混凝土柱钢结构屋架厂房设计思路分析

吴文庭

规划设计 Planning and design

混凝土柱钢结构屋架厂房设计思路分析

吴文庭

（海峡（福建）交通工程设计有限公司，福建 福州 350000）

钢筋混凝土柱钢结构屋架结构体系中竖向构件采用钢筋混凝土构件,屋面采用轻型钢结构屋架体系,不同于已有成熟结构体系,兼具轻钢门式刚架跨度大、施工方便和混凝土结构耐久性好等特点。根据材料性能和结构特性,并结合实际工程案例,仔细讨论了此类结构屋架结构与柱顶的连接、屋面板的做法及屋架结构形式确定，其讨论及分析可为类似工程提供借鉴。

门式刚架；轻型房屋；混凝土柱-钢结构屋架；坡屋面；混凝土屋面；

0 引言

在我国的单层工业厂房建设中，屋面板和墙面板通常采用轻型材料如压型钢板、夹心复合板，而轻型钢结构门式刚架由于其跨度大、外形简洁美观、自重轻抗震性能好、造价低、施工方便速度快等特征，在国内厂房建设中得到蓬广泛的应用。但在实际使用过程中发现墙面压型钢板封闭性能及耐久性较差，屋面压型钢板抗风性能及耐久性较差容易出现漏水的情况。为了解决这些问题，设计人员采用了钢筋混凝土柱、钢梁、混凝土屋面板、砖砌墙体的围护结构组成的钢筋混凝土柱与钢结构屋架的混合结构，这样既保留门式刚架的优点，又保证了屋面与墙面的适用性和耐久性。此类结构外形类似轻型钢结构门式刚架，但其受力不同于门式刚架，是一种新型结构。本文以一实际工程为背景，仔细讨论了此类结构屋架结构与柱顶的连接、屋面板的做法及屋架结构形式确定，其讨论及分析可为类似工程提供借鉴。

1 工程背景介绍

福建省泰宁县某育种研发仓库跨度19.8m，柱距6.2m，竖向构件采用混凝土柱，水平构件采用钢结构屋架，屋面板采用混凝土楼板。南方多雨屋面采用坡屋面，屋脊高度7.4m，檐口高度5m。

2 屋架结构与柱顶的连接

钢结构屋架与混凝土柱的连接大体可分为刚接、半刚接及铰接。在门式刚架结构中钢梁和钢柱的连接是采用刚接，然而钢梁与混凝土柱的连接不宜采用刚接，根据现有的研究资料和实际工程，这种连接会带来不安全的后果。有以下原因：1）混凝土柱和钢梁是两种不同的材料，混凝土的抗压性能很好，但抗拉、抗冲切性能很差，钢结构则是一种延性较强的材料，虽然节点可以通过配筋承受弯矩和剪力，但在外力作用下很容易出现松动和破坏；2）刚接节点的施工较复杂，很难实现梁柱完全刚接，如果现场施工工艺不行，导致刚接节点松动，钢梁的跨中弯矩就会比设计值大很多；3）钢梁与混凝土柱铰接连接时，柱不受梁端弯矩影响，导致钢筋混凝土框架柱的截面配筋就小很多。因此，本工程设计屋架结构与柱顶的采用铰接。

3 屋面板的做法

屋面板采用压型钢板混凝土板中的非组合楼板，其中压型钢板只起模板作用，相当于普通钢筋混凝土楼板模板的作用，只参与施工阶段受力，不参与使用阶段的受力。压型钢板在施工使用的过程中，省去混凝土模板的施工流程，而且压型钢板还可以为施工提供的工作面，使整个施工的过程更加便利，为企业节省了成本。与此同时，压型钢板混凝土板作为钢梁的侧向支撑的主要构件，大大的加强了钢梁的面外稳定性。因此压型钢板混凝土板工程费用要比混凝土结构的建筑节省得多，而且还增强了工程建设的安全性。

4 屋架结构形式确定

钢结构屋架的结构形式有三个方案，方案一采用实腹式钢梁，方案二采用三角桁架，方案三采用实腹式钢梁下翼缘部带拉杆。方案三在梁两端底加设拉杆以承受人字形钢梁端产生的水平推力，但拉杆的设置只能减少水平推力不能避免推力的产生，而要很好的避免水平推力的产生就要采用类似张弦梁的构造措施，这需要细致的施工放样和良好的施工工艺，显然大大的增加了施工的难度，故方案三在实际工程中不宜采用。对方案一和方案二进行比选，取中间区一榀钢架进行分析，用PKPM-STS软件分析计算，比较方案一、二的内力及经济指标。

方案一

方案二

方案三

4.1 荷载计算

1）屋面恒荷载标准值（对屋面水平投影面）

非组合楼板折算自重：2.2 kN/m2

屋面防水面层自重： 1.4 kN/m2

次梁自重：0.4 kN/m2

合计：4.0 kN/m2。

2）屋面活荷载标准值：按不上人屋面取0.5 kN/m2。

3）风荷载标准值：基本风压泰宁县按0.3 kN/m2考虑。

风荷载体型系数μs按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》表4.2.2-1取值。风压高度变化系数μz按《建筑结构荷载规范》表8.2.1取值，当高度小于10m时，按10m高度处的数值取用μz=1.0。

4）地震荷载：泰宁县基本地震加速度为0.05g，抗震设防烈度为6度，抗震等级为四级。

4.2 刚架内力计算及分析比较

用PKPM-STS软件计算两个方案在恒、活、风、地震荷载作用下，构件简图及配筋包络钢结构应力比图和最不利组合下支座反力见图1（方案一），图2（方案二），刚架经济指标及内力比较见表1。

表1 刚架经济指标及内力比较

由表1可以明显看出，在钢结构屋架用钢量差不多的情况下，方案一的柱子截面、柱配筋及柱底内力都比方案二大的多。这个因为：1）方案一相当于两端铰接折线拱，人字形钢梁在竖向载荷作用下在混凝土柱顶产生很大水平推力，导致柱子截面及配筋和基础面积都要增大很多；2）方案二为自平衡体系结构，支座处的水平力由下弦杆承担，不会对混凝土柱产生水平推力，所以柱子的弯矩、剪力、配筋均小很多。因此，本工程钢结构屋架采用三角桁架。

配筋包络钢结构应力比图

构件简图

图1 支座反力

构件简图

配筋包络钢结构应力比图

5 结语

混凝土柱-钢结构屋架结构兼具门式刚架跨越能力强及混凝土结构适用性和耐久性好的优点，适用于厂房结构。钢结构屋架与混凝土柱顶的采用铰接，减小施工难度，屋架和混凝土柱节点传力简单化；楼板采用压型钢板混凝土板，即提高施工效率，又降低施工成本；根据屋面的坡度及荷载情况确定屋架的结构形式，当屋面坡度小且屋面板采用轻型钢板时，应采用实腹式钢梁方便施工且降低成本；当屋面坡度大时，应采用三角桁架或者梯形桁架消除屋架结构对柱顶水平推力，减小混凝土柱截面及配筋和基础的大小。

[1]混凝土柱轻钢屋面厂房分析及设计[J].贾远林、朱萱.工业建筑.2012（10）

[2]GB51022-2015.门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S].2015

[3]GB50009-2012.建筑结构荷载规范[S].2012

[4]GB50017-2017.钢结构设计标准[S].2017

[5]多高层钢结构中组合结构设计[J].曲萍.居业. 2020.（03）

TU7

A

1007-6344（2021）01-0289-02