混凝土柱钢梁结构仓库设计心得

发布时间：2022-10-05 10:06 热度：

　　摘 要：本文结合设计工作中的工程项目，从结构布置、屋面梁选形、梁柱节点设计、建模计算、规范选择、支撑设置、围护墙、隔墙设计等几个主要方面，介绍方案设计过程中涉及的一些技术问题和经讨论确定的方案结果。

　　关键词：混凝土柱;钢梁;结构设计;心得体会

　　门式刚架结构以其自重轻、跨度大、施工周期短等优点，早已成为建筑结构中应用最广泛的类型之一。近年来，由于防腐防火处理、后期维护等多方面的原因，一些业主提出采用混凝土柱代替门式刚架中的钢柱。于是，这种混凝土柱钢梁新型结构形式也得到越来越多的应用。

　　但是，对于设计人员而言，这种结构类型目前还没有相应的规范、标准可以参照，这给设计工作带来了很多麻烦，特别是对设计经验不丰富的新手，如果对这种结构体系认识不清楚，盲目着手设计，可能会使结构存在很多安全隐患，甚至造成结构倾覆、垮塌等工程事故。

　　1、工程概况

　　本工程为一个成品存储仓库，长90m，宽30m，位于8度地震区，业主希望采用混凝土柱---轻钢屋盖结构，檐口高5m，围护墙为砖墙。

　　建筑方案初步定为：现浇混凝土柱，纵向柱距7.5m，柱外侧贴砌240mm砖墙，钢梁屋架，彩钢板夹聚苯乙烯保温板屋面，坡度1:10。

　　2、结构平面布置

　　因仓库长度为90m，依据《混凝土结构设计规范》大于55m需设置伸缩缝，而依据《钢结构设计规范》，屋盖伸缩缝的最小间距也可达120m，不需要设置。针对这一矛盾，有两种方法解决：一是在纵向柱间设型钢支撑，杆件连接的螺栓孔处理成长圆孔来消化温度变形;二是设置双柱，并在双柱两侧屋盖设置横向水平支撑。

　　从保证仓库整体性和施工方便性角度考虑，确定选用方案一。

　　3、屋面梁选形

　　这类混合结构屋面梁的常见形式有两种：梁底面接近水平的变截面实腹钢梁和等截面人字形实腹钢梁。

　　底平变截面实腹钢梁结构在竖向荷载作用下，柱顶不产生水平推力及由水平推力产生的柱顶水平位移，柱底也无弯矩，柱子受力简单，内力较小，基础面积也较小，但钢梁在跨中屋脊处挠度较大，需增大梁截面，这给钢梁焊接和施工增加了难度，同时也提高了造价。

　　等截面人字形实腹钢梁结构在竖向荷载作用下，柱顶会产生一定的推力和水平位移，在计算和分析时比较复杂，但结构形式比较简单，制作和施工难度小，工程造价也相对较低。

　　结合本工程的特点及业主的要求，确定采用等截面人字形实腹钢梁。

　　4、梁柱节点设计

　　排架柱采用现浇混凝土柱，柱底刚接。

　　柱顶与钢梁的节点连接形式主要有刚接和铰接两种形式。

　　由于混凝土柱属于脆性材料，钢梁属于弹性材料，即使通过加强配筋来提高柱顶的抗弯剪能力，两者的连接也很难达到刚接要求，且节点设计和施工都比较复杂，故一般不采用刚接，而使用铰接形式。

　　按铰接形式设计时，人字形钢梁相当于两端铰接的折线拱，应按拱的受力特点进行计算。钢梁与柱顶一般采用锚栓连接，螺栓不传递剪力，剪力由焊接于节点板底的抗剪键承担，也有采用柱顶埋设预埋钢板的方法与钢梁拱脚连接。

　　对于较大跨度结构，柱顶水平推力较大，会导致柱底弯矩和柱配筋很大，基础面积也会偏大，提高了工程造价。本工程中仓库的跨度为30m，属于较大跨度结构，按1:10的坡度计算，屋脊处的矢高达1.5m，跨中弯矩和挠度都会很大，由水平推力产生的柱底弯矩也非常大。

　　为解决这一问题，考虑在钢梁底部增设拉杆来承受其产生的水平推力。梁柱节点采用4M30锚栓铰接，拉杆可采用圆钢或油浸钢绞线。

　　5、建模计算和规范选择

　　这类结构的设计仍可采用PKPM软件进行。用STS门式刚架的程序建模，顺序跟设计门式刚架一样，钢梁与混凝土柱的连接连接形式改为铰接，由于连接形式的不同，致使这种体系单榀刚架的受力与一般的门式刚架不同，设计时不能简单的把门式刚架的钢柱替换为混凝土柱，应采用混凝土柱与钢梁整体建模分析，并以整体分析的结果来设计基础、混凝土柱的配筋与钢梁。若把混凝土柱和钢梁分开进行设计时，往往给设计结果带来安全隐患。

　　在目前版本的STS中，可以考虑混凝土柱与钢梁的整体建模，整体分析，程序会自动根据整体分析的结果，按照《混凝土结构设计规范》进行混凝土柱配筋、验算，按照选定的钢梁构件验算规范进行钢梁的验算，在布置基础的情况下，也能同时根据整体分析柱底力完成基础的计算。

　　这类结构已经超出门规的使用范围，参数设置时，应将结构类型选择为“单层钢结构厂房”，本工程位于8度地震区，选择“考虑地震作用计算”，程序会自动按照抗震规范的规定进行控制。混凝土柱应按《混凝土结构设计规范》进行设计，满足其相应要求，钢梁应满足《钢结构设计规范》相关要求。

　　在挠度控制方面，考虑到所采用的轻型屋面体系对钢梁挠度不敏感，所以此处可较钢结构设计规范的挠度控制指标(L/400)适当放宽到L/250。

　　6、支撑布置

　　为保证纵向的结构整体刚度，并考虑到仓库长90m，抗震设防烈度为8度，在仓库纵向两端第二开间和中部1/3区段设置两道柱间支撑，支撑杆件连接的螺栓孔处理成长圆孔。柱间支撑设置开间同时设置屋盖横向水平支撑，在两端第一开间设置刚性系杆。两端山墙处也要设置钢梁，不能将屋面直接采用山墙承重。

　　7、围护墙、隔墙设计

　　本工程位于8度区，有抗震设防要求，围护墙和隔墙应符合下列要求：

　　⑴砌体隔墙与柱宜脱开或柔性连接，并采取措施使墙体稳定，隔墙顶部设现浇钢筋混凝土压顶梁。

　　⑵砌体围护墙采用外贴式并与柱可靠拉结。

　　⑶砌体围护墙在门洞口上设一道圈梁，当圈梁被门窗洞口截断时，在洞口上部增设相同截面的附加圈梁。附加圈梁与圈梁的搭接长度不应小于其中到中垂直间距的二倍，且不得小于1m;圈梁兼作过梁时按相关构造要求在梁底加筋。

　　⑷山墙沿屋面应设钢筋混凝土卧梁，并与屋架端部上弦标高处的圈梁连接。

　　⑸圈梁的构造应符合下列规定：

　　①采用闭合式圈梁，圈梁截面宽度与墙厚相同，截面高度不小于180mm;圈梁的纵筋采用4φ12。

　　②转角处柱顶圈梁在端开间范围内的纵筋采用4φ14，转角两侧各lm范围内的箍筋采用φ8@ l00;圈梁转角处增设3根直径与纵筋相同的水平斜筋。

　　③圈梁与柱或屋架牢固连接，山墙卧梁应与屋面板拉结;顶部圈梁与柱或屋架连接的锚拉钢筋采用4φ12，且锚固长度不宜少于35倍钢筋直径。

　　8、结语

　　虽然这类混凝土柱钢梁的结构形式越来越多见，但所有规范均未明确规定其设计方法和构造要求，设计中也一直存在很多有争议的问题，本文中的一些处理方法，也只针对该工程中涉及的问题，供同行参考。

　　参考文献：

　　[1] GB50017-2003，钢结构设计规范，中国建筑工业出版社，2003

　　[2] GB50010-2010，混凝土结构设计规范，中国建筑工业出版社，2010

　　[3] GB50011-2010，建筑抗震设计规范，中国建筑工业出版社，2010

　　[4] CECS102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程，中国计划出版社，2003

　　[5] 中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部， STS技术条件，2005

　　[6] 中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部， STS用户手册，2005

　　[7] 李文英，对混凝土柱加人字钢梁结构设计常见争议的见解与处理[J]，广东土木与建筑，2007