鋼筋混凝土框架輕鋼屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路分析

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大跨度建筑越來越普遍，且為了符合業(yè)主對建筑經(jīng)濟(jì)性的要求，選擇一個既經(jīng)濟(jì)又合理的結(jié)構(gòu)是非常有必要的。本文結(jié)合工程實(shí)際需求，采用鋼筋混凝土框架輕鋼屋面結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過程中對鋼筋混凝土框架輕鋼屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，分析了不同屋面結(jié)構(gòu)形式、支座類型及屋面荷載選取對鋼筋混凝土框架輕鋼屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，最終選擇適合本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)形式，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：輕鋼屋面；網(wǎng)架；橡膠支座；球鉸支座；屋面荷載

1 前言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大跨度建筑在生活中越來越常見，而輕鋼屋面結(jié)構(gòu)以其自重輕、抗震性能好、施工進(jìn)度快、跨度大、屋面下部空間大等優(yōu)點(diǎn)在大跨度建筑中廣泛應(yīng)用。而對于豎向構(gòu)件，混凝土柱和鋼柱對比，具有費(fèi)用較低、耐火、耐久性能較好的優(yōu)勢，因此為滿足甲方經(jīng)濟(jì)要求，設(shè)計(jì)上常采用混凝土柱加輕鋼屋面設(shè)計(jì)的方法，即混凝土框架輕鋼屋面結(jié)構(gòu)。而常用的輕鋼屋面有鋼梁結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，混凝土框架柱與屋面的支座類型有平板壓力支座、平板橡膠支座和雙向抗震球鉸支座，且伴隨著極端天氣越來越多，積雪過多、超強(qiáng)臺風(fēng)等造成的輕鋼屋蓋破壞事故屢見不鮮。因此在此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理選擇屋架、支座類型及屋面荷載對結(jié)構(gòu)安全性也有很大的影響。本文結(jié)合具體項(xiàng)目淺談輕鋼屋面的設(shè)計(jì)思路，為后續(xù)相似工程設(shè)計(jì)提供一定的參考作用。

2工程概況

此次項(xiàng)目為河南省鄭州市的某單層工業(yè)建筑，該建筑寬40 m，長66.2 m，建筑檐口高度18 m，屋脊高度為19 m，雙坡屋面坡度為5%。為建筑功能需要，房屋中間不能設(shè)柱，因此結(jié)構(gòu)的橫向跨度達(dá)到40 m，同時，屋面結(jié)構(gòu)下還設(shè)5 t懸掛吊車。根據(jù)經(jīng)濟(jì)需求，并結(jié)合建筑空間需求，采用混凝土框架輕鋼屋面結(jié)構(gòu)。

3結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1屋面結(jié)構(gòu)形式選取

工程中常見的屋面結(jié)構(gòu)形式為鋼梁結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式詳見圖1。

各項(xiàng)研究指出[1-2]：鋼梁結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于單層廠房屋蓋，多見為單跨簡支梁或多跨連續(xù)梁。鋼梁和混凝土柱屬于兩種材料，連接節(jié)點(diǎn)處很難達(dá)到剛接要求，且施工難度大，很難實(shí)現(xiàn)，故一般情況下鋼梁支座和混凝土柱頂應(yīng)采用鉸接。兩端簡支的梁式結(jié)構(gòu)跨中截面高度較高，連續(xù)梁式結(jié)構(gòu)支座及跨中部位截面高度相對較高，通?？山Y(jié)合建筑空間關(guān)系形成所需的結(jié)構(gòu)高度。由于梁式結(jié)構(gòu)主要是利用截面的抗彎能力，因此對結(jié)構(gòu)高度的要求較高，一般適用于較小跨度屋面，跨度40 m以內(nèi)可得到較為合理的經(jīng)濟(jì)性，隨著跨度的增加將趨于不經(jīng)濟(jì)。

鋼桁架結(jié)構(gòu)最常采用的是平面桁架，在橫向荷載作用下，其受力實(shí)質(zhì)是格構(gòu)式的梁，整個桁架是個受彎的構(gòu)件組，上、下弦桿的軸心受壓和受拉，剪力則表現(xiàn)為各腹桿的軸心受壓或受拉，桁架需要有一定的空間結(jié)構(gòu)高度才能滿足抗彎要求。一般情況下，桁架兩端與混凝土柱應(yīng)采用鉸接，桁架的高度可以隨著彎矩大小漸變，故為取得較好的經(jīng)濟(jì)性，多采用梯形桁架結(jié)構(gòu)形式，跨度一般為18 m～36 m。

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有空間受力的性能，是超靜定的空間鉸接桿系結(jié)構(gòu)體系。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)用鋼量少、剛度大、抗震性能好、施工安裝方便、產(chǎn)品可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)適用于各種建筑平面，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)的適用跨度為20 m～100 m。

本項(xiàng)目由于建筑功能需求，柱網(wǎng)應(yīng)布置在建筑周邊，綜上屋面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較，宜選擇正放四角錐體空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，既經(jīng)濟(jì)又美觀。網(wǎng)架受力采用周邊支承，網(wǎng)架四周全部直接支承在周邊的柱上，柱距8.4 m，網(wǎng)架的網(wǎng)格布置和柱距相匹配，詳見圖2。

3.2支座類型

工程中常用的支座有[3]：平板壓力支座、平板橡膠支座和雙向抗震球鉸支座，詳見圖3。

平板壓力支座為固定鉸支座，可有限轉(zhuǎn)動，受力明確可靠，可有效地傳遞梁端剪力和軸力至混凝土柱頂，施工簡便易于操作，但因其水平、垂直方向不能移動，屋面結(jié)構(gòu)因變形或側(cè)移產(chǎn)生的水平力直接傳遞給柱子，造成柱子受力變復(fù)雜，增加其截面和配筋，所以一般適用于跨度較小屋面。

平板橡膠支座為多層天然橡膠與薄鋼板鑲嵌、粘合、硫化而成的支座產(chǎn)品，具有足夠的豎向剛度和較大的剪切變形，既能將屋面結(jié)構(gòu)反力可靠地傳遞給柱子，又能通過剪切變形實(shí)現(xiàn)水平位移，從而有效釋放水平力，減小其對柱子的影響，這就很大地簡化了柱子的設(shè)計(jì)，同時還能通過不均勻彈性壓縮實(shí)現(xiàn)梁端的轉(zhuǎn)動，所以適用于支座反力較大、有抗震和溫度要求、水平位移較大，以及有轉(zhuǎn)動要求的大、中跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

雙向抗震球鉸支座通過球面?zhèn)髁?，不會出現(xiàn)力的縮頸現(xiàn)象，作用在支座上、下結(jié)構(gòu)的反力比較均勻，不存在橡膠老化對支座的影響，使用壽命長?？芍苯映惺茇Q向力和水平力，又能保證地震時結(jié)構(gòu)不脫落，同時可適應(yīng)徑向、環(huán)向的位移要求和任意方向的轉(zhuǎn)角要求，具有良好的減震性能。因此，本項(xiàng)目選擇采用雙向抗震球鉸支座，設(shè)計(jì)時明確該支座的設(shè)計(jì)參數(shù)，如豎向承載力的大小、水平承載力的大小、抗拔承載力的大小、支座轉(zhuǎn)角限值、水平彈性剛度要求等，廠家可根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行生產(chǎn)。

3.3屋面荷載選取

輕鋼屋面的荷載主要分為永久荷載和可變荷載。永久荷載包括屋面做法和屋蓋構(gòu)件自重，而可變荷載則要重點(diǎn)關(guān)注其中的雪荷載和風(fēng)荷載。積雪過多將輕鋼屋蓋壓塌的事故屢見不鮮，說明雪荷載具有較易發(fā)生超載的問題，危險性很高。而風(fēng)荷載則需注意風(fēng)吸力對結(jié)構(gòu)的作用，這種作用對于自身質(zhì)量較輕的輕鋼屋蓋來說，往往是不利的，當(dāng)結(jié)構(gòu)自重不能平衡負(fù)風(fēng)壓產(chǎn)生的吸力時，會使鋼梁下翼緣受壓失穩(wěn)或屋架桿件中拉桿受壓失穩(wěn)，造成結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)垮塌。因此，在屋蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，必須全面把握風(fēng)、雪荷載作用特點(diǎn)以及作用方式，以進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)。本次在主要承重結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算時，風(fēng)荷載則按基本風(fēng)壓的1.1倍取用，雪載則按重現(xiàn)期為100年雪荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，還要求業(yè)主在后續(xù)的使用過程中，采取相應(yīng)措施防止超載情況發(fā)生，如及時清理積雪、設(shè)置融雪設(shè)施等，避免荷載過大發(fā)生垮塌。

4結(jié)構(gòu)建模分析

4.1模型參數(shù)選取

根據(jù)以上分析、項(xiàng)目概況，結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以及《屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)》的要求，本次結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)?。嚎拐鹪O(shè)防烈度7度，0.10 g，Ⅱ類場地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2（n=50年），基本雪載為0.45 kN/m2（n=100年），抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類；上弦靜載取0.6 kN/m2，活載取0.5 kN/m2，下弦靜載取0.3 kN/m2（包括消防和燈具），另布置馬道荷載和吊車荷載，吊車采用多點(diǎn)式懸掛起重機(jī)，在網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)下設(shè)置5條吊車梁軌道，吊車通過5個吊點(diǎn)均勻把荷載傳遞給網(wǎng)架；針對溫度作用，上溫差：+36℃，下溫差：-8℃，以施工合攏時溫度為10～25℃為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對結(jié)構(gòu)最大溫升的工況為26℃，對結(jié)構(gòu)最大溫降的工況為33℃；屋面女兒墻附近網(wǎng)架按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》表7.2.1考慮積雪分布系數(shù)μr。

4.2計(jì)算結(jié)果分析

本次項(xiàng)目，屋面網(wǎng)架采用3D3S網(wǎng)架網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行內(nèi)力分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)算，將桿件截面驗(yàn)算應(yīng)力比控制在0.85以內(nèi)，受拉、受壓桿件長細(xì)比限制為180，而關(guān)鍵桿件（臨支座1個網(wǎng)格內(nèi)的弦桿和腹桿）受拉長細(xì)比和受壓長細(xì)比限制為150。該屋蓋跨度為40 m，厚度為2 m，上弦起坡高度為1 m，跨中厚度為3 m。建立不同支座約束條件下的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果詳見表1。

通過表1可以看出：

（1）水平彈性剛度值越大，對網(wǎng)架的豎向變形越有利，但桿件的內(nèi)力及支座的水平力也越大，導(dǎo)致網(wǎng)架的用鋼量也越多，同時要求框架柱的截面變大，配筋增多，可能嚴(yán)重影響建筑的功能布局；

（2）當(dāng)網(wǎng)架支座的X、Y向水平彈簧剛度為2 kN/mm時，支座水平力較合理，對框架柱影響很小，網(wǎng)架用鋼量也較經(jīng)濟(jì)，是最合理的取值；

（3）網(wǎng)架跨中最大豎向位移79.6 mm＜L/400=100 mm，滿足整體撓度控制要求，詳見圖4；

（4）桿件截面規(guī)格為：上弦Φ180 mm*12 mm，下弦Ф159 mm*10 mm，腹桿Ф88.5 mm*4 mm。

5結(jié)論

輕鋼屋蓋作為一種建筑類型，以其結(jié)構(gòu)均勻、強(qiáng)度高、重量輕、良好的塑性、韌性及密封性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。而此類結(jié)構(gòu)受風(fēng)、雪等外界荷載影響較大，在設(shè)計(jì)時要充分考慮這類不利因素。同時需根據(jù)建筑功能要求以及經(jīng)濟(jì)性，選擇合理的屋架結(jié)構(gòu)形式。雙向抗震球鉸支座設(shè)置合適的水平彈性剛度值，即能保證結(jié)構(gòu)安全，又能有效減少支座水平力，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

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作者簡介：胡翠平（1989.03-），女，漢，福建上杭人，碩士，講師，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。