钢筋砼柱—人字形钢梁结构设计中存在问题的讨论

一.       问题的提出

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，30米以上跨度已屡见不鲜。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，不少业主提出采用传统的钢筋混凝土柱，H钢梁的结构形式，实际上，这已给设计人员提出了一种新的结构体系，由于目前现有的国家规范、规程没有针对这种结构进行专门的规定，譬如受力分析、变形限值等等，加上一些设计人员将其与门式刚架结构混淆，从而使设计导入误区，留下安全隐患，造成了较严重的后果，诸如钢梁挠度大大超过限值要求，甚至脱落砸伤人，因此有必要对这种结构体系有一个明确的描述，对它的受力特点有一个明确的认识，才能使设计做到合理，防患于未然。

二.       结构体系的描述

2.1  上述的结构形式如果Rc柱顶与H人字形钢梁刚接，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。然而由于其柱顶与钢梁的结合上由两种完全不同的材料组成，其传力是否可靠，至关重要，钢梁为弹性材料，Rc柱为弹塑性材料，Rc柱顶混凝土节点区作为刚性节点，受力十分复杂，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，设计时仍应适当提高钢梁跨中的弯矩系数。

2.2  上述的结构形式，如果Rc柱顶与H人字形刚梁铰接，则不能定性为门式刚架体系，从其受力特点来分析，对H钢人字形钢梁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，拱脚提供的反力应能阻止拱的位移变形，在小跨度的情况下（一般为跨度18米及18米以下），拱脚提供的反力取决于Rc柱的抗推力（侧位移刚度），在大跨度的情况下（一般为跨度18米以上），则应设置拉杆或在梁、柱间采用刚接节点。对Rc柱而言，应定性为跨变结构排架柱，按跨变排架进行受力分析和设计。

2.3  上述结构形式，如果H人字形钢梁接近于平拱或做成平拱，Rc柱顶仍与钢梁铰接，则结构体系演变为排架结构体系（无跨变排架），可按排架进行受力分析和设计。

三.       结构计算应考虑的问题：

对于上述的双铰折线拱H钢屋梁和跨变Rc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Rc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，要解决这个问题，首先应解决好计算问题。

四.       对策和建议：

根据近两年送审的施工图，上述的结构体系普遍存在如下问题，第一，不论跨度大小如何，均采用电算结果作为设计依据；第二，采用电算中的柱顶剪力进行抗剪设计，认为屋盖恒载产生的屋梁底板与Rc柱顶之间的摩擦力能满足设计要求，柱顶不用设置抗剪键，甚至30米跨度的钢梁仅采用2个M24的螺柱与柱顶连接；第三，钢梁跨中挠度也采用电算结果作为设计依据，而不考虑屋梁屋脊处夹角的改变产生的挠度变化；第四，未考虑Rc柱产生二阶效应后，内力增加，Rc柱顶也未采取构造加强措施。

根据上述存在的问题，本文建议：

4.1  跨度20米以上的结构，采用本文2.1条阐述的结构体系，将Rc柱顶与钢梁设计成刚接节点，这里提供两种做法，其一，参照钢柱外包式柱脚的做法，在Rc柱顶增加短钢柱并埋入Rc柱项，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。Rc柱顶采用至少φ12@100的箍筋加强，体积配箍率大等于1.2%，其二，参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，Rc柱顶箍筋加强做法同上。

4.2  跨度20米及20米以下的结构可采用本文2.2条阐述的结构体系，如果Rc柱的抗推力不足，则可设置拉杆，拉杆可用φ25以上的钢筋，一般为两条，此类节点构造设计人员比较熟悉，这里不再赘述，应强调的是要采取措施，不使拉杆由于自重作用下垂，并且计算中控制拉杆不出现压力，Rc柱顶箍筋加强做法同上。

4.3  跨度20米以上的结构，若不采用4.1条中的方法，也可以采用2.3条阐述的结构体系，将屋梁减小坡度，形成平拱或接近平拱，结合屋面的排水要求，屋面坡度可采用1/20～1/25，Rc柱顶与钢梁采用铰接，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，受力分析可按无跨变排架进行，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1/400，因此这种结构的钢梁用钢量是较大的。

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，根据以往的经验，20米跨度以上不采用这种结构形式，20米跨度应慎重采用，18米跨度及以下的可以采用，但要采用正确的计算方法。