石油化工混凝土柱实腹钢梁单层厂房设计分析

龚 捷

(云南化工设计院有限公司，云南 昆明 650041)

钢结构在我国发展比较迅速。钢结构的特性是强度高、自重轻、安装施工周期短等。合理高效的利用此类结构，对工程造价的控制非常重要。工业结构设计中，建构筑物一般需要较大柱网及空间。因此，门式刚架结构在我国得到广泛的应用，已成为建筑结构发展最快的结构类型之一。但有业主希望采用混凝土柱代替钢柱，而屋面仍采用原门式刚架体系。这是出于减小用钢量，省去防腐及防火涂料费用，或满足建筑功能方面的考虑。在石油化工领域，这类结构形式既充分发挥混凝土柱侧向刚度好、抗压强度高、防腐防火性能好的优势，也发挥了钢梁抗弯性能好、自重轻、跨度大的特点。

1 实例介绍

我公司2018年承接了临沧亿金再生能源科技有限公司临翔区生活垃圾资源化处理的工程项目。此项目建设地位于云南省临沧市，子项设计内容有：有机肥装置厂房、垃圾分类装置厂房、沼液处理厂房、综合处理间、成品库、变电所、沼气储罐区、消防水站、污水处理站、综合办公楼、倒班宿舍等多项建构筑物。厂房结构形式均采用了混凝土框排架结构，实腹钢梁轻型屋盖。

1.1 混凝土柱实腹钢梁结构的设计

根据工业建构筑物的特点，这类结构应考虑设备布置、工艺配管的需求及范围。设备布置有多种放置形态，应结合造价因素，卧式及立式放置对建构筑物的高度、坡向等局限性要求，在满足适用、生产、使用、检修条件下合理采用建构筑物高度及跨度。按照以上条件，混凝土柱钢梁结构屋面常采用单跨单坡、单跨双坡、多跨双坡、侧向高跨双坡低跨单坡的形式，如图1所示。本工程采用(B)形式。

(A) (B)

对于混凝土柱实腹钢梁结构，从材料性质来看，提高混凝土抗拉、抗压强度的比值是混凝土改性的重要方面，而钢梁为弹性材料，抗弯承载力较高。两种完全不同性质的材料，如何采用可靠的连接方法，才能让不同的材料发挥本身的优势。若考虑体系的材料节约及节点的处弯矩分配，两者材料的连接节点需采用刚性连接，可两者较难达到刚性连接。理论上的混凝土柱与钢梁连接可作为刚性节点，参照钢柱外包式刚接柱脚做法。但在实际制作、吊装安装时难以达到理论上的刚性连接，与实际计算简图有出入，且施工程序较多、较复杂，还要考虑设备进场吊装时间、各节点的施工，吊装时间难以控制。因此设计时，钢梁与混凝土柱顶的连接一般采用铰接连接形式，即横向类似排架结构，纵向混凝土框架结构，混凝土柱底采用刚性连接，如图1(A)所示。

横梁为实腹式热轧或焊接工字型钢，一般采用变截面。在单层工业厂房设计中，横向纯排架结构的做法，如混凝土柱加梯形钢屋架，屋架可视为一个空间不变桁架体系。横梁的轴向位移很小，屋架体系可形成较大的刚体，屋面假定为刚性的，即横梁的轴向变形可忽略不计。整体模型计算时，屋架可模拟为刚性无限大的刚性杆，但在混凝土柱钢梁结构体系中，此体系不完全和纯排架结构体系相同。此体系中，混凝土柱顶与钢梁铰接不产生弯矩，但钢梁屋盖体系中，钢梁自身不形成刚体，始终会对柱顶产生一个水平作用力。在模拟计算时需考虑此水平力产生的不利影响，特别对于有设桥式吊车时，对轨顶位移的控制需更加留意。

1.2 设计时规范的选用

如1.1所述，不同材料的连接有着多种多样形式。按照理论的计算假定，节点设计有刚性连接及铰接连接做法，此计算假定需与计算简图一一对应。不同连接节点的设计方式，对整体分析及构件内力情况有较大的区别。由于节点连接形式的不同，致使此类结构形式与单榀门式刚架的计算简图、计算内力截然不同，这类结构已经超出了门刚规范的适用范围。故不能直接采用《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》进行设计。在进行此类结构工程设计时，应采用整体模型分析、单榀复核的方式进行设计。对于混凝土柱，应根据整体分析得到的结果，按照《混凝土结构设计规范》及《建筑抗震设计规范》进行混凝土柱的计算及构造；至于钢梁，对具有轻型屋盖系统或吊重较小的电动单梁起重机，此类型的结构设计，结合抗震区域的地震作用计算，同需满足《建筑抗震设计规范》中单层工业厂房的相关规定，钢结构部分在制作和安装时可参考《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》进行，但也应进行整体模型分析。特别是两种不同材料之间内力分布，刚度位移的影响。对于厂房跨度较大、屋盖荷载较重及对水平位移比较敏感(如吊重大于 5 t，工作级别高于A5的桥式吊车)的情况，钢梁的设计应整体模型分析，在满足《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)要求前提下，结合门刚规范进行校核。其中，钢梁应按压弯构件验算平面内稳定性，考虑轴力对钢梁的影响。对于钢梁挠度的控制，可以综合考虑钢结构标准以及轻钢规范的规定进行控制。综合考虑安全性、经济性的因素，大跨度钢梁挠度指标可按L/240进行控制。

1.3 结构构件设计

在假定条件满足的前提下，结构应采用整体模型分析。若屋盖系统(钢梁部分)与下部混凝土柱分开计算，因为节点连接处为铰接连接模拟，不能真实反映混凝土柱的自身刚度。不考虑钢梁对混凝土柱的水平力，会对混凝土的内力产生偏差，导致混凝土柱的配筋偏小，对柱产生不利的配筋和位移影响。对于带吊车的浅基础情况，基础的零应力区控制将不满足规范；对不带吊车的浅基础情况，基础的零应力区比例将增大；对于带吊车且采用单柱单桩的情况，桩基将产生压弯、剪压应力。一般来说，工业厂房类跨度均较大，但上部荷载不大，在无吊车布置时，通常情况下基础为单柱单桩布置，且只能在厂房纵向布置拉梁。另一个方向是没有条件布置拉梁的，即柱底弯矩无法完全靠拉梁承担，若计算简图不真实，对结构是不利的，则上述的计算分析都将成为不安全隐患。

1.3.1 钢梁的分析

在混凝土柱实腹钢梁结构设计时，结合连接节点的假定，工字形截面钢梁计算简图为两端简支支座的钢梁。构件钢梁通常情况下为抗弯强度控制，对于钢梁面外的稳定计算，与屋盖的水平支撑系统布置有很大关系。钢梁翼缘主要以抗弯为主，腹板主要以受剪为主。加大钢梁的截面高度，随即增大腹板的高度，在满足抗剪、抗弯承载力、稳定性计算及构造要求的前提下，使之抗弯强度、抗剪强度、稳定性应力值大致平均，可有效调节各应力的平衡。因此从构件截面和内力分布的来看，按有效截面概念设计，满足构件高厚比、宽厚比等构造，采用的钢梁截面，高而薄的腹板。当腹板的宽厚比不满足，差很少的情况，可通过设置纵向加劲肋的方法来减小，不宜采用较大的截面(造成材料的浪费)。对于单构件，在满足强度、稳定情况下，应当采用高截面、薄腹板的钢梁设计，因为腹板的高度较大，可能会引发腹板屈曲。板件屈曲仍具有一定的承载能力，但承载力并不会立刻丧失，此过程的承载力并不是成比例的直线性变化，并且在此过程中，利用钢材的屈服强度相对来说也是较为可观的。另外，钢梁主要是抗弯为主，通常钢梁轴力较小，控制截面为跨中的正弯矩点，这也只简支钢梁控制截面的主要因素。因此，此类结构形式的钢梁可将截面高的位置与弯矩图正向弯矩匹配，使之包络图与截面高做线性变化，进而钢梁的任意截面处同时达到或接近承载力，更有效的利用钢梁截面。

1.3.2 屋盖水平支撑系统的分析

屋盖钢梁不仅要满足抗弯、抗剪承载力，同时钢梁的稳定性也是重要的计算要点，这也和屋面的水平支撑系统有很大关系。水平支撑的合理布置不仅能有效传递水平力，还能有效的节约钢材，这也就意味着水平支撑系统并不是可有可无的，而是与屋盖结构紧紧相关的，是不可忽略的重要组成部分，与房屋是一个整体，是山墙风荷载、水平地震力、吊车水平刹车力的重要的传力途径。屋盖水平支撑构件宜设于边跨山墙侧。在工艺、设备，建筑布置不满足时，可设于纵向柱间距第二跨。当厂房纵向长度太长，需在合理间距范围再设一道水平支撑，形成屋盖系统的平面桁架，以提高屋盖的整体性。水平承载力和空间刚度，使之更有效传递水平力。结合结构布置，此结构支撑系统的布置与门式刚架结构屋面支撑系统有很多类似之处，但也有其自身特点，如图2。

图2 屋面钢梁及水平支撑平面布置图

屋面板采用钢筋混凝土时，混凝土板设于钢梁上翼缘，即可在钢梁上翼缘设置剪力钉；屋面板下设压型钢板，形成组合屋面板。亦可采用压型钢板作为屋面底模形成屋面板，屋面板宜按单向板布置。此板在面外具有很大刚度，保证了钢梁的上翼缘的稳定，至此可以不设置上翼缘的水平支撑。但从施工角度上看，在浇筑混凝土屋面板前，为保证施工时的稳定性，可按照构造临时加设水平支撑，但可不作为整体计算的控制点。混凝土达到强度后可进行拆除，亦可保留。

采用复合压型钢板的柔性屋面，H型钢次梁兼做檩条。在单独设屋面檩条时，当檩条满焊于檩条，复合压型钢板有较长搭接长度，且有可靠的自攻钉连接。理论上压型钢板可保证上翼缘的稳定性，但应考虑施工实施的完整性。特别对于单层压型钢板，没有足够的刚度往往不能完全保证稳定性，则需设置上弦横向水平支撑。支撑可十字交叉布置，按受拉构件设计。在纵向水平传力途径中，钢梁的下弦横向水平支撑通常理解为能作为山墙抗风柱的支点，是保证钢梁稳定的重要措施，必须严抗风柱间距合理布置。当钢梁跨度较大时，钢梁一般采用高强螺栓拼装节点。考虑材料的运输、吊装的可行性，钢梁的拼接位置也有讲究。拼装节点通常设于弯矩较小处，不建议设于弯矩较大处。避开弯矩较大处可有效减少拼接节点处的螺栓数量，其热轧或工厂焊接的工字型截面钢梁有较好的连续性。此外，拼接节点也宜避开抗风柱位置处，间距错开 1 m 为宜。节点过于集中，对节点受力和施工不利，纵向、横向，上翼缘、下翼缘支撑系统的合理布置，在整个体系中即可形成封闭完整的空间几何不变体系。

系杆同属于屋盖水平支撑系统的重要组成部分，作用与水平支撑相辅相成，达到共同抵抗水平力的作用。一方面保证无支撑开间处屋盖梁的侧向稳定，因为屋盖在纵向及横向形成的水平桁架体系；另一方面可以减少屋盖钢梁的平面外计算长度。在沿抗风柱水平支撑位置处，沿纵向的系杆应按通长受压刚性系杆布置，刚性系杆在钢梁的布置位置应根据构件的大小，宜设于钢梁上翼缘下侧 150 mm 处。对于水平力不大的情况，在无支撑开间处可按柔性系杆布置，但不可完全按照受拉构件控制。此做法的适用与钢梁的平面计算长度相互对应，不可盲目减小计算长度，以免造成不安全的隐患。

1.3.3 混凝土柱的分析

在此类结构中，对于横向，因跨度较大，混凝土柱有较大的抗侧力刚度，为主要的抗侧力构件。混凝土柱截面不应设为正方形截面柱。根据受力特点及吊车水平刹车力的组合，横向的柱截面应大于纵向的柱截面，以提供足够大的侧向刚度；纵向应形成可靠的水平传力结构体系，可形成混凝土框架，或加设柱间支撑。但需留意的是，通过验算，在高烈度和风荷载较大的地区，在只能设柱间支撑的情况时，柱间支撑并不是构件强度或构造控制，往往是节点的承载力控制。此类结构结合屋盖的钢梁的不利影响，适宜采用整体分析。当有桥式吊车时，应考虑吊车水平刹车力，即轨顶的位移值，柱配筋要适当加强以考虑不利影响。

1.4 节点设计

1.4.1 混凝土柱与钢梁铰接的连接

混凝土柱与钢梁的连接有多种连接方式，较为常用为：

1)混凝土柱侧预埋钢板，钢梁通过节点板与埋件焊接或螺栓连接；

2)钢梁端侧设置端板，钢梁端板与柱侧或者柱顶化学锚栓进行固定，端板上的连接板与钢梁腹板螺栓连接；

3)对于需释放柱顶水平力的情况，柱顶可预埋钢板及螺栓，钢梁置于混凝土柱顶，钢梁下翼缘设长圆孔，下翼缘板不与预埋钢板焊接，垫板不与下翼缘焊接，形成滑动铰支座。

结合实际工程实例分析及以上连接方式，现对不同受力的连接构造细分为三种形式：完全抗剪连接构造，完全滑移连接构造，部分滑移连接构造。

完全抗剪连接构：此连接构造即为典型的铰接连接节点，混凝土接受钢梁传递过来的剪力(即水平推力)；完全滑移连接构造：释放钢梁传递过来的水平推力，形成相对的自由滑动；部分滑移连接构造：钢梁与柱顶连接处制定限位措施，即当滑动量达到一定程度后，限位后剩余水平力传递至混凝土柱。

1.4.2 3种计算模型的内力分析

从不同的连接方式分析(见表1)，约束的不同，结果相差很大。怎样合理采用不同的连接方式，不同的项目客观制约因素不同，需根据工程实际情况具体分析。

表1 砼柱钢梁连接计算模型不同的分析结果比较表

1.4.3 拉条布置及其它

合理的构造布置及处理是保证房屋安全的重要措施。通常情况下，简单的单层工业厂房结构均为风荷载作用控制，属风荷载敏感性结构。特别是对于基本风压较大的地区，屋面常形成向上的推力，为风吸力控制。在计算屋面檩条时，拉条的布置位置和道数及计算紧密联系；对于屋面板刚度较大，能保证上翼缘稳定，即不会产生上翼缘失稳定的情况，可将拉条布置于靠下翼缘侧；对于体型系数较大的房屋，屋面板刚度较小的单层压型钢板，同时在上、下翼缘失稳的情况，需设置双层拉条，位置可尽量靠翼缘的上下侧，满足施工的预留空间，一般情况下取三分之一位置处。

1.4.4 伸缩缝的设置

房屋纵向结构体系为钢筋混凝土框架，温度产生的应力不可不计，需按照混凝土框架体系考虑伸缩缝的设置，最大间距要求按《混凝土结构设计规范》构造规定采用。

2 结语

本文从结构布置体系、主要构件、节点分析等方面阐述了混凝土柱实腹钢梁结构设计中应注意的问题。通过实例，对不同的计算模型进行了对比，对模型的假定及实际设计中容易发生错误的地方进行了提示，是结构概念和工程经验的总结。