門式剛架輕型房屋結構用于大跨度的單層工業廠房, 其優越性越來越被業主接受, 跨度也越做越大。然而由于鋼材市場的價格波動, 鋼柱的用鋼量大于鋼梁的用鋼梁, 加上防火涂料價格的昂貴, 建筑功能的需要, 不少業主提出采用傳統的鋼筋混凝土柱焊接工字鋼梁的結構形式, 這就出現了一種新的結構體系———混凝土柱鋼梁。
由于目前現有的國家規范、規程沒有針對這種結構受力分析、變形限值等等進行專門的規定, 一些設計人員將其與門式剛架結構混淆, 參照門式剛架設計, 從而使設計導入誤區, 留下安全隱患。只有從這種結構體系的假定出發, 根據它的受力特點分析研究, 分析明確它的使用范圍和條件, 只有這樣才能使設計合理, 防患于未然。
結構計算設計假定混凝土柱與鋼梁有兩種連接形式, 剛接和鉸接, 如果混凝土柱頂與鋼梁剛接, 仍可定性為門式剛架體系, 參照門式剛架的受力特點進行計算和設計。如果混凝土柱頂與型剛梁鉸接, 則不能定性為門式剛架體系, 從其受力特點來分析, 應定性為兩鉸折線拱, 應按照拱的受力特點進行計算和設計。
由于其柱頂與鋼梁的結合上由兩種完全不同的材料組成, 鋼梁為彈性材料, 混凝土柱為彈塑性材料, 如果混凝土柱頂混凝土節點區作為剛性節點, 受力十分復雜, 但是一般的混凝土柱和鋼梁的螺栓連接只能認為是鉸接, 因此柱頂節點的構造也較為復雜, 這就給設計和施工造成了一定的難度, 也增加了造價。實際上該類節點要做到完全剛性節點也難以做到,只能通過構造措施加強。設計時仍應適當提高鋼梁跨中的彎矩系數。
如果混凝土柱和鋼梁采用一般的預埋螺栓連接, 則混凝土柱頂與型鋼梁鉸接, 則不能定性為門式剛架體系, 應為兩鉸折線拱, 應按照拱的受力特點進行計算和設計。拱腳反力對混凝土柱有一水平推力, 跨度越大, 推力就越大。為了減少水平推力, 應在鋼梁下設置拉桿或在梁、柱間采用剛接節點。如果鋼梁接近于平拱或做成平拱, 混凝土柱頂仍與鋼梁鉸接,則結構體系演變為排架結構體系, 可按排架進行受力分析和設計。
對于上述的雙鉸折線拱混凝土排架柱的結構體系, 若未設置拉桿, 其計算較為繁瑣,如果未予以認真對待或認識不清, 僅采用通常平面桿系計算軟件電算了事, 不管其跨度多大都一樣, 則是一種不負責任的做法, 也給結構留下安全隱患。實際上, 目前通用的平面桿系計算軟件是基于兩個基本假設的基礎上進行受力分析的, 其一是平截面假設, 即結構受力后桿件的截面保持不變, 其二是桿件與桿件之間的夾角不變, 即結構受力后梁, 柱之間或折梁之間的夾角不變。這種假設對門式剛架而言,是符合其計算簡圖的, 但這種假設對本文所針對的結構則不適用, 也不符合實際受力的計算簡圖, 首先人字型鋼梁由于拱腳推力較大(跨度越大, 推力就越大), 如果拱腳不設置拉桿或柱的抗推力(側向剛度) 不足, 將產生較大水平位移, 勢必造成鋼梁屋脊處夾角的改變,即桿件與桿件之間夾角的改變, 不符合計算軟件的基本假設, 其次由于拱腳水平位移的加大, 給混凝土柱增加了附加彎矩, 即存在二階效應問題, 而軟件計算又未考慮二階效應, 再者由于懸索效應, 屋面鋼梁內力將急劇增加,柱頂的剪力也急劇增加, 反過來又造成更不利的情況, 這些都是目前計算軟件沒有考慮和解決的問題, 因此電算的結果將產生較大的誤差, 直接用電算結果進行設計顯然是不合理和錯誤的, 勢必留下安全隱患。
根據上述分析, 可得如下結論:
如果將混凝土柱頂與鋼梁設計成剛接結構體系, 一般有兩種做法, 一是參照鋼柱外包式柱腳的做法, 在混凝土柱頂增加短鋼柱并埋入混凝土柱頂, 短鋼柱與鋼梁剛接, 節點構造和計算按外包式柱腳的有關規定。混凝土柱頂采用至少φ12@100 的箍筋加強, 體積配箍率也要增大。二是參照網架支座預埋件的做法,但加以改進做成剛接節點, 即將鋼梁支座底板與支座預埋件鋼板周邊電焊, 并在支座底上開幾個圓孔塞焊, 使支座底板與預埋件鋼板融成一體, 預埋件按彎、拉、剪受力的有關規定計算, 并滿足構造要求, 混凝土柱頂箍筋加強做法同上。這種結構的鋼梁用鋼量相對較小, 但是節點構造麻煩, 不易保證, 對施工要求高。
如果混凝土柱頂與鋼梁采用鉸接結構體系, 一是: 可在鋼梁下設置拉桿, 拉桿可采用角鋼或φ25 以上的鋼筋, 使鋼梁簡化為鋼屋架; 二是: 將屋梁坡度減小, 形成平拱或接近平拱, 屋面坡度可采用1 /20～1 /25, 受力分析可按排架進行, 鋼梁采用門式剛架柱頂鉸接設計, 柱按照排架柱設計。柱頂錨筋跨度小于27 米時, 至少采用2 個M30, 跨度大等于27米時, 至少采用4 個M30, 并在鋼梁支座底板下設置抗剪鍵, 必須指出的是普通的排架主要承受水平力, 而這種結構主要承受的垂直力,包括風吸力, 撓度應控制在l /400, 因此這種結構的鋼梁用鋼量是較大的, 但是施工相對簡單。
綜上所述, 由于對上述結構體系的受力分析和計算, 目前研究的還不夠, 對較大跨度的應謹慎采用, 采用時應注意使用條件和構造加強措施。
