钢构彩板：
混凝土柱实腹钢梁的轻钢屋面设计
更新时间：2014-03-20 10:47:33点击次数：1427次
【摘要】我们这里讲的轻钢屋面不同于全钢结构，设计时不能简单的把门式刚架的钢柱替换为混凝土柱。当然更不能按钢筋混凝土来设计。
【关键词】混凝土柱；实腹钢梁；轻钢屋面；设计
1 前言
21 世纪消费者已不再仅仅满足于钢材构件的物理属性。轻钢屋面形式多样，可以根据业主的要求选用既美观又经济实用的结构形式。一般的结构形式有钢梁或钢屋架结构、圆管屋架结构、空间网架结构等。本文以钢梁和檩条作为主受力杆件的轻钢屋面作为研究对象，介绍其设计过程，总结其中常见的问题和处理办法。
2 屋面主要构件的受力情况
以钢梁和檩条组成的屋面，外荷载通过压型钢板（彩钢瓦）均匀地传递给檩条，再由檩 条传给钢梁，钢梁通过钢板支座传给柱，再传至基础。钢梁和混凝土柱的连接由于是不同材 料的连接，难以做成刚接，计算时常把它简化为铰接，这样，钢梁就简化为简支梁或者连续 梁。钢梁的强度由规范的公式容易算出，但钢梁的稳定性需要构造措施来满足。许多情况下 ，钢梁强度还没有达到极限应力值，而稳定应力已经超出要求了。因为如果截面的侧向抗弯刚度和抗扭刚度不足（如窄而高的工字型截面），则会在截面形成塑性铰以前，甚至在弹性阶段，梁就有可能突然发生绕弱轴y轴的侧向弯曲，且同时伴随扭转变形而破坏。加强抗弯和抗扭刚度的方法除了加大梁的截面以外，增加侧向支承点也是有效的方法，这样减少梁受压翼缘的自由长度，从而减小梁在侧向支承点间对y轴的长细比。
3 计算程序
设计这类结构仍是用STS里面门式刚架的程序来计算，建模的顺序跟设计门式刚架一样，但由于混凝土柱与钢梁的连接处理难以达到刚接连接，因此梁柱的连接一般采用铰接连接形式，而一般门式刚架结构边刚架柱与梁的连接均采用刚接连接形式，由于连接形式的不同，致使这种体系单榀刚架的受力截然不同于一般的门式刚架，设计时不能简单的把门式刚架的钢柱替换为混凝土柱，应根据这类结构体系的特殊性有针对的进行设计。
4 连接形式与规范选择
混凝土柱与钢梁采用铰接连接，混凝土柱底采用刚接，多跨情况下的中间混凝土柱与钢梁的连接采用钢梁连续，混凝土柱铰撑于钢梁底面。这类结构已经超出门规的使用范围，结构类型应选择“单层钢结构”，如果为抗震地区且选择了地震作用计算，程序会自动按照抗震规范第九章关于单层钢结构的规定进行控制；混凝土柱应按混凝土结构设计规范进行设计，满足混凝土结构设计规范相应要求，钢梁应满足钢结构设计规范相关要求，当采用工形变截面梁时，建议梁构件承载力的校核采用按门式刚架规程进行校核，以考虑轴力的影响与变截面梁的稳定计算，但局部稳定应满足钢结构设计规范、抗震规范的要求；挠度控制，考虑到所采用的轻型屋面体系对钢梁挠度不是非常敏感，在有经验的情况下可较钢结构设计规范的挠度控制指标（L/400）适当放宽。
5 单榀设计
5.1 建模
钢梁对混凝土柱的约束反力与混凝土柱本身的刚度是直接相关的，为反映真实的内力情况，应该进行整体分析，并以整体分析的结果来设计基础、混凝土柱的配筋与钢梁。把它们分开来分别进行设计，往往使设计结果带来不安全的隐患：如果在柱与基础设计时，没有考虑屋面斜钢梁对柱的推力，会导致柱配筋与基础的设计严重偏小，按这种方式设计的结构在安装过程中就有可能出现基础被翘起、混凝土柱顶位移过大、柱身出现裂缝、钢梁挠度过大等问题。而在分析钢梁时，把钢梁两端视为固定铰支座或建两根很短的下端刚接柱作为支座都会夸大混凝土柱对钢梁的约束作用，导致钢梁轴力增大、跨中弯矩减小、挠度减小等不真实情况，这时往往会出现安装后的钢梁的挠度要大于计算挠度、钢梁有可能整体屈服失稳、局部压屈等不安全问题。
5.2 计算
程序自动根据整体分析得结果，按照混凝土结构设计规范进行混凝土柱的配筋计算，按选定的钢梁构件验算规范进行钢梁的校核，在布置基础的情况下，同时根据整体分析柱底力完成基础的计算。
6 整体设计
6.1 混凝土柱与钢梁的铰接连接处理
一般存在三种连接构造处理：完全抗剪连接构造，这种连接构造能够把梁端的推力以剪力的方式完全传递给混凝土柱；完全滑移连接构造，这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶自由滑移，梁端的推力由于相对的滑移而释放，作用力不传递给混凝土柱；介于以上二者之间的部分滑移连接构造，这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶有一定的滑移量，梁端的推力由于相对的滑移而部分释放，剩余作用力以剪力的方式传递给混凝土柱。
6.2 三种计算模型的内力分析
如果一个完全抗剪的连接构造，分析时采用完全滑移的分析模型（砼柱单独作为悬臂柱计算，不考虑钢梁的推力，也属于这种情况），会导致柱的配筋、基础尺寸严重的偏小，带来的后果如同上面柱与基础设计不考虑钢梁的推力的情况一样。而分析时采用的是铰接完全抗剪模式，实际处理时处理成了长圆孔等滑动支座形式，这会导致钢梁的强度应力比、挠度等计算结果严重偏小，同样给钢梁的设计带来不安全隐患。
6.3 程序的处理
考虑混凝土柱与钢梁的不同构造连接，可以通过设置混凝土柱的柱顶不同约束情况来实现。对于定义完全滑移与部分滑移的分析模型，必须保留一个梁端为完全约束的普通铰接节点，否则会出现分析上的可变体系，使分析无法进行。在定义完全滑移或部分滑移约束的情况下，程序分析结果中，在查看该混凝土柱的构件信息时，能够发现程序实际分析出来的滑移量，根据分析结果可以用来处理设置滑移的节点构造。
6.4 施工图的处理
门式刚架施工图程序中，能够根据整体分析的结果，处理这类节点及钢梁的施工图。在容许滑移的连接节点施工图中，底板设置长圆孔，长圆孔标注的长度尺寸为支座底板相对于支承面的容许滑移距离，为保证滑移的顺利进行，垫板与底板之间不应施焊，底板于混凝土柱顶接触面处理应保证支座底板与支承面间在容许距离内自由滑动。对于限制滑移量的连接节点中，当滑移量达到容许距离时支承面应设置可靠抗剪措施，限制继续滑移，使剩余剪力能够完全传递给柱。
6.5 其它构造处理
对于风载较大的地区，当风的作用能够克服屋面自重作用(组合：1.0恒＋1.4风)，出现屋面作用力向上的情况，这时通过在柱顶设置单拉杆来抵抗梁对柱顶的推力作用，会由于出现压力致使该单拉杆失效而退出工作，这时剪力还是能够传递到混凝土柱与基础，对于这种情况，这种处理是不能起作用的，不建议采用这种处理。
7 结束语
轻钢屋面结构设计以安全、合理、可行、经济为原则，设计人员不仅要按规范设计，还要结合实际情况，例如钢材的质量指标、焊接技术、安装工艺等进行综合考虑；除 了满足强度的要求外，还要注意各种构造措施的运用，理解它的受力原理是做好结构设计的关键。
【关键词】混凝土柱；实腹钢梁；轻钢屋面；设计
1 前言
21 世纪消费者已不再仅仅满足于钢材构件的物理属性。轻钢屋面形式多样，可以根据业主的要求选用既美观又经济实用的结构形式。一般的结构形式有钢梁或钢屋架结构、圆管屋架结构、空间网架结构等。本文以钢梁和檩条作为主受力杆件的轻钢屋面作为研究对象，介绍其设计过程，总结其中常见的问题和处理办法。
2 屋面主要构件的受力情况
以钢梁和檩条组成的屋面，外荷载通过压型钢板（彩钢瓦）均匀地传递给檩条，再由檩 条传给钢梁，钢梁通过钢板支座传给柱，再传至基础。钢梁和混凝土柱的连接由于是不同材 料的连接，难以做成刚接，计算时常把它简化为铰接，这样，钢梁就简化为简支梁或者连续 梁。钢梁的强度由规范的公式容易算出，但钢梁的稳定性需要构造措施来满足。许多情况下 ，钢梁强度还没有达到极限应力值，而稳定应力已经超出要求了。因为如果截面的侧向抗弯刚度和抗扭刚度不足（如窄而高的工字型截面），则会在截面形成塑性铰以前，甚至在弹性阶段，梁就有可能突然发生绕弱轴y轴的侧向弯曲，且同时伴随扭转变形而破坏。加强抗弯和抗扭刚度的方法除了加大梁的截面以外，增加侧向支承点也是有效的方法，这样减少梁受压翼缘的自由长度，从而减小梁在侧向支承点间对y轴的长细比。
3 计算程序
设计这类结构仍是用STS里面门式刚架的程序来计算，建模的顺序跟设计门式刚架一样，但由于混凝土柱与钢梁的连接处理难以达到刚接连接，因此梁柱的连接一般采用铰接连接形式，而一般门式刚架结构边刚架柱与梁的连接均采用刚接连接形式，由于连接形式的不同，致使这种体系单榀刚架的受力截然不同于一般的门式刚架，设计时不能简单的把门式刚架的钢柱替换为混凝土柱，应根据这类结构体系的特殊性有针对的进行设计。
4 连接形式与规范选择
混凝土柱与钢梁采用铰接连接，混凝土柱底采用刚接，多跨情况下的中间混凝土柱与钢梁的连接采用钢梁连续，混凝土柱铰撑于钢梁底面。这类结构已经超出门规的使用范围，结构类型应选择“单层钢结构”，如果为抗震地区且选择了地震作用计算，程序会自动按照抗震规范第九章关于单层钢结构的规定进行控制；混凝土柱应按混凝土结构设计规范进行设计，满足混凝土结构设计规范相应要求，钢梁应满足钢结构设计规范相关要求，当采用工形变截面梁时，建议梁构件承载力的校核采用按门式刚架规程进行校核，以考虑轴力的影响与变截面梁的稳定计算，但局部稳定应满足钢结构设计规范、抗震规范的要求；挠度控制，考虑到所采用的轻型屋面体系对钢梁挠度不是非常敏感，在有经验的情况下可较钢结构设计规范的挠度控制指标（L/400）适当放宽。
5 单榀设计
5.1 建模
钢梁对混凝土柱的约束反力与混凝土柱本身的刚度是直接相关的，为反映真实的内力情况，应该进行整体分析，并以整体分析的结果来设计基础、混凝土柱的配筋与钢梁。把它们分开来分别进行设计，往往使设计结果带来不安全的隐患：如果在柱与基础设计时，没有考虑屋面斜钢梁对柱的推力，会导致柱配筋与基础的设计严重偏小，按这种方式设计的结构在安装过程中就有可能出现基础被翘起、混凝土柱顶位移过大、柱身出现裂缝、钢梁挠度过大等问题。而在分析钢梁时，把钢梁两端视为固定铰支座或建两根很短的下端刚接柱作为支座都会夸大混凝土柱对钢梁的约束作用，导致钢梁轴力增大、跨中弯矩减小、挠度减小等不真实情况，这时往往会出现安装后的钢梁的挠度要大于计算挠度、钢梁有可能整体屈服失稳、局部压屈等不安全问题。
5.2 计算
程序自动根据整体分析得结果，按照混凝土结构设计规范进行混凝土柱的配筋计算，按选定的钢梁构件验算规范进行钢梁的校核，在布置基础的情况下，同时根据整体分析柱底力完成基础的计算。
6 整体设计
6.1 混凝土柱与钢梁的铰接连接处理
一般存在三种连接构造处理：完全抗剪连接构造，这种连接构造能够把梁端的推力以剪力的方式完全传递给混凝土柱；完全滑移连接构造，这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶自由滑移，梁端的推力由于相对的滑移而释放，作用力不传递给混凝土柱；介于以上二者之间的部分滑移连接构造，这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶有一定的滑移量，梁端的推力由于相对的滑移而部分释放，剩余作用力以剪力的方式传递给混凝土柱。
6.2 三种计算模型的内力分析
如果一个完全抗剪的连接构造，分析时采用完全滑移的分析模型（砼柱单独作为悬臂柱计算，不考虑钢梁的推力，也属于这种情况），会导致柱的配筋、基础尺寸严重的偏小，带来的后果如同上面柱与基础设计不考虑钢梁的推力的情况一样。而分析时采用的是铰接完全抗剪模式，实际处理时处理成了长圆孔等滑动支座形式，这会导致钢梁的强度应力比、挠度等计算结果严重偏小，同样给钢梁的设计带来不安全隐患。
6.3 程序的处理
考虑混凝土柱与钢梁的不同构造连接，可以通过设置混凝土柱的柱顶不同约束情况来实现。对于定义完全滑移与部分滑移的分析模型，必须保留一个梁端为完全约束的普通铰接节点，否则会出现分析上的可变体系，使分析无法进行。在定义完全滑移或部分滑移约束的情况下，程序分析结果中，在查看该混凝土柱的构件信息时，能够发现程序实际分析出来的滑移量，根据分析结果可以用来处理设置滑移的节点构造。
6.4 施工图的处理
门式刚架施工图程序中，能够根据整体分析的结果，处理这类节点及钢梁的施工图。在容许滑移的连接节点施工图中，底板设置长圆孔，长圆孔标注的长度尺寸为支座底板相对于支承面的容许滑移距离，为保证滑移的顺利进行，垫板与底板之间不应施焊，底板于混凝土柱顶接触面处理应保证支座底板与支承面间在容许距离内自由滑动。对于限制滑移量的连接节点中，当滑移量达到容许距离时支承面应设置可靠抗剪措施，限制继续滑移，使剩余剪力能够完全传递给柱。
6.5 其它构造处理
对于风载较大的地区，当风的作用能够克服屋面自重作用(组合：1.0恒＋1.4风)，出现屋面作用力向上的情况，这时通过在柱顶设置单拉杆来抵抗梁对柱顶的推力作用，会由于出现压力致使该单拉杆失效而退出工作，这时剪力还是能够传递到混凝土柱与基础，对于这种情况，这种处理是不能起作用的，不建议采用这种处理。
7 结束语
轻钢屋面结构设计以安全、合理、可行、经济为原则，设计人员不仅要按规范设计，还要结合实际情况，例如钢材的质量指标、焊接技术、安装工艺等进行综合考虑；除 了满足强度的要求外，还要注意各种构造措施的运用，理解它的受力原理是做好结构设计的关键。
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