门式刚架轻型房屋结构用于大跨度的单层工业厂房, 其优越性越来越被业主接受, 跨度也越做越大。然而由于钢材市场的价格波动, 钢柱的用钢量大于钢梁的用钢梁, 加上防火涂料价格的昂贵, 建筑功能的需要, 不少业主提出采用传统的钢筋混凝土柱焊接工字钢梁的结构形式, 这就出现了一种新的结构体系———混凝土柱钢梁。
由于目前现有的国家规范、规程没有针对这种结构受力分析、变形限值等等进行专门的规定, 一些设计人员将其与门式刚架结构混淆, 参照门式刚架设计, 从而使设计导入误区, 留下安全隐患。只有从这种结构体系的假定出发, 根据它的受力特点分析研究, 分析明确它的使用范围和条件, 只有这样才能使设计合理, 防患于未然。
结构计算设计假定混凝土柱与钢梁有两种连接形式, 刚接和铰接, 如果混凝土柱顶与钢梁刚接, 仍可定性为门式刚架体系, 参照门式刚架的受力特点进行计算和设计。如果混凝土柱顶与型刚梁铰接, 则不能定性为门式刚架体系, 从其受力特点来分析, 应定性为两铰折线拱, 应按照拱的受力特点进行计算和设计。
由于其柱顶与钢梁的结合上由两种完全不同的材料组成, 钢梁为弹性材料, 混凝土柱为弹塑性材料, 如果混凝土柱顶混凝土节点区作为刚性节点, 受力十分复杂, 但是一般的混凝土柱和钢梁的螺栓连接只能认为是铰接, 因此柱顶节点的构造也较为复杂, 这就给设计和施工造成了一定的难度, 也增加了造价。实际上该类节点要做到完全刚性节点也难以做到,只能通过构造措施加强。设计时仍应适当提高钢梁跨中的弯矩系数。
如果混凝土柱和钢梁采用一般的预埋螺栓连接, 则混凝土柱顶与型钢梁铰接, 则不能定性为门式刚架体系, 应为两铰折线拱, 应按照拱的受力特点进行计算和设计。拱脚反力对混凝土柱有一水平推力, 跨度越大, 推力就越大。为了减少水平推力, 应在钢梁下设置拉杆或在梁、柱间采用刚接节点。如果钢梁接近于平拱或做成平拱, 混凝土柱顶仍与钢梁铰接,则结构体系演变为排架结构体系, 可按排架进行受力分析和设计。
对于上述的双铰折线拱混凝土排架柱的结构体系, 若未设置拉杆, 其计算较为繁琐,如果未予以认真对待或认识不清, 仅采用通常平面杆系计算软件电算了事, 不管其跨度多大都一样, 则是一种不负责任的做法, 也给结构留下安全隐患。实际上, 目前通用的平面杆系计算软件是基于两个基本假设的基础上进行受力分析的, 其一是平截面假设, 即结构受力后杆件的截面保持不变, 其二是杆件与杆件之间的夹角不变, 即结构受力后梁, 柱之间或折梁之间的夹角不变。这种假设对门式刚架而言,是符合其计算简图的, 但这种假设对本文所针对的结构则不适用, 也不符合实际受力的计算简图, 首先人字型钢梁由于拱脚推力较大(跨度越大, 推力就越大), 如果拱脚不设置拉杆或柱的抗推力(侧向刚度) 不足, 将产生较大水平位移, 势必造成钢梁屋脊处夹角的改变,即杆件与杆件之间夹角的改变, 不符合计算软件的基本假设, 其次由于拱脚水平位移的加大, 给混凝土柱增加了附加弯矩, 即存在二阶效应问题, 而软件计算又未考虑二阶效应, 再者由于悬索效应, 屋面钢梁内力将急剧增加,柱顶的剪力也急剧增加, 反过来又造成更不利的情况, 这些都是目前计算软件没有考虑和解决的问题, 因此电算的结果将产生较大的误差, 直接用电算结果进行设计显然是不合理和错误的, 势必留下安全隐患。
根据上述分析, 可得如下结论:
如果将混凝土柱顶与钢梁设计成刚接结构体系, 一般有两种做法, 一是参照钢柱外包式柱脚的做法, 在混凝土柱顶增加短钢柱并埋入混凝土柱顶, 短钢柱与钢梁刚接, 节点构造和计算按外包式柱脚的有关规定。混凝土柱顶采用至少φ12@100 的箍筋加强, 体积配箍率也要增大。二是参照网架支座预埋件的做法,但加以改进做成刚接节点, 即将钢梁支座底板与支座预埋件钢板周边电焊, 并在支座底上开几个圆孔塞焊, 使支座底板与预埋件钢板融成一体, 预埋件按弯、拉、剪受力的有关规定计算, 并满足构造要求, 混凝土柱顶箍筋加强做法同上。这种结构的钢梁用钢量相对较小, 但是节点构造麻烦, 不易保证, 对施工要求高。
如果混凝土柱顶与钢梁采用铰接结构体系, 一是: 可在钢梁下设置拉杆, 拉杆可采用角钢或φ25 以上的钢筋, 使钢梁简化为钢屋架; 二是: 将屋梁坡度减小, 形成平拱或接近平拱, 屋面坡度可采用1 /20～1 /25, 受力分析可按排架进行, 钢梁采用门式刚架柱顶铰接设计, 柱按照排架柱设计。柱顶锚筋跨度小于27 米时, 至少采用2 个M30, 跨度大等于27米时, 至少采用4 个M30, 并在钢梁支座底板下设置抗剪键, 必须指出的是普通的排架主要承受水平力, 而这种结构主要承受的垂直力,包括风吸力, 挠度应控制在l /400, 因此这种结构的钢梁用钢量是较大的, 但是施工相对简单。
综上所述, 由于对上述结构体系的受力分析和计算, 目前研究的还不够, 对较大跨度的应谨慎采用, 采用时应注意使用条件和构造加强措施。
