关于混凝土柱+轻钢屋面结构设计

0.

前言

近年来,随着国内电商的迅速崛起,与之配套物流仓库发展迅速,但是其结构形式并不同于普通的钢筋混凝土框架和门式刚架,此类结构通常为2~3层的钢筋混凝土框架,屋面梁采用实腹式钢梁,屋面及外墙围护体系为彩钢板.现行的一些规范及书籍并未据实际项目情况,详细讨论此结构类型的结构布置、荷载取值、模型分析、墙梁布置、指标控制等问题,希望给同行在此类工程设计时提供相应的帮助.1.

项目介绍上海某物流仓库由一栋办公室、两个厂房和一个卸货平台组成.两个厂房均为3层钢筋混凝土框架结构,一层二层典型柱网为11.4m×12.3m,顶层垂直屋脊方向拔柱后形成大空间.钢梁布置原则为仅沿坡向设置,垂直钢梁布置系杆和支撑体系,混凝土柱顶和钢梁铰接,刚架的平面布置如图1所示.

2.

设计思路

墙面体系类似于门刚,不同的是檩托板锚固到混凝土柱或混凝土梁中,局部立面布置如图2所示.

该结构体系与门刚不同的是,钢筋混凝土柱代替了钢柱,混凝土柱底为刚接,且柱与钢梁为铰接,其中选取一榀刚架的立面布置见图3所示.屋面体系由钢梁、支撑体系、屋面檩、拉条、彩钢板构成.

3.

荷载取值及地震作用屋面恒、活荷载取值

恒荷载根据经验及建筑屋面做法：单层玻璃丝棉彩钢板取0.2kN/m2,双层玻璃丝棉彩钢板取0.25kN/m2,单层岩棉彩钢板取0.25kN/m2,檩条、拉条、支撑、系杆可取0.1kN/m2,吊挂荷载主要为消防喷淋主、支管,电气桥架荷载可以基本上忽略,笔者根据给排水专业的喷淋图纸计算过一个标准跨钢梁从属面积内主管、支管自重加上其充满水的重量并平摊到每个平米大概在0.1-0.12kN/m2左右.

图1标准跨刚架平面示意图

图2墙檩立面示意图（局部）

这里需要注意的是,屋面板加保温棉等要根据建筑专业的详细做法去核

算荷载,切记不可按照经验取值.举个例子：如屋面做法为双层屋面板,内侧为彩钢板,外侧为铝镁合金板,岩棉的容重比较大时,就会超过经验值范围.活荷载根据GB1022-2015《门式刚架轻型房屋钢结构计算规范》、

GB50017-2003《钢结构设计规范》中的相应规定取用,此类型的屋面从属面积一般情况下都大于60m2,故取0.3kN/m2.

屋面风荷载取值

关于风荷载的取值标准主要有GB5000-2012（建筑结构荷载规范）和GB51022-2015（门规）两本规范,但是两者的差异是非常大的.通过同一个模型,设计参数一致,分别采用两本荷载的风荷载取值,计算结果显示前者算的结果会明显小于后者（差异超过20%）,鉴于一些极端气候近年时有发生,安全起见,建议采用后者的风荷载取值方法.另在CECS102：2002门刚技术规程附录A条文说明提出柱脚刚接且刚架的l/h小于3.0时方可采用荷载规范的风荷载,其他情况则严重不安全.对于项目情况显然屋面形式十分接近门刚,故按照门规的风荷载规定计算.

地震作用

规范没有明确这种结构类型的抗震等级,只能从规范中寻找相似规定来推断.GB5011-2010（建筑抗震设计规范）9.2.1条规定单层钢结构厂房的抗震设计详专门的规定；在9.2.14条则规定重钢厂房7、8、9度的抗震等级可分别按四、三、二级采用；GB21022-2015（门式规范）条文解释

3.1.4条明确了单层门刚轻型房屋在抗震设防烈度为7度（0.1g）及以下时,一般不需要做抗震验算,在7度（0.15g）及以上时,横向刚架和纵向框架均需进行抗震验算.从中可知本项目位于上海（7度0.15g）,且为轻钢厂房,故不考虑抗震即可.即便是按四级来考虑计算,由计算结果也可知并不是由地震作用控制,而是风荷载控制的,不过还是建议在模型中按四级计算.抗震构造措施按门刚规范3.

4.1条规定即可.

图3一榀刚架示意图

4.

模型分析

单榀刚架模型

在STS中建立单榀模型,建模过程同我们比较熟悉的门式刚架轻钢厂房,不过需要注意以下几点：1）出于经济性考虑钢梁设计成变截面的,变截面

梁端板拼接位置尽量设置在弯矩反弯点处,屋面檩条布置时要和拼接板避开；2）新门规中风荷载系数β=1.1,比02版基本风压乘1.05的系数提高了；3）应力比不要过大或者过小,控制在0.75-0.9之间最为合理.

整体指标

在PMCAD建模时屋面钢梁可以按STS中钢梁截面建入模型,并在SATWE 中修改钢梁的抗震等级、面外计算长度、柱顶铰接等信息,这样更加符合实际.计算后与STS中二维单榀刚架结果进行比较,保证在SATWE计算结果中应力比不超限,并以STS中的计算结果控制相应位移、挠度指标、应力比等.

5.

檩条及拉条布置屋面檩条屋面檩条在计算和布置时候需要注意：1）活荷载取0.5kN/m2,并要考虑施工检修时作用在最不利位置的集中荷载1.0kN；2）新门规规定计算檩条时风荷载考虑到阵风作用,取系数β=1.5,此项在02版门规中并无相应规定,可以说相对之前提高了很多；3）当与檩条平行方向下需吊挂喷淋主管时（不小于DN150）,绝对不允许单独固定在一侧檩条上,应有两根或者三根檩条腹板共同承担其荷载.

墙面檩条

墙面檩条在计算和布置时候需要按照墙面高度来计算所需檩条截面尺寸,如可以按照0-10m,10-20m,20-30m三个区间去分别取不同的风压高度变化系数计算需要的墙檩尺寸,以确保方案更加的经济.

拉条布置

2015版门规9.3.1条规定拉条的布置原则：当檩条跨度大于4m时,宜在檩条间距跨中位置设置拉条或撑杆；当檩条跨度大于6m时,宜在檩条三分点处各设置一道拉条或撑杆；当檩条跨度大于9m小于12m时,宜在檩条四分点处各设置一道拉条或撑杆.在屋面恒载和活载作用下,檩条的上部受压,拉条需要布置在腹板上部；但风吸力作用下檩条的下部受压,又需要布置腹板下部.本项目中屋面跨度很大,风荷载作用面很大,为避免檩条上、下翼缘失稳,故采用双层拉条体系.

6.

指标控制

钢梁挠度目前有较大争议,在GB50017-2003附录A中规定了主梁（包括有悬挂起重设备的梁）的扰度限值[Vt]为L/400；GB51022-2015表

3.3.2中规定仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条的挠度限值为L/180,尚有吊顶的钢梁挠度限值为L/240,有悬挂起重机时为L/400,同时规定由柱顶位移和构件挠度产生的屋面坡度改变值,不应大于坡度设计值的1/3.当按照L/400控制时显然过于保守和不经济,且无悬挂起重设备；按照L/180控制时会钢梁比较柔,当遇到特大雨时钢梁局部挠度过大而导导致排水不畅.结合以往其他项目工程经验,故个人认为控制在L/400~L/240之间且更接近于L/240为宜.

7.

注意事项在施工图绘制时有几项需要注意,以免对影响业主的正常使用及结构安全造成影响：1）钢梁起拱,针对每种类型的刚架的每跨最好给予其具体的起拱数值,保证屋面的排水和美观；2）设备基础,屋面如果有大型设备基础时,要复核檩条是否满足设计要求,不满足时用槽钢或者H型钢代替；3）混凝土柱顶标高,屋面自身有坡度,钢梁是变截面的,所以混凝土柱顶标高有比较大的起伏,土建部分和钢梁一定要定位准确.

8.

结论

混凝土框架柱-轻钢屋面因为其跨度大、经济性好的优点在物流仓库中得以大力推广和应用,在设计时有其不同于单层排架厂房和门式刚架的特点,在结构布置时要针对其梁柱铰接、荷载取值、指标管控、对风荷载敏感、屋面排水、喷淋吊挂、经济性指标等综合考量,才能设计出集安全、舒适、经济与一身的建筑.