1、I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o nV o l .37!S u p pl e m e n t !Z 007 工業建筑 Z 007牟第37卷增刊單層工業廠房鋼筋混凝土往鋼梁結構體系探討萬晨%無錫輕大建筑設計研究院有限公司 無錫 Z 14036摘 要!闡述了鋼筋混凝土柱鋼梁結構體系輕鋼屋蓋單層工業廠房防火特點 對此體系的運用規范及荷載取值 結構分析 節點設計變形縫處理作了設計探討 關鍵詞!鋼筋混凝土柱 鋼梁 防火 規范 荷載 結構分析 節點設計 變形縫A P P R O A C HT OS T R U C T U R A LS Y S T E M

2、O FR E I N F O R C E DC O N C R E T EC O L U M NA N DS T E E LB E A M F O RS I N G L ES T O R YI N D U S T R I A L M I L LB U I L D I N GW a nC h e n ya o W u x ii n g d aa r c h i t e c t u r ed e s i gn I n s t i t u t e W u x i Z 14036 A b s t r a c t I t i sd e s c r i b e dt h a t f i r e p r o

3、 t e c t i o na n d p r e v e n t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f r e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u m na n d s t e e l b e a m W i t h l i g h t -W e i g h t r o o f o f s i n g l e s t o r y i n d u s t r i a lm i l l b u i l d i n g .I t i s a l s o d i s c u s s e d t h a t t h e a

4、p p l i c a b l e c o d e s l o a dv a l u e s t r u c t u r a l a n a l y s i s o i n t d e s i gn a n dm o v e m e n t o i n t f o r t h e s y s t e m .K e y w o r d s r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n s t e e l b e a m f i r e p r o t e c t i o na n d p r e v e n t i o n c o d e s l

5、 o a d s t r u c t u r a l a n a l y s i s o i n t d e s i g n m o v e m e n to i n t 第一作者 萬晨耀 男 1977年10月出生 二級注冊結構師收稿日期 Z 007-04-Z 50 前 言近年來 愈來愈多的單層工業廠房采用鋼筋混凝土柱 鋼梁結構體系承重 屋蓋采用輕鋼屋面系統 模條采用 C 型或 Z 型冷彎薄壁型鋼模條 屋面板采用彩鋼板 這不但是該形式施工裝配化程度高 周期短 工期快 效率高 成本低等諸多因素決定 而且還是車間的防火要求性質決定 一幢廠房車間耐火等級為二級 柱的耐火極限必須達到Z h 而無保護層

6、的鋼柱耐火極限僅為0.Z 5h 要使鋼柱達到耐火極限Z h 必須在鋼柱上加保護層 如加7c m 厚的加氣混凝土作保護層或加5c m 厚的C Z 0混凝土作保護層均可使鋼柱耐火極限達到Z h 加3c m 厚的厚型防火涂料作保護層也能使鋼柱耐火極限達到Z h 而采用薄型防火涂料作保護層要使鋼柱耐火極限達到Z h 則相對困難 不論用何種形式作保護 成本均較高 且柱離地面近的一段容易被重物碰撞損壞 達不到預期防護效果 車間一巳發生火災 鋼柱離火源一般較近 容易很快被火燒壞 柱一巳先損壞 整個結構會很快損壞 故其重要性比鋼梁大得多<建筑設計防火規范>規定 二級耐火等級廠房的屋頂承重構件可采用

7、無保護層的金屬構件 其中能受到甲 乙 丙類液體火焰影響的部位應采取防火隔熱保護措施 按規定 一幢丁 戊類生產類別的廠房車間 如采用二級耐火等級 柱采用鋼混凝土柱 400m m>400m m 的鋼混凝土柱耐火極限均超4h屋面采用鋼梁 輕鋼模條 彩鋼板及一般支撐承重 鋼屋蓋結構表面均可不需加任何保護 不論單層車間面積多大 均可滿足現行防火規范要求 在單層工業廠房中 此類廠房是面廣量大 一幢丙類生產類別的廠房車間 如車間面積在8000mZ 以下 采用二級耐火等級 只要車間內沒有丙類液體 鋼屋面結構表面也可不需要加任何保護 即可滿足現行防火規范要求 不少中小型紡織廠 服裝廠 造紙廠 木材加工廠

8、印刷廠 電子裝配廠等丙類廠房采用此種結構形式 屋蓋系統不刷防火涂料 造價即可大大降低 即使車間內有受到甲 乙 丙類液體火焰影響 二級耐火等級的鋼梁耐火極限為1.5h 模條等屋頂承重構件耐火極限為1h 涂刷薄型防火涂料也就比較容易達到 這無疑使這類結構普及推廣創造了有利的外部條件7831 設計規7及荷載取值目前有三本鋼結構設計規范:1><門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程>(C E C S 10Z :Z 00Z >(簡稱 門鋼規范 > Z ><鋼結構設計規范>(G B50017-Z 003>(簡稱 普鋼規范 > 3><冷彎薄型鋼

9、結構技術規范>(G B50018-Z 00Z>(簡稱 薄鋼規范 > 顯然 單層工業廠房鋼筋混凝土柱鋼梁結構系統不屬于門式剛架類型 不可能用 門鋼規范 設計 只能用 普鋼規范 設計 荷載按<建筑結構荷載規范>(G B50009-Z 001>取值 當然也必須遵守<建筑抗震設計規范>(G B50011-Z 001> 但屋面模條彩鋼板系統則必須遵守 門鋼規范 及 薄鋼規范 的相關章節設計 門鋼規范 是相對獨立的不受其后兩本規范限制的不少結構設計人員用 門鋼規范 設計鋼梁的允許撓跨比限值1/180來控制單層工業廠房鋼混凝土柱 鋼梁結構系統之鋼梁的撓跨

10、比限值 這是不妥的 門式剛架鋼梁與鋼柱剛性連接 鋼梁柱變形協調一致 屋頂結構與外墻圍護結構都是鋼結構系統 整個結構剛柔相濟 鋼梁撓跨比限值取1/180略大些也是合理的 而單層工業廠房鋼混凝土柱 鋼梁結構系統之鋼梁與鋼混凝土柱鉸接外墻圍護一般是剛性磚墻圍護 鋼梁變形大會影響剛性結構外墻等變形 故必須按 普鋼結構 鋼梁之撓跨比限值來控制 目前按結構設計人員設計慣例 是按次梁永久和可變荷載標準值撓跨比限值(U T =1Z 50> 外加可變荷載標準值產生的撓跨比限值(U =1300>來控制 按規范前者撓度可減去鋼梁起拱值后計算 后者不能故應雙重控制撓度值 當然如按主梁撓跨比限值(U T =

11、1400>(U =1500>來控制當然更好 工字型鋼梁截面翼緣外伸部分板件寬厚比限值按 普鋼規范 為13Z 35f !y 按抗震規范為11Z 35f !y而按<門鋼規范>則為15Z 35f !y單層工業廠房鋼混凝土柱 鋼梁結構系統之鋼梁翼緣寬厚比應以11Z 35f !y(6度 7度區>為限值控制 關于風荷載取值 部分結構設計人員用門鋼規范 附錄a 風荷載計算值來輸入計算 這是不妥當的 門式剛架計算風荷載輸入值必須按附錄a 公式計算值輸入 但也應注意屋面坡度 檐口高度及房屋高寬比等適用條件 而單層工業廠房鋼混凝土柱 鋼梁結構系統均應用<建筑結構荷載規范>

12、風荷載計算值輸入雪荷載計算時 應注意屋面積雪不均勻分布系數的影響 特別是女兒墻較高時 積雪不均勻分布系數會達到1.4 同時還應注意雙坡屋面半坡積雪不均勻分布系數差別較大的影響 防止出現計算不安全的誤差隱患2 結構分析單層工業廠房鋼混凝土柱 鋼梁結構體系一般仍用P K 排架結構方式建模分析 變截面鋼梁同屋架一樣支承在鋼混凝土柱上 坡度大多采用181Z 0 即坡度角Z .9 7.1 坡度角愈大 水平推力值愈大 對鋼混凝土柱的影響也愈大 而正統的排架結構是沒有水平推力的 屋面檐溝可用外檐溝 也可用內檐溝 檐溝可用鋼混凝土制作 也可用彩板檐溝 鋼板檐溝或不銹鋼板檐溝 內檐溝可直接支承于鋼梁上近幾年來

13、針對鋼板內檐溝 彩板內檐溝容易腐蝕使用壽命短的弊病 部分結構設計人員設計了鋼混凝土內檐溝 如圖1 鋼梁與鋼混凝土柱鉸接支承于牛腿上 如在無地震區這種結構有它的優點 檐溝的使用壽命長 屋面不易漏水 不必經常維修 在地震區這種結構欠妥 鋼梁等屋面荷載對柱頂形成較大的彎矩使鋼混凝土柱形成大偏心受壓構件 鋼梁對鋼混凝土柱受力中心一般均大于1Zh (h 為上柱截面高度> 而<混凝土設計規范>要求受力中心一般應控制在14h 1Zh 之間 在上柱柱間支撐間柱頭受到柱間支撐的約束 約束點至柱頭頂的距離一般均不大于柱截面高度的二借 故均形成短柱受力狀態 由于該柱的側移剛度大于相鄰各柱的側移剛度

14、 當受到水平地震作用的屋蓋發生整體側移時 該柱實際上承受了比相臨各柱大得多的水平剪力 使柱頂產生剪切破壞 由圖1修改為圖Z 設計 實際上為內外鋼混凝土檐溝結合設計同時使鋼梁對鋼混凝土柱受力中心控制在1Z h 范圍內 柱頭Z h 范圍內箍筋加密使其體積配箍率抗震等級一級不宜小于1.Z % 二級不宜小于1% 三四級不宜小于0.8%這樣圖1不符合規范的矛盾都迎刃而解了 牛腿設在柱頂部 宜將牛腿對邊的柱外側縱向8831-女兒墻9Z-混凝土檐溝93-柱頂圈梁94-縱向圍護墻95-屋面鋼梁96-排架柱圖1鋼筋混凝土內檐溝1-混凝土檐溝9Z-柱頂圈梁93-縱向圍護墻94-排架柱95-屋面鋼梁圖Z內外鋼筋混凝

15、土檐溝受力鋼筋沿柱頂水平彎入牛腿9作為牛腿縱向受拉鋼筋使用9當牛腿頂面縱向受拉鋼筋與牛腿對邊的柱外側縱向鋼筋分開設置時9牛腿頂面縱向受拉鋼筋應彎入柱外側向下長度錨入不小于1.7L a O柱外側筋頂部應彎向牛腿水平段長度不小于1Z d O 實際建模計算時9切不可遺漏上述牛腿處的偏卜彎矩O特別是在跨度大9柱距大屋面荷載大的結構中O對鋼混凝土柱子的內力影響較大O關于柱間支撐及屋面橫向水平支撐設置9門式剛架輕鋼屋面可用張緊的花籃螺栓圓鋼作為支撐9而鋼筋混凝土柱鋼梁結構系統則應相應套用6普鋼規范9設計O混凝土柱柱間支撐通常使用角鋼剛性支撐O對于屋面支撐的形式筆者認為9如房屋符合6門剛規范9適用條件的帶吊

16、車或不帶吊車的單層工業廠房9屋面水平支撐仍可采用張緊的花籃螺栓圓鋼O對于超出6門剛規范9適用條件的有吊車單層工業廠房9屋面水平支撐應該使用角鋼剛性支撐O3節點設計節點設計主要是鋼梁與鋼混凝土柱的連接節點設計9目前主要有以下三種I一種是在鋼筋混凝土柱頂預埋錨栓9與鋼梁支座板直接螺帽栓緊連接O如圖3O可參照門式鋼架鋼柱鉸接支座連接大樣設計O Z4m跨度以下錨栓直徑宜用M Z4O跨度愈大9錨栓直徑愈大O錨栓錨固長度應用LL E較妥O邊柱可用左右一對螺栓9當然也可用兩對螺栓O不論何種形式螺栓9螺栓中卜離邊支座距離不應小于150m m9同時不應小于5d O 如取兩對錨栓9此值很難達到9故取一對螺栓者居多

17、O錨栓應加雙螺帽固定9下設調整螺母9中間仍用50m m厚的細石混凝土調整水平度9細石混凝土強度等級應高于鋼混凝土柱強度等級O中間支座應設兩對錨栓為好O鋼斜梁一般均有水平推力作用于鋼混凝土柱頂O故柱頂應同時預留出抗剪鍵孔槽O鋼梁底部設置抗剪鍵9待安裝合格后用細石混凝土一起整澆O1-混凝土檐溝9Z-鋼筋混凝土柱頂93-錨栓94-鋼梁圖3節點設計之一第二種連接是在鋼混凝土柱頂預埋鋼板預埋件且設錨栓O鋼梁底板直接支承在預埋件上O校正可用薄鋼板墊塞9且與支座電焊O最后用錨栓固定9錨栓直徑錨固長度均同第一種連接方式O此類連接因有鋼板預埋件約束9錨栓中卜離支座邊距離取值可比第一種適當放寬O不論第一種或是第二

18、種方式連接9鋼梁下翼緣支座鋼板應加寬加厚9厚度宜用Z0m m9寬度宜用Z50300m m9且均應按1=Z.5放坡與鋼梁跨中下翼緣板焊接O第三種連接方法是在支座處鋼梁下方設一短柱9高度h Z可取Z00m m左右9底板可直接用Z0m m 厚板9不必放坡焊接9省去機械加工工作量O如圖4O如寬度要放寬9可把鋼短柱翼板相應放寬至規定尺寸O不論何種連接方式9鋼梁端部高度h1不應取得太小9應計算剪力確定端部高度值O4變形8設計鋼結構變形縫設置縱向溫度縫區段可達Z Z0m9而鋼混凝土排架結構一般僅可達100m O砌體結構僅能用45m O車間屋面較長一般按鋼混凝土結構長983度設置變形縫屋面采用雙柱雙梁形式當然

19、可以但鋼結構屋面是否能隔Z Z0m長設縫s外圍鋼混凝土排架柱及磚墻各自用自己的伸縮縫長度設置伸縮縫s答案是肯定的s這樣可節省1根鋼梁s屋面防水效果好s施工也方便1-排架柱9Z-屋面鋼梁圖4第三種連接方式1-柱頂標高9Z-排架柱93-柱寬94-伸縮縫寬95-屋面鋼梁96-預埋鋼管97-預留孔98-獨立柱圖5伸縮縫一側設置排架柱s另一側設置獨立柱在縱向變形縫一側設置排架柱s另一側設置獨立柱子形成鋼混凝土雙柱s在排架柱上柱端部設置一剛性鉸s使獨立柱(無鋼梁支承縱向能伸縮s橫向受另一排架柱約束s如圖5獨立柱僅受橫向風荷載作用成一上鉸下固的類似抗風柱構件s其余諸如吊車荷載屋面荷載均由相臨側排架柱承擔排架

20、柱預埋鋼管一般不宜小于100s應計算確定預埋鋼管直徑厚度s獨立柱上端預留孔應比預埋管直徑大s 如偏大s則可孔縫內填彈性橡膠板當然外部圍護磚墻也必須設置一定數量的伸縮縫構造處理s防止墻體產生裂縫如做鋼混凝土檐溝s則也應按規范設置伸縮縫s確保鋼混凝土檐溝不開裂5結語單層工業廠房車間設計因涉及車間的防火分區設計建筑構件的耐火等級設計車間的生產類別發生火災危險性分類設計s廣大結構設計人員要自覺掌握熟悉遵守<建筑設計防火規范>s也期望建筑師們了解結構s共同參與此類鋼筋混凝土柱鋼梁承重結構體系輕鋼屋蓋的單層工業廠房結構設計s 使建筑設計產品更好地為國民經濟服務s同時也可進一步探討多層工業廠房屋蓋結構領域設計單層工業廠房車間鋼筋混凝土柱鋼梁承重結構體系是一種混凝土與鋼混合結構體系它兼有鋼筋混凝土結構體系的部分優點s也兼有鋼結構體系的部分優點但它不是門式剛架s也不能用門鋼規范套用設計s只能按普鋼規范設計在風荷載取值規范選用上s鋼梁計算內力值根據檐口高度車間跨度屋面坡度會有一定的誤差s但遵守規范的適用條件s不會產生結構的不安全隱患s期望規范數據能取得統一一致參考文獻1G B50016-Z006建筑設計防火規范Z G B50017-Z003鋼結構設計規范3G B50010-Z00Z混凝土結構設計規范4C E C S10Z:Z0