工业厂房下部挡墙上部钢结构设计方法分析

刘心洁 赵伟哲 陈博 曾江

（秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001）

0 引言

在工业生产中，很多工业建筑因工艺而生，具有特殊的结构细部，在进行这样的结构设计时，有时无法完全遵循常规的规范与标准进行设计。此时，应该更加注重概念设计的应用，即在把握好结构受力的真实情况和规律的前提下，充分考虑地震作用和风荷载作用等的传递途径及内力重分布状态，准确预测结构的破坏趋向，加强结构的关键节点及薄弱环节的设计，做到结构设计从大处着眼小处着手，以便在设计规范中无章可循时，能做到既满足功能需求又满足结构安全。

1 下部混凝土挡墙上部钢结构体系存在问题

在玻璃工厂厂区，有一部分大跨度的厂房，是用来储存砂石等原料的仓库，其特殊的功能需求决定，下部要设计成能堆砌一定高度的散粒状原材料，如：砂子、白云石、芒硝等，通常会采用悬臂式混凝土挡墙结构；上部屋盖有时需要架设吊车，以及满足铲运机等大型机械进出，所以通常上部都会采用门式刚架结构，如图1所示。

图1 下部混凝土挡墙上部钢结构形式厂房

如果将钢结构柱直接落于混凝土挡墙顶，此种结构因其上下阻尼比不同，无法整体建立模型来计算位移和连接处受力情况，通常的做法就是上下部结构分别计算，但是这种方式经常受到施工图审查单位的质疑：一方面这种混合结构形式在规范中无章可循，适用性和安全性无法考查；另一方面，上下结构质量、刚度分布不均，阻尼比不同，无法通过常规计算软件整体计算。

为了避免此种困扰，设计人员有时不得已会将钢结构柱与混凝土挡墙脱开，钢结构柱直接落于地面，设置独立基础，挡墙底板置于独立基础之下，如图2所示，这样就避免了混合结构在规范中无据可依，在计算中无软件可用的处境。但是，因为钢柱对于建筑场地的额外占用和耗材的增多，建设单位的投资成本提高。

综合考虑，工程设计中还是采用将上下结构直接做成一体，而在钢柱下端设置埋设于挡墙中的混凝土短柱的方式代替以往的结构形式，如图3所示。这种结构的设计关键在于上下结构的相互影响分析及连接节点的设置。本文以一个设计实例为例，用概念设计的思维分析总结这种结构的设计要点。

2 设计要点

某原矿仓库采用上部单层门式刚架、下部钢筋混凝土挡墙结构，无吊车，长72 m，宽24 m，钢梁底标高8.5 m，柱距为9 m，跨度为24 m，大跨度、大空间的功能需求决定了适宜采用上部钢结构来实现，而下部要求能堆4 m高原矿材料而采用了悬臂式混凝土挡墙。上部门式刚架在风荷载等作用下将力通过钢柱传至柱底，作用于混凝土挡墙。首先，单独验算上部门式刚架结构，满足设计要求后，将柱底作用力反作用于下部挡墙结构，而挡墙结构在堆砌物的作用下，挡墙顶将会发生侧移，从而作用给上部结构。

（1）钢结构对钢筋混凝土挡墙的作用力

在下部挡墙设计时，首先取一跨为计算单元，把下部堆料对挡墙产生的水平推力取单位长度计算，在此基础上，将上部钢结构计算的反作用力（图4）均分后计入此计算单元。

图4 钢柱对挡墙作用力示意

在以上合力的作用下计算挡墙尺寸和配筋。需要特别说明的是：①对于钢柱下的混凝土短柱，因其两侧混凝土挡墙的共同作用，实际受力减少，可以比无混凝土挡墙情况下适当减少配筋量。但是，对于短柱下基础设计，因为大水平推力、单边超载情况的存在，偏心倾斜荷载使得地基承载力降低，应该在设计短柱下基础时，计算地基承载力过程中，谨慎修正，保守取值［1］；②混凝土短柱所受荷载很大而柱距又过大时，短柱附近的受力要大于平均值，按照此种简化计算方法，会使混凝土柱附近的挡土墙配筋偏小，而两短柱中间的挡土墙区域配筋偏大。

（2）位移作用对钢结构的影响

GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》3.3.1中规定：在风荷载或多遇地震标准值作用下的单层门式刚架的柱顶位移值不应大于表1中规定的限值［2］。

表1 刚架柱顶位移限值

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）5.5.1规定：钢筋混凝土框架结构应进行多遇地震作用下的抗震变形验算，其楼层内最大的弹性层间位移应符合式（1）要求［3］：

式中：Due——多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移；计算时，除以弯曲变形为主的高层建筑外，可不扣除结构整体弯曲变形；应计入扭转变形，各作用分项系数均应采用1.0；钢筋混凝土结构构件的截面刚度可采用弹性刚度；

［qe］——弹性层间位移角限值，宜按表2采用。

表2 弹性层间位移角限值

相比框架与钢结构的位移比限值可知，门式刚架对于位移限值的要求远远低于框架，对于变形的适应性非常强。而下部悬臂式混凝土挡墙结构，埋置于土中，已通过抗滑移及抗倾覆验算，在柱顶作用以及堆料侧压力的作用下，位移是非常小的，完全可以将挡墙视为上部门式刚架的不动支座。

（3）连接节点设计

在考虑上下部相互作用的前提下，将上部钢结构与下部混凝土结构的计算思路分别分析清晰之后，最关键的问题便是连接节点的设计。

门式刚架与下部混凝土结构的连接主要有两种形式：刚接与铰接，区分的主要依据在于下部混凝土结构是否承担柱底弯矩。为更接近于实际受力情况，GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》5.1.4条规定，门式刚架的柱脚宜按铰接支承设计。当用于工业厂房且有5 t以上桥式吊车时，可将柱脚设计成刚接。

本案例设计成铰接，铰接节点设置时，要注意抗剪键的留置，即柱底水平反力不宜用柱脚锚栓来承担，而应该依靠结构间摩擦力或者抗剪键承担，抗剪键一般由十字板或H型钢组成，在基础顶预留孔槽或埋件，不可用角钢或扁钢支边抗剪［4］。

3 结语

下部混凝土上部钢结构的混合结构，近年来的应用越来越多，悬臂式挡土墙作为钢结构柱底锚固端要比混凝土框架结构受力简单清晰，较易满足结构安全，在实际应用方面也更普遍，这种结构形式也经受住了实践验证。只要保证结构①上部钢结构自身满足规范要求，②下部混凝土挡墙满足强度、抗滑移、抗倾覆要求，③连接节点安全可靠，便可以实现该结构体系的整体安全可靠，满足使用功能要求。