等悬挂荷载取0.1 kN/m2。

屋面活荷载的取值按《荷载规范》规定不上人屋面活荷载为0.5 kN/m2，在《门刚规范》中对受荷水平投影面积超过60 m2的刚架构件，活荷载可取为0.3 kN/m2。在污泥处理厂房的活荷载取值时，考虑到设备安装时存在增设风管及支架的可能性，需提高安全储备，故一般采用0.5 kN/m2。

1.2 钢梁挠度

混凝土柱钢梁结构中钢梁正常使用状况下的挠度取值是目前争议比较大的问题。《钢结构设计规范》（GB50017-2003）规定楼（屋）盖主梁受弯构件挠度限值［Vt］为1/400。《门刚规范》则规定支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条的门式刚架斜梁，构件挠度限值为L/180。严格来说，混凝土柱钢梁结构的挠度控制应按照《钢规》控制，但挠度限值1/400必然会导致增大钢梁截面，造价上升。而直接套用《门刚规范》的挠度限值1/180，可能导致挠度过大，排水不顺畅，还给人不安全的感觉。在污泥处理厂房的设计中，对于屋面设置悬挂起重机的屋面钢梁，挠度限值按1/400计算。对于无悬挂起重机的屋面钢梁，可控制挠度限制在1/250左右，再适当考虑施工预起拱值，这样经济性比较好，一般也能满足《钢规》1/400的挠度限值。

1.3 模型计算

在此类结构的设计中，主要采用PKPM进行系列软件进行整体计算和单榀复算。在进行整体建模时，平面外柱轴线（除抗风柱外）可布置混凝土梁。由于污泥处理厂房层高较高，为满足抗震要求的柱顶位移的限值，可布置多道混凝土梁（即连系梁），位置高度宜结合外立面门窗高度进行布置。这样在平面外能使混凝土柱梁形成平面框架，在无重级起重机吊车梁的情况下，纵向水平力由混凝土梁承担，不布置柱间支撑也能满足规范要求。

在进行整体计算时，采用SATWE程序。程序会根据整体分析得出的结果按照混凝土结构设计规范进行混凝土柱和混凝土连系梁的配筋计算，按选定的钢梁构件给出钢梁的应力比。同时根据整体分析计算的柱底内力完成基础设计。

对于混凝土柱钢梁结构还应进行单榀复算，即采用STS钢结构程序中的PK进行建模计算。这是因为考虑到SATWE与PK的差异，钢梁（一般为双坡屋面）轴力对柱的推力、混凝土柱顶位移过大、钢梁挠度过大等影响。一般来说PK的计算结果，钢梁是能采用的，而混凝土柱应与整体计算结果作比较后，取大值。

2 关键构造

2.1 屋面钢梁与柱顶的连接

梁与柱的连接一般可分为刚性、半刚性及铰接连接。在门式刚架结构中，钢梁与钢柱采用刚接连接。在混凝土钢梁结构中，由于混凝土与钢材的材料差异，节点抗拉、抗冲切性能很差。而且刚接节点的设计和施工均较复杂，一旦连接松动，钢梁将会受到比设计内力大很多的弯矩。基于以上原因，在污泥处理厂房的设计中，柱顶与钢梁一般采用铰接连接。采用铰接连接，柱可不受弯矩影响，柱的断面配筋较钢筋混凝土框架柱小很多。

钢梁两端铰接于柱，水平推力较大，目前处理方式主要有三种。一种是柱顶增设抗剪件来承受水平推力产生的剪力，见图1所示。第二种是一端支座锚固螺栓孔开成椭圆孔，水平力靠椭圆孔释放，见图2所示。第三种是在钢梁下增设拉杆来承受水平推力。第二种方式虽然能有效地减小水平力，但长孔的大小必须根据结构分析确定的最大滑动位移确定，而且必须留有余量，在工程设计中较为复杂。第三种方式在构件制作时增设拉杆，减小了厂房的净高，不利于室内管道的铺设，故业主一般也不太愿意采用此方式。故在污泥处理厂房的设计中，通常采用第一种方式，通过增设抗剪件来承受水平力。

图1 支座采用抗剪件示意图

图2 支座采用椭圆孔示意图

2.2 支撑系统

钢结构屋面的横向水平支撑和柱间支撑的布置可按照《门刚规范》进行布置。《门刚规范》中规定支撑可采用带张紧装置的十字交叉圆钢支撑。《钢结构规范》中则要求采用角钢刚性支撑。在污泥处理厂房的设计中，对于满足《门刚规范》适用条件的厂房，可采用圆钢支撑，否则应采用角钢支撑。

3 经济性比较

某污泥处理厂房平面尺寸为24 m×72 m，单跨建筑，跨度24 m，柱网间距6 m，高度为15 m，屋面设2 t电动单梁起重机。基础均采用预应力混凝土管桩。

方案一采用门式刚架结构形式，刚架柱截面H(1000～300)×320×10×14，梁截面 H(1000～800)×300×8×12。墙面围护采用彩钢板。

方案二采用混凝土柱钢梁结构，混凝土柱截面500 mm×800 mm，梁截面 H900×300×8×12。在柱高范围内设置三道钢筋混凝土梁，梁截面350 mm×600 mm。墙面围护采用蒸压加气混凝土砌块。

表1为方案一与方案二的各项费用比值统计表。

表1 费用比值统计表

从表1可以看出，混凝土钢梁结构与门式刚架结构土建成本相差不大，但在后期维护成本方面具有明显优势。

4 结语

混凝土钢梁结构既具有门式刚架跨越能力强的优点，又能弥补门式刚架防腐防火等方面成本高的缺点，特别适用于大跨度的污泥处理厂房。在结构设计时，荷载取值应按规范最不利，钢梁与柱顶采用铰接连接方式，结构分析时应进行整体和单榀计算。只有在设计中考虑全面，才能消除此类结构的不安全隐患。

[1]CECS102:2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（2012年版）[S].

[2]GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S].

[3]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].