混凝土柱实腹钢梁单层厂房设计与分析
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摘要：介绍了混凝土柱实腹钢梁结构的特点，并与门式刚架的计算结果进行了比较。重点分析了此类结构的建模与计算需注意的问题、对混凝土柱与钢梁的连接节点做法给出了建议，供工程设计参考。
中图分类号：TV331文献标识码： A
近年来，门式刚架单层轻型钢结构房屋在我国得到广泛的应用,但有些业主提出希望采用钢筋混凝土柱代替钢柱，而屋面仍采用原门式刚架的体系，以减小用钢量，省去防腐及防火涂料费用，达到节省成本的目的。但这种混凝土柱+实腹钢梁的结构形式与门式刚架结构的受力性质和模式是完全不同的，它的受力性能远远不如门式刚架好，盲目的采用混凝土柱代替钢柱，而不考虑这种结构的特点，会造成很大的安全隐患。下文结合工程实例对这种结构的特点及设计计算进行分析。
一.混凝土柱实腹钢梁结构形式分析
对于混凝土柱实腹钢梁结构，混凝土柱为弹塑性材料，钢梁为弹性材料，这是两种完全不同的材料，两者较难达到刚接连接。如果将混凝土柱与钢梁的连接作为刚性节点，可参照钢柱外包式柱脚的做法：在混凝土柱顶增加钢柱并埋入混凝土柱项，使钢柱与屋面钢梁刚接，节点构造和计算按外包式柱脚的有关规定进行。此做法构造及受力较为复杂，设计和施工均有一定难度，也增加了造价，实际上这类节点也很难达到完全刚接的效果，在工程中较少采用。
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(见下图)，而一般门式刚架结构钢柱与钢梁的连接均采用刚接连接形式。由于梁柱连接节点的性质不同，导致这种混凝土柱+实腹钢梁结构的受力特性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，而应根据这类结构体系的特点进行有针对性的设计。
二.门式刚架与混凝土柱实腹钢梁结构的计算结果比较分析
某仓库原设计采用单层门式刚架钢结构，长160m，柱距8m，跨度为两跨24mx2=48m,檐口高度9m,采用刚接柱脚，现拟将钢柱换为混凝土柱。两种结构均可用PKPM结构设计软件建模计算，计算结果见表1：
表1 门式刚架结构与混凝土柱实腹钢梁结构的计算结果比较
门式刚架结构 混凝土柱+实腹钢梁结构
应力比图
弯矩包络图
钢梁绝对挠度图
由上述结果可见，这两种结构体系截然不同，如简单的将钢柱替换为混凝土柱，会导致原钢梁的强度及稳定，挠度等指标超出限值，同时柱底反力也与门式刚架结构有较大差别。因此，具体设计时应考虑这种结构的特点，使其满足相关规范的规定。
三.混凝土柱实腹钢梁结构在建模与计算时需注意的问题
1. 混凝土柱钢梁结构
混凝土柱实腹钢梁结构可采用PKPM门式刚架二维设计软件进行建模计算。由于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，为反映真实的受力情况，应将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、钢梁与混凝土柱的配筋。如把混凝土柱与钢梁单独进行设计，会带来安全隐患，如在柱与基础设计时，没有考虑屋面斜梁对柱的推力，会导致柱配筋与基础的设计严重偏小，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，跨中弯矩较小，挠度减小等不真实情况。
在模型简图中定义混凝土柱与钢梁铰接连接，混凝土柱与基础刚接连接，多跨刚架时中柱铰接于钢梁底面，屋面钢梁连续。由于这种结构类型已经超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（以下简称《门规》）的适用范围，所以参数输入时结构类型应选择“单层钢结构厂房”。混凝土柱按《混凝土结构设计规范》进行设计，钢梁按《钢结构设计规范》（以下简称《钢规》）进行设计，两者应分别满足规范的相应要求。
由于屋面钢梁一般采用带有一定坡度的工字型变截面梁，会存在一些轴力，如果采用《钢规》进行计算，会存在以下问题：(1)《钢规》中对钢梁是按纯弯构件进行计算的，而没有考虑钢梁轴力的影响。(2)《钢规》中没有规定变截面梁的稳定计算，程序无法进行变截面梁的稳定计算。因此尚应按《门规》中相关要求校核钢梁构件的承载力，以考虑钢梁轴力的影响和变截面梁的稳定计算。但钢梁翼缘宽厚比，腹板高厚比等局部稳定指标应符合《钢规》和《建筑抗震设计规范》中的相关要求。
《钢规》中对钢梁（主梁）的挠度控制值为L/400，但考虑到此类工程所采用的轻型屋面板对钢梁挠度不是特别敏感，在有经验的情况下可较挠度控制指标L/400适当放宽，钢梁的挠度按L/300控制。
2.单跨双坡混凝土柱钢梁结构
单跨双坡混凝土柱钢梁结构的形式属于两铰直线拱（斜梁拱），有两个重要的受力特点：一是斜梁拱拱脚有较大的水平推力，此水平推力使斜梁产生反向弯曲，导致其弯矩减小，拱顶挠度减小；二是斜梁拱拱脚的水平位移使斜梁拱拱顶处产生同步位移，同时释放水平推力，导致弯矩增大。由于斜梁拱有很大的水平推力，对于拱脚水平位移又非常敏感，所以应重点考虑混凝土柱柱顶在水平推力作用下的设计及其柱顶位移对斜梁拱的影响等问题。
在进行整体分析时，分析模型要与连接构造处理相对应。混凝土柱与钢梁的铰接连接一般有三种连接做法：(1)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；(2)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；(3)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。这三种构造应分别对应于不同的计算模型，内力分析结果有非常大的差异。
当跨度不大时，可按排水坡度做成变截面简支梁，以解决水平推力的问题。如果在斜梁拱下面设有拉杆，可以抵抗梁对柱顶的推力作用，使拱脚处安装节点同简支梁一样处理，但设置拉杆的做法要考虑风吸力作用下，拉杆退出工作的情况，这时水平推力还是能够传递到混凝土柱与基础。
六. 结语
由于现有的国家规范、规程没有对这种混凝土柱+实腹钢梁的结构形式进行专门的规定，一些设计人员将此类结构按照门式刚架结构进行设计，从而留下安全隐患。设计中应对这种结构体系的受力特点进行分析研究，根据工程的实际情况进行分析和计算，以做出经济合理的设计。
参考文献：
1.CECS 102：2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程
2.GB50017-2003 钢结构设计规范
3.PKPM工程部 STS应用讲解