浅谈屋面大跨度钢梁结构设计

浅谈屋面大跨度钢梁结构设计

李有毅卓承军李迪

李有毅宁波市鄞州建筑设计院315000

卓承军宁波市建筑设计研究院有限公司315012

李迪宁波市鄞州建筑设计院315000

摘要：本文是作者结合多年工作经验以及工程案例，主要针对案例中室内泳池屋面大跨度钢梁结构设计作出了简要阐述分析,以供参考。

关键词：大跨度钢梁；受力分析；结构设计

1工程概况：

某工程为一栋地下2层，地上21层的高档写字楼，其中一~二层为裙房，做为商业及会所用途。根据建筑使用功能的要求，裙楼屋面设置了一个标准室内游泳池，其要求具有31m跨度的大空间，因此，游泳池平屋面采用何种结构型式，是此部分结构设计的重点。设计人员考虑并对比分析了普钢结构、预应力混凝土梁结构、型钢混凝土梁结构及钢-混凝土楼板组合结构等几种屋面结构体系，最终，根据建筑单位要求，游泳池屋面采用了钢-混凝土楼板组合结构。

2屋面钢-混凝土楼板组合结构的设计

大跨度钢梁的受力分析，组合梁与支撑柱的连接形式及钢梁的制作、吊装和拼接节点的设计等内容是此部分结构设计的重点及难点，具体阐述如下：

2.1受力分析

因本工程的钢梁板件宽厚比较大且组合截面中和轴在钢梁腹板内通过，组合梁截面应力按弹性状态计算。

组合梁的受力可分为以下三个阶段：

阶段一：施工阶段一（设置临时支撑时）。

考虑到钢梁的跨度较大，且施工过程中上面的钢筋混凝土板的作用尚未能发挥，因此施工时在钢梁下约1/3梁跨处分别设置两个可靠的刚性临时支撑，待屋面现浇混凝土楼板达到100%设计强度后再拆除。此阶段内钢梁受力可按两端简支三跨连续梁考虑，此时荷载考虑钢梁自重、模板重和现浇混凝土板重量，称为第一受力阶段的恒载，连同本阶段的施工活荷载，全部由纯钢梁截面承受，并计算其内力、挠度及稳定性。因本工程刚性临时支撑的设计轴力达到1050KN，为避免额外的增加下层楼面梁的荷载，将临时支撑设置在下层柱顶上，从而降低了工程的造价。此时，钢梁在屋面荷载作用下出现初始变形。

阶段二：施工阶段二（临时支撑撤掉时）。

当屋面现浇混凝土楼板达到100%设计强度时，撤掉两个临时支撑，此时应把原临时支撑的反力反向作为续加荷载作用在组合梁上，并计算其内力及变形。此阶段内钢梁受力按单跨简支梁考虑，该集中力产生的内力由钢梁与混凝土板共同作用的组合梁截面承受。此时，须分别验算钢梁的应力及混凝土板的应力，当计算组合截面中钢梁的应力时，可将混凝土板的计算宽度除以钢与混凝土的弹性模量比值αE换算成钢截面，当计算混凝土板的应力时，应将钢梁截面乘以αE换算成混凝土截面，计算组合梁的截面特征。

组合梁在施工阶段（混凝土凝固之前），应验算其整体稳定性。为提高钢梁的稳定承载能力，其端部支承处应采取相应的措施，以防止其端部截面的扭转。当钢梁工字型截面受压翼缘的自由长度和宽度的比值不超过规范要求的数值时，可不计算组合梁的整体稳定性，因此，在施工过程可采用加设侧向支承的方式，来保证钢梁的整体稳定，安装就位的次梁也可起到相同的作用。

阶段三：使用阶段。

楼板（包括主梁支座后浇区）混凝土达到强度设计值以后为正常使用状态阶段。此时，荷载考虑饰面层、找平层、防水层和吊顶等，称为第二受力阶段的恒载。使用阶段的可变荷载称为第二受力阶段的可变荷载。使用阶段的组合梁按第一受力阶段的恒载及第二受力阶段的恒载和可变荷载进行截面计算。由于混凝土徐变的影响，组合梁在永久荷载的作用下，一部分的荷载转移给钢梁承受，即混凝土板的应力有所降低，钢梁的应力有所提高。当考虑永久荷载的长期影响，设计中近似的方法是将考虑长期荷载效应的弹性模量比值改为2αE，再进行钢与混凝土截面的换算。

使用阶段的组合梁须进行挠度验算。组合梁的挠度，应按荷载的短期效应组合，并考虑永久荷载的长期作用的影响，满足钢结构规范《GB50017-2003》的相关规定。本工程组合梁跨度较大，为改善外观和符合使用条件要求，根据钢结构规范第3.5.3规定，对钢梁进行预先起拱，一般起拱度为恒载标准值加1/2活载标准值所产生的挠度值，但考虑到本工程组合梁以恒载作用为主，为保证结构安全，计算起拱值取1/500L即62mm，则计算求得实际产生的跨中挠度为111.12-62=49.12mm，可满足规范规定的挠度容许值。

简支组合梁在使用阶段（混凝土凝固之后），由于混凝土板能阻止组合梁的钢梁受压翼缘的侧向位移，故不需计算简支组合梁的整体稳定性，但需计算简支组合梁在使用阶段的钢梁腹板局部稳定性。为保证梁腹板的稳定，可沿腹板全高设置横向加劲肋进行加强。本工程钢梁在集中力处设置支承加劲肋，并按构造配置横向加劲肋，加劲肋间距为1.2h0。

根据以上各阶段的分析计算，本工程屋面型钢-混凝土组合梁截面见下图（一）。计算所得应力及变形如下：

钢梁下翼缘的拉应力σ=186.1N/mm2＜〔σw〕=295N/mm2，满足要求；

钢梁腹板的剪切应力τ=31.6N/mm2＜〔τw〕=170N/mm2，满足要求；

混凝土板上翼缘的压应力σ=9.12N/mm2＜〔σc〕=19.1N/mm2，满足要求；

考虑起拱度后的跨中挠度f=49.12mm＜〔υT〕=1/400L=77.5mm，满足要求。

2．2组合梁与钢筋混凝土支承柱的连接

因梁跨较大，组合梁与支承柱若采用刚性连接，将会在柱顶产生一较大的弯矩，单纯的混凝土柱的强度较难满足，因此，本工程中采用将钢梁支承于混凝土柱顶的铰接连接方法，以避免原混凝土框架结构受力复杂化。梁柱节点的具体构造见下图（二）。此节点须进行柱顶混凝土支座局压的验算，并采取相应的构造措施。使用阶段节点受到的水平荷载则通过设置锚栓来解决。

为保证实际受力与计算假定相符合，确保梁端可自由转动，设计要求混凝土楼板浇捣时须在梁端部预留出主梁支座后浇区，待混凝土楼板达到设计强度，并撤去临时支撑，让钢梁自由变形完成后，再用高一级的微膨胀混凝土浇捣后浇区。

2．3钢梁的制作、吊装及拼接节点的设计

因本工程钢梁跨度达到31m，为了方便施工，钢梁采用工厂分段制作，现场拼接；根据受力情况、现场吊装及运输的条件，设计将钢梁分为10m、12m、8.5m三段梁。各分段钢梁制作完成后，应在工厂内进行预拼装；预拼装合格后，才能出厂进入现场施工；预拼装工程应符合《验收规范》的规定。主梁每段设置4个吊点，梁段必须严格按照设计的吊装点进行吊装，以避免在运输和吊装过程中产生过大变形。钢结构安装前，应对安装的测量矫正、高强度螺栓安装、焊接工艺等进行工艺试验或评定；并在此基础上制定相应的施工工艺或方案。钢梁运输吊装时，对端部应采用措施加以保护，以免损伤。运输、堆放和吊装等造成的钢构件变形及涂层脱落，应进行矫正和修补。梁段的拼接节点按等强设计，节点所受的弯距主要由上下翼缘的“K”型焊缝承受，腹板采用高强螺栓进行连接，承受梁剪力。根据计算，本工程主梁翼缘焊缝采用坡口全熔透焊，焊缝质量等级为二级（实际主梁翼缘焊缝按100%进行检测）；腹板采用的高强螺栓连接为扭剪型高强度螺栓连接副，实际采用120M24，性能等级为10.9级；高强度螺栓连接处构件摩擦面须采用喷砂处理，喷砂除锈后进行喷钼防锈处理，且处理后的抗滑移系数μ不小于0.50，高强螺栓紧固力为225kN。高强度螺栓连接副在运输、保管、安装中应采取措施防止弄胀、损伤螺纹。高强度螺栓连接处摩擦面应注意保护，防止污染并保持干燥，严禁作任何标记。高强度螺栓连接处施工完毕后，应按构件防锈要求涂刷防锈漆，螺栓及连接处周边用涂料封闭。

3其它几个需注意的问题

3．1设计钢梁临时支撑时需考虑轴向压力作用下的压缩变形。

3．2为承受钢与混凝土之间的纵向水平剪力及抵抗混凝土板与钢梁之间掀起的情况，需在组合梁中设置抗剪连接件。抗剪连接件分为刚性连接件和柔性连接件两大类，本工程实际采用圆柱头栓钉连接件2φ22@200，属柔性连接件。在正式焊接栓钉之前，为寻求合适的焊接条件，应进行与现场条件相似的焊接试验，以确定焊接工艺参数。正式焊接栓钉时，每100根中至少检查一根作冲击弯曲试验，弯曲的方向沿梁纵轴指向梁端，弯曲角度为以栓钉竖轴为基准线的15度。

3．3所有的钢结构构件须进行除锈、防腐与防火处理。本工程钢梁采用喷砂方式除锈，除锈等级为Sa2.5。钢表面处理应达到无残留的氧化皮、锈痕及损伤钢材现象，表面洁净均匀，呈现金属光泽。本工程中钢梁的耐火极限要求不低于2小时，外露钢构件防锈与防火要求刷无机富锌底漆二道(≥80μm)，环氧云铁中间漆一道，干漆膜总厚度≥100μm。外刷超薄型防火涂料（涂料须经公安消防部门检验许可），其厚度应按构件耐火极限的要求，根据标准耐火试验数据确定。

3．4组合梁挠度变形的检测。本工程从施工阶段到正常使用阶段均委托相关的检测单位对钢梁的挠度变形进行全程的观测，根据实测资料，目前钢梁的跨中最大挠度约为24.3mm，比计算结果49.12mm偏小，且远小于规范规定的挠度容许值。

结束语

综上所述型钢-混凝土组合梁具有强度高、刚性大，以及良好的延性和耗能性能的特点，应用在大跨度的梁系结构中，是可行的、经济的、合理的。