摘要:钢筋混凝土柱轻钢屋面结构体系，竖向抗侧力构件采用钢筋混凝土柱，屋面采用实腹式钢梁轻钢屋面体系，兼具轻钢结构跨度大、施工简便和混凝土结构稳定、防火防腐蚀性能好的特点。因轻钢屋面已是较为成熟的结构体系，本文重点在于结合工程实例，探讨混凝土柱轻钢屋面结构体系在设计中的整体模型建立及分析，对该类结构中的两种不同材料运用结合后的结构特性进行阐述，提出一些设计中的问题和建议。
关键词:混凝土柱-轻钢屋面结构；工业厂房；刚度；位移控制；结构建模
引言
混凝土柱轻钢屋面结构体系是以钢筋混凝土结构作为竖向及楼面承重体系，屋面采用轻钢屋面结构体系，充分发挥钢筋混凝土结构耐火耐腐性好、稳定性高的特点，结合轻钢屋面结构跨度大、自重轻的优势，为某些轻型多层工业厂房的设计应用提供了一个全新的路径。目前我国现行规范中，尚未专门针对该种结构体系提供明确的设计方法和构造要求，使得该类结构在设计过程中会产生一定的争议，本文即结合上海某一多层工业厂房实例，对此进行一定的分析和阐述，以期为该类结构体系在类似工程中的设计应用提供一些借鉴与建议，杜绝安全隐患。
1、工程背景及概况
某一轻型工业厂房位于上海青浦区，车间主体为二层，层高分别为10.8米和9.2米，标准柱网尺寸为19.6x6.3米，车间总尺寸78.4x50.4米，每层四跨均设一部10吨吊车，平面布置见图1。因防火等生产工艺要求，本工程主体选用钢筋混凝土框架结构，二层楼面采用标准预应力梁板做法解决跨度过大问题。同时，屋面承重体系为了节约造价与成本，设计采用轻钢屋面结构。
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图1：结构平面布置简图
2、结构体系分析
2.1 钢筋混凝土结构
钢筋混凝土柱底部与基础刚接，二层楼面水平构件（梁）纵、横向与框架柱均为刚接，为标准钢筋混凝土框架结构。屋面结构中短跨方向水平力仍采用钢筋混凝土梁柱形成的框架承担，而在长跨方向混凝土柱与钢梁的连接，两种材料特性不同，连接节点须专门设计。但一般来说，刚接节点设计和施工均比价复杂，一旦连接松动，易产生诸多不可控因素，因此砼柱与钢梁采用铰接连接较为合理。
2.2 轻钢屋面结构
轻钢屋面结构目前已是较为成熟的结构体系，除了梁柱节点构造不同于一般的门式刚架结构，其余屋面构件包括支撑体系、檩条、拉条的布置及计算，各类荷载的分类与取值，以及对于计算结果的指标控制，均可参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022-2015）及《钢结构设计标准》（GB50017-2017）中相关条文执行。
2.3 结构布置
本工程车间总尺寸78.4x50.4米，X向长度略超过《钢筋混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中对于框架结构55米限长的规定，如设置伸缩缝，将建筑物分为两个不同的单元，则会增加施工难度，也在一定程度上给使用带来不便。轻钢屋面属于对温度应力不敏感结构，平面内刚度相比混凝土楼板来说非常小，对混凝土结构整体的变形约束较小，且钢梁通过螺栓与砼柱铰接连接，变形适应能力较强。基于以上有利因素，结合《混规》中对于排架结构温度区段长度的规定，可认为在单层混凝土柱轻钢屋面结构体系中的伸缩缝设置，建议按照《门规》执行，即纵向温度缝区段不宜大于300米，横向温度缝区段不宜大于150米。而本工程中二层楼面混凝土结构超长，仍应严格遵守《混规》的55米温度区段规定，设置后浇带以释放混凝土收缩应力，如建筑长度进一步加大，则建议在楼板中增配抗裂钢筋，以抵抗温度应力。
本工程车间层高较高，因此考虑在吊车梁牛腿面标高处于车间短跨及外围各设置一道框架梁，以减小建筑物的结构计算高度。如此布置既不影响生产使用，也不会影响建筑外墙的开窗采光，且可以利用框架梁直接抵抗吊车梁的局部摩擦力。因此，本项目实际结构层为四层，而二层楼面采用钢筋混凝土楼板，屋面采用轻钢结构，使得建筑物结构整体上属于“下刚上柔”，所以不存在竖向不规则的问题。
另外，本项目在车间长跨方向边框处增设框架柱，这种类似于抗风柱的设计，不影响建筑的使用功能，却可以有效抵抗边框架处的风荷载效应，且在顶层边框处使得跨距变小，易于布置框架梁，那整个建筑结构体系则形成一个完整的闭合框架，对于结构整体的抗扭转是非常有利的。
同时，在屋面钢梁的布置上需要注意，由于边框梁的存在，屋面钢檩条是否能直接搁置于混凝土梁上？笔者认为这样的做法并不妥当，诚然这样处理可以省下两根主钢梁的造价，但是边跨纯砼框架和中间跨与钢梁连接的框架，其抗侧力刚度差异性较大，无论在风荷载还是地震荷载作用下的位移变形是极其不均衡的，故而如钢檩条两端搁置在这两种完全不同材料之上时，两者变形的巨大差异将使得轻钢屋面板轻易拉脱，造成屋面轻钢结构的破坏。因此，在设计中还是建议边跨柱顶设置钢梁，使得轻钢屋面结构体系保持完整和统一，对于结构的受力变形都是有利的。
3、结构计算
对于简单的单层建筑，结构分析可以参照门式刚架的设计方法，在两个主轴方向分别建立单榀模型进行二维分析，满足规范要求。但本工程为多层框架结构房屋，屋面采用轻钢结构体系，载荷情况较为复杂，结构建模计算应当采用三维整体空间计算和二维单榀计算分析相结合的方式来进行。三维模型主要计算结构整体指标及混凝土构件设计，二维单榀模型主要用来分析钢构件的应力、挠度及节点，复核混凝土柱的配筋。
3.1 三维整体建模
结合常用结构设计软件PKPM，建筑三维整体模型采用PMCAD建模，各层楼面构件截面及荷载均可按实际输入，屋面层柱顶定义为铰接，采用 SATWE 计算整体指标，并对混凝土构件进行计算配筋。
根据《抗规》的要求，结构空间整体建模的计算是基于刚性楼板假定条件下的结果，但钢筋混凝土柱轻钢屋面结构体系中，轻钢屋面相比传统钢筋混凝土楼板刚度相去太远，远远达不到“刚性楼板”的标准，在软件计算中勾选刚性楼板是偏不安全的。因此在本工程中的电算结果判别上，刚性楼板假定仅限用于二层楼面以下，对于屋面应按轻钢楼板的实际刚度输入。当然，在实际工程运用中，轻钢屋面板的刚度折算较为困难，且因为程序判定的原因，直接作为楼板开洞处理，完全不考虑轻钢屋面的刚度，往往会发现计算结果异常，前几个振型均以扭转周期为主，这显然也是不合理的。在观察计算结果振型图可以得知，低周期时只有几根钢梁在震动，属于明显的局部震动，因此认为可以有限考虑轻钢屋面板的板内刚度，在进行多次试算后，一般可认为屋面板厚度输入不大于10mm的情况下可较为接近轻钢屋面的实际刚度（试算结果见表一）。
表一：屋面板不同厚度输入情况下的结构整体计算指标
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所以，笔者认为混凝土柱轻钢屋面结构在整体计算时，屋面板输入厚度在0~10mm之间均可，建议输入楼板厚度为5mm，不宜过多考虑楼板对结构的约束作用，该条件下得出的各项整体计算指标，如周期比、位移上，仍应符合《抗规》、《混规》中的各项规定；在位移比的控制上，因混凝土柱-轻钢屋面体系本身的结构特性，建议在屋面层位移总体不大的情况下，放宽至1.5，也是符合规范要求的。若设计以更保守的做法以屋面板厚度为0mm输入，则建议在顶层的位移控制指标方面进行一定的放松，以1/350来进行控制。
在导荷方面，虽然三维空间建模也能正确地传递屋面恒、活载等竖向荷载，但因为钢梁坡度的存在，实际对于混凝土柱有一个水平推力（对钢梁为轴力、对梁柱节点为剪力）的存在，且这水平推力随着屋面坡度的增加而增大，因此一旦忽略，必然存在安全隐患。因此，该部分的电算处理，可以调用二维单榀建模梁柱节点处的内力，以节点荷载的形式布置于柱顶后，再进行一次电算的完整流程，这样得出的计算结果较为可靠。
3.2 二维单榀建模
二维建模主要利用STS模块，分析钢梁的应力、挠度，并复核混凝土柱的配筋。在实际操作过程中，屋面恒、活应按实际导荷线性布置，风、雪荷载应按照设计规范中敏感建筑进行放大，二层楼面荷载可简化以线性输入。建筑类型可选择“多层钢结构厂房”，屋面钢梁坡度标高应与工程实际相符，梁柱采取铰接连接，计算简图见图2。
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图2：二维计算简图
二维模型中混凝土结构的层间位移角仍以1/550控制为宜，钢梁的挠度限值可参照《门规》中的规定，即：1） 仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条的屋面梁，构件挠度限值为 L/180。2）仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条外，尚有吊顶的屋面梁，构件挠度限值为 L/240。
通常来说，二维模型平面内的柱配筋计算结果会略大于三维空间模型中同方向柱的配筋，这是程序未考虑空间双向受力的正常结果，而从结构安全角度来说，在主要受力的大垮度方向，配筋应从严控制，取两者大值作为最终的出图依据。
4.梁柱节点设计
在混凝土柱-轻钢屋面结构体系中，梁柱节点的构造处理是非常关键的，其采用的不同节点做法直接关系到模型建立的准确性和可靠性。
一般梁柱节点存在三种铰接构造处理：完全抗剪连接构造，这种连接能够把梁端的推力以剪力的形式完全传递给混凝土柱；完全滑移连接构造，这种连接容许钢梁相对混凝土柱顶自由滑移，梁端的推力由于相对的滑移而释放，作用力不传递给混凝土柱；介于以上二者之间的部分滑移连接构造，这种连接容许梁端相对混凝土柱顶有一定的滑移量，梁端的推力由于相对的滑移而部分释放，剩余作用力以剪力的方式传递给混凝土柱。
在STS软件试算过程中，可以通过设置混凝土柱柱顶不同约束情况来模拟三种连接构造：完全抗剪连接构造：采用普通的铰接输入；完全滑移连接构造：采用铰接＋混凝土柱顶定义约束为“水平方向自由滑动”；部分滑移连接构造：采用铰接＋混凝土柱顶定义约束为“约束水平方向相对位移差”。对于单跨结构，定义完全滑移与部分滑移的分析模型时，必须保留一个梁端为完全约束的普通铰接节点，否则会出现结构可变体系，使分析无法进行。通过三种不同约束模型的建立和计算，可从表二中看出对结构内力分布的影响。
表二：梁柱铰接节点不同连接构造下的内力对比
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在本工程中，由于对钢梁滑移量很难做到一个精确的控制，且在钢梁有滑移的情况下，作为支承的混凝土柱截面也会过大，因此采用完全抗剪连接构造，通过强化柱配筋的形式来消化结构内力，做法示意详见图3。
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图3：梁柱节点（平面内）
另外，由于钢梁与混凝土柱均为铰接，在屋面支撑体系尚不完整时，钢梁平面外方向不存在任何支撑，如钢梁过长过高，都会引起侧翻，造成安全事故，故在本工程梁柱节点平面外方向增设角钢支撑（图4），以保证钢梁的侧向稳定。
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图4:梁柱节点（平面外）
5.结语
如今，混凝土柱-轻钢屋面结构体系已越来越多地运用到实际工程中，但因国标图集、规范尚未对此类结构有专门统一的标准和要求，各地的施工及设计习惯也不尽相同，本文论述内容仅为个人的见解和建议，希望能够为同类型结构在工业厂房项目中的发展和应用提供借鉴，不足之处还请指正。
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