对混凝土柱加人字形钢梁结构设计常见争议的见解与处理.pdf

第4 期 2 0 0 7 年4 月 广 东土木 与建筑 GUANGDON G ARC HI T E C T URE C I VI L ENGI N EER I NG No ．4 A P R 2 O 0 7 对混凝土柱加人字形钢梁结构设计常见争议的见解与处理 李文英 ( 广 东省轻纺建筑设计院 广州 5 1 0 0 8 0 ) 摘 要 ： 混凝 土柱加人 字型钢粱是一种 新型的结构体 系． 因而现 有的所有规范 中均未 明确指 出其 设计方法和构 造要求 ， 导致设计 中出现 不少带有争论性的 问题 ， 文中提 出就这些问题 的见解和处理方法 ， 供 同行参考 。 关 键 词 ： 混 凝 土 柱 ；人 字 型钢 粱 ；结 构 设 计 1 问题的提 出 近年在珠江三角洲地 区涌现 出大量类似 门式 刚架的混凝土柱加钢梁的单层厂房 ． 门式刚架一般 用于大跨度单层厂房 。 平面布置灵活多变 ． 既可 为 单跨 、 双跨或多跨 ， 又可为高低跨 ， 或单坡 、 双坡等 ， 且施工方便 ， 安装简单可行 。 外形简洁优美 。 加上许 多钢结构专业公 司在宣传 中强调该结构形式的优 越性和适用性 ． 使很多厂房业主乐意接受采用这种 结构 但随着近两年钢材价格的猛涨 。 以及防火涂 料价格 的居高不下 。 导致不少业主要求将门式 刚架 中用量较多的钢柱改为混凝土柱 类似 门式刚架 的混凝土柱加钢梁是 一种新型 结构． 现行所有规范中均未明确指出其设计方法和 构造要求 ． 使得完成 的设计方案各异 ． 尤其 在市场 经济环境下工程承包价钱 的进一步降低 ． 使得类似 门式 刚架 的混凝土柱加钢梁的设计 中也出现了许 多问题 。 如钢梁挠度过大 、 柱头混凝土松动破坏等 。 甚至发生厂房倒塌事故 在相关结构论坛以及实际工程设计 中也 出现 了不少针对混凝土柱加人字型钢梁结 构设计 的争 议 ． 现笔者就部分有争议 的问题提 出个人见解和处 理意见． 供同行参考和交流 2常见 的争议性 问题 2 ． 1 模型的建立 目前对于混 凝土柱加钢梁结构模型 的建立有 以下几种观点： ①柱与梁可在连接处刚接， 按门式刚 架建模； ②柱与梁可在连接处铰接， 按门式刚架计算； ③柱与梁在连接处铰接， 跨度大时还需梁底设拉杆， 按类似混凝土柱加梯形或三角形屋架的排架体 系 建模。 笔者却认为混凝土柱顶最好与钢梁铰接 ． 当跨 度 和坡度较大时 ． 最好梁底设拉杆 ． 但不应按类似 混凝土柱加梯形或三角形屋架的排架体系建模 ． 而 应按实际建模 。 具体理 由如下 ： 当柱顶与钢梁刚接 时 ． 这种结构看似 门式刚架 ． 但混凝 土柱顶很难实 现与人字形钢梁真正刚接 ． 一般也只是钢梁通过梁 端竖放式端板或者加设 一小段竖放式钢柱与混凝 土柱中预埋的螺栓相连来形成刚接 ． 因此这不算是 真正 的刚接 。 其受力也不好。因钢梁属弹性材料 。 而 混凝土属弹塑性材料 ． 为脆性材料 ． 虽然混凝土构 件可通过配置钢筋来承受弯矩和剪力 ． 但在柱顶连 接部位 的抗拉抗冲切性能较差 ． 在外力作用下很易 松动 和破坏 连接点 的设计和施工都很复杂 。 且 由 于传力不可靠． 一旦连接松动． 钢梁将会受到比设计 内力大得多的弯矩 ． 很有可能引发安全事故 。 因此设 计时还必须适当提高钢梁 的跨中弯矩系数 ． 既不能 保证结构安全也不经济 当柱顶与钢梁铰接且坡度较大时 ． 这种结构中 的人字形钢梁只能相 当于两端铰接折线拱 ． 应按照 拱的受力特点进行计算 ． 这种结构坡度和跨度越大 ． 柱顶水平推力就明显越大 ． 会最终导致混凝土柱底 弯矩和配筋很大． 基础严重偏心 。此外 。 由于拱的位 移变形只能靠拱脚反力来阻止 ． 而拱脚反力大小取 决于混凝土柱提供的抗侧推力大小 ． 所以会导致柱 截 面越大 ． 也即柱抗侧 刚度越大 ． 其提供 的抗推力 会更大 ． 由此 引起其柱底弯矩会增大 ． 需配置更多 的钢筋 ． 最终导致 钢筋密度过大 ． 基础底 面大 幅增 加 。 势必很不经济 合理 因此 。 笔者认 为对于长度 1 8 m以上的钢梁 ． 最好在其底部增设拉杆 以承受折 线拱底 的水平推力 。这 已在 实际工程 中得到验证 9 维普资讯 2 0 0 7 年4 月 第4 期 李文 英： 对混 凝土 柱加人 字形 钢梁结 构设计常 见争 议的见 解与 处理 A P R 2 0 0 7 N o ． 4 现通常采用 2根圆钢作为拉杆 ． 增加拉杆后这种结 构看似排架 ． 但也不同于混凝土柱顶加梯形或三角 形屋架 的排架体 系． 因排架结构的基本假设是横梁 为不产生轴 向变形的刚性杆件 ．水平方 向无变形 ， 而混凝 土柱加人字形钢梁体 系中即使梁端底 部加 设拉杆 ， 也 由于钢梁刚度较小 ， 拉杆柔性大 ， 使得钢 梁和拉杆始终会产生一定 的变形 ． 由此对柱还是会 产生一定 的水平推力 ． 因此计算时不能简单地把钢 梁和拉杆简化为一根刚性杆 ， 而只能按实际模 型输 人进行整体分析 ， 才能保证结构安全。 2 ． 2 钢梁强度 、 稳定性及挠度计算的适用规范( 程) 为了保证屋面排水顺畅问题 ． 轻型屋面的坡度 往往较大． 一般取 1 ／ 1 0 ． 斜放的钢梁始终会受到轴 力的影 响． 故此时 的钢梁实际上是 压弯构件 ， 而不 是纯粹 的简支受弯构件 另外人字形钢梁一般采用 变截面的 H型钢 ． 构件腹板 高厚 比较大 ， 有局部失 稳 问题 ．因此最好按有效截面而非全截面进行计 算 而钢结构规范中验算钢梁强度和稳定时 ， 既未 考虑轴力项的影响．也未对变截面构件该如何考虑 作出规定， 只是考虑全截面而非变截面。另外 P K P M 系列中的 S T S软件用户手册 中提到 ， “ 对于变截面 梁柱构件 、 斜 梁等轴力影响较大的梁杆件 ， 可按门 式刚架规程规定 的方法进行强度稳定性计算” ． 因 该规程对此类变截面构件考虑了腹板屈 曲后强度 ． 且考虑 了轴力 、 弯矩 、 剪力共 同作用下的强度稳定 性计算 ． 所以笔者主张钢梁的强度和稳定计算应采 用 门式刚架规程 ， 而不是钢结构规范。 虽然人字形变截面钢梁的强度稳定性计算最 好参照门式刚架规程 ． 但混凝土柱加人字形钢梁体 系不是真正的门式刚架 ．若其挠度允许值采用门式 刚架的1 ／ 1 8 0 则显得有点牵强． 最终可能挠度过大． 导致排水不顺 畅． 还给人不安全 的感觉 。但如按钢 结构规范中主梁的1 ／ 4 0 0 ． 则又会明显增加造价． 所 以目前较易接受的挠度允许值一般为 1 ／ 2 5 0 ．即钢 结构规范上次梁或其它梁的挠度允许值 ， 该值 比门 式刚架的1 ／ 1 8 0更为严格． 且由于是轻型屋面． 受力 不大 ． 施工时还可起拱来 调节挠度 ． 另外很直接的 原因就是造价问题 ． 所 以目前混凝土加人字形变截 面钢梁的最大挠度允许值通常取较折衷的1 ／ 2 5 0 2 ． 3 荷 载问题 屋面恒载按实际取值 ． 通常单层彩色压型钢板加 保温棉取O ．1 5 -．-0 ．2 0 k N ／ m ． 双层彩色压型钢板加保温 棉取0 ．2 2 -．-0 ．2 5 k N ／ m 2 ． 檩条和支撑取0 ．0 8 -- 0 ．0 9 k N ／ m 2 ． 】 0 还有灯具等吊挂 电器设备 以及消防水喷洒管道荷 载等． 一般取0 ． 1 k N ／ m 2 ， 此部分荷载常被遗漏。 对于 屋面活载 ， G B 5 0 0 0 9 — 2 0 0 1《 建筑结构荷载规范》 第 4 ． 3 ． 1 节规定不上人屋面的屋面均布活荷载标准值 为0 ．5 k N ／ m 2 ． 且不应与雪荷载同时组合 G B 5 0 0 1 7 — 2 0 0 3 (( 钢结构设计规范》 第 3 ． 2 ． 1 节的注释提到 ： “ 对于 支承轻型屋面的构件或结构 ( 檩条 、 屋架 、 框架等 ) ， 当仅有 一个 可变荷 载且 受荷 水平 投影 面积 超过 6 0 m 2 时． 屋面均布活荷载标准值应为O ．3 k N ／ m 。 ” 由 于混凝土柱加人字型钢梁结构一般为轻型屋 面， 跨 度也较大 ． 受荷 面积往往超过 6 0 m 2 ， 所 以在不考虑 雪荷载时其屋面均布活荷载可取为O ． 3 k N ／ m 由于 恒活载取值都较小 ． 各杆件的截面往往也较小 ， 若灯 具等吊挂电器设备 以及消防水喷洒管道荷载等屋面 恒荷载被遗漏 ． 就很可能导致杆件承载力和稳定性 不足 ． 变形过大而引发安全事故 ， 所 以屋面恒荷载 一 定要考虑充分 ． 不得出现遗漏项。 2 ． 4山墙 处钢 梁 的增设 目前这类结构 的设计往往考虑节约而在 山墙 处不再设钢梁 ． 将屋面直接采用 山墙承重 ． 实 际上 这是不符合抗震要求 的 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 《 建筑抗震 设计规范》第 9 ． 1 ． 1 - 7条提到： “ 厂房的同一结构单 元内 ． 不应采用不 同的结构形式 ： 厂房端部应设屋 架 ， 不应采用 山墙承重 ： 厂房单 元内不应采用横墙 与排架混合承重” 规范条文说明中也提到“ 因为不 同的形式结构 ． 振动特性不同 ， 材料强度不 同， 侧移 刚度也不 同 在地震 的作用下 ，往往由于荷载 、 位 移 、 强度的不均衡 ， 而造成破坏” 。因此 ， 在抗震要求 下 ． 山墙处必须另设钢 梁 ． 而不应直接 由山墙来承 受屋面系统 2 ． 5 设 置伸 缩缝 的间距 对于设置伸缩缝 的间距 ， G B 5 0 0 1 0 — 2 0 0 2 《 钢结 构设计规范》 已有定论 ， 具体见规范第 8 ． 1 ． 5条的注 明： “ 厂房柱为其他材料时，伸缩缝间距按相应规范 规定” 。现柱改为混凝土柱 ， 故尽管屋面为轻钢屋面， 但伸缩缝的设置还是应按混凝土柱设置． 即采用 G B 5 0 0 1 0 — 2 0 0 2 《 混凝土结构设计规范》 上 的有关规定。 另由于 目前混凝土柱一般采用现浇柱 ．且为了增强 厂房的纵向刚度和承担围护墙 的重量 ． 在纵 向设有 现浇连系梁 ． 这样一来 纵向实际成 了框架 ． 所以伸 缩缝 的最大间距应为 5 5 m． 只有在有充分依据和可 靠措施时 ． 其伸缩缝的间距才可适 当增大 ， 如混凝土 浇筑采用后浇带施工 ， 或采用专 门的( 下转第 6页) 维普资讯 2 0 0 7 年4 月 第4 期 陈军等： 广东海 上丝绸 之路 博物馆 结构 选型及设 计实践 艘 2 0 0 7 N o ． 4 面尺寸为 1 3 6 m ~ 8 8 m， 总高度小于 2 5 m， 竖 向荷载起 主要控制作用 ． 且水平荷载主要 由设置在两侧楼梯 问的核心筒承受， 因此把在上 、 下楼盖间的圆弧拱简 化为斜柱输入 S a t w e的总体计算结果与 Mi d a s 相近 ． 在竖向荷 载作用下 ， 体型规则构件 的内力较合理和直观 ． 可用 来进行配筋设计 ． 特别是量大面广的水平楼盖构件 都利用 S a t w e的结果进行配筋设计 6小 结 6 ． 1 随着社会的进步． 建筑设计的功能及体型越趋 新颖和复杂 ． 已有的结构型式不一定能满足建筑设 计的要求 ． 结构工程师在深入理解建筑造型的基础 上． 利用掌握的力学原理． 可以设计出一些新型的结 构型式。本文采用的“ 连续组合拱” 既满足了建筑功 能的造型要求 ， 其受力又合理明确． 是新 型结构设计 的一次有益尝试． 并对以后类似工程有指导作用 6 ． 2新型的结构形式应采用多种计算方法对计算 结果进行比较分析 ． 如结构能近似简化为平面受力 结构， 采用古典的单榀杆系模型计算， 能快捷地获得 初步结果 ．帮助设计人员更好地了解掌握新型结构 的受力特点。 而采用计算能力强大的有限元程序 ， 能 有效和详细地分析节点应力．对新型结构的节点设 计有重要作用。 参考文献 [ 1 ]J C J 6 6 — 9 1 博 物馆建筑设计规范[ S ] [ 2 ]J T J 2 2 5 — 9 8 水运 工程抗震设计规范[ S ] 『 3 ]广东海 上丝绸之路博 物馆岩 土工程地质详 细勘察报告 [ R] ．广州地质勘察基础工程公司 ． 2 0 0 5 ． 8 『 4 ]广东 ( 阳江 ) 海上丝 绸之路博物馆 工程场地地震 安全性 评价报告『 R] ．广东省工程防震研究 院， 2 o 0 5 ． 7 [ 5 ]海上丝绸之路博物馆风洞测压试验数据 图表 [ R] ．广东 省建筑科 学研究 院． 2 0 0 5 ． 9 [ 6 ]广东海上丝绸之路博物馆初步设计 文件[ R] ．广州 瀚华 建筑设计有 限公司 ． 2 0 0 5 ． 8 r 7 ]姚永革．关于海上丝绸之路博物馆加强耐久 性措施以尽 可能达到 1 0 0年设 计使用年 限的建议 ． 2 0 0 5 ． 1 0 f 上接第 l 0页) 预加应力措施 ． 或采取减少温度变化和收缩措施如 添加混凝土添加剂等 2 ． 6 伸缩缝处除设双柱外 ． 还应设置各 自的钢梁和 各 自的支撑体系 某些设计在伸缩缝处虽然设 了双柱 ． 但屋面却 仅在其中一个柱上设 了一榀钢梁． 靠搭接檩条的螺 栓连接处采用长圆孔来允许屋面的温度变形 笔者 认为这一做法是欠妥的 ．因另一柱上未设钢梁 ． 那 柱顶就没了横 向支撑 ， 铰接 节点不再成立 ． 成为实 实在在的悬臂柱 ． 而不再是排架柱 ． 所 以不能再按 排架柱计算 ，且悬臂柱 比排架柱的柱底弯矩大得 多 ， 配筋也会大增 ， 柱顶侧移变形也相对增加不少 ． 导致与邻近 的排架柱位移变形不一致 ． 最后可能引 发安全事故。因此 ． 伸缩缝处最好既设双柱也设双 梁 ． 同时伸缩缝两侧都为独立整体 ． 故其 两侧 的支 撑体系也应各 自设置 3结语 混凝土柱加人字 型钢梁体系是一种新 型结构 6 体系 ．由于所有规范均未明确其具体构造和设计方 法 ． 因此 目前的设计均出现不少带有争议性 的问题 ． 如上文提及的模型的建立：计算钢梁强度和稳定 以 及挠度时应采用 的规范或规程 ： 荷载取值 ． 山墙处 是否需设钢梁 ． 设置伸缩缝的间距 以及伸缩缝处设 了双柱是否还需设双梁 ： 以及屋面支撑体系的设置 等 笔者通过本文对上述问题阐述 了自己的见解以 及处理方法 ． 供 同行参考和交流 参考文献 [ 1 ]G B 5 0 0 1 0 — 2 0 0 2 混凝土结构设计规范 [ S ] [ 2 ]G B 5 0 0 0 9 — 2 0 0 1 建筑结构荷载规范 [ S ] [ 3 ]G B 5 0 0 1 7 — 2 0 0 3 钢结构设计规范 [ S ] [ 4 ]C E C S 1 0 2 ： 2 o o 2 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 [ S ] [ 5 ]G B 5 0 0 1 1 - 2 O 0 l 建筑抗震设 计规范 [ S ] [ 6 ]本 书编委会．钢结构设 计手册 ( 第 3版 ) [ M] ．北京 ： 中 国建筑工业出版社 ． 2 0 0 4 维普资讯