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砼柱顶上钢斜梁拱的设计与施工问题讨论

作者：蔡益燕    
时间：2009-12-22 20:26:20 [收藏]
[B]砼柱顶上钢斜梁拱的设计与施工问题讨论[/B]
    砼柱顶上钢斜梁拱的设计与施工问题讨论

    蔡益燕 陈友泉

    (中国建筑标准设计研究院，北京100044；浙江杭萧钢构股份有限公司，杭州310003)


    [摘要] 讨论了砼柱顶上钢斜梁拱结构的技术特点及在设计与施工方面存在的特殊问题：拱结构与梁结构的重大区别、拱脚推力释放及拱内力改变对屋面坡度的敏感性、拱脚水平位移对拱顶位移的影响、由拱结构转变成梁结构的可能性、拱脚适宜的构造形式、为克服拱脚推力释放应采用的施工措施等，可作为中国建筑金属结构信息网设计与安装施工人员的参考。
    [关键词] 斜拱；梁；拱脚推力

    1 前言
    门式刚架轻中国建筑金属结构信息网房屋在我国近十几年来发展非常之快，因为这种中国建筑金属结构信息网配之以轻型围护体系后，用于各种大跨度厂房、仓库、超市等有着钢筋砼结构不可相比的优势：结构重量轻、建筑布置灵活、建造速度快、造价成本低、建筑具有现代气息又符合国家绿色建筑可持续发展方向。经过这十几年的发展，再加上计算软件的普及，国内一般的设计院大多能进行这类中国建筑金属结构信息网的设计（详图设计除外），但这种看似简单的中国建筑金属结构信息网在工程实践中却出现不少的问题，其中最典型的问题之一就是在砼柱上连接一个人字形钢斜梁屋盖，这种结构外形像门式刚架，设计人员参考《门式刚架轻型房屋中国建筑金属结构信息网技术规程》CECS102来设计，可能会出问题，规程CECS102的适用范围是不包括这种结构的。这种结构实际上是“拱”，可称之谓“两铰直线拱”或“斜拱”（Inclined Arch），但因为构件中除了较大的轴向压力外，又有较大的弯矩，因此它不是纯粹的拱而带有一些梁的特性，工程中出问题的根源是设计者和施工者没有注意到“拱”与“梁”的重大区别，他们将此结构看成是混合门式刚架，将拱构件按梁构件进行设计与施工，殊不知，门式刚架的重要条件是边柱与梁之间必需刚接，边柱与梁之间铰接则成为混合排架，而混合排架上只能是刚度较大的梁不能是拱。这种不够合理的结构形式之所以在我国得到较多的应用，在业主方面的原因是：为了建筑防腐或防火的方便用砼柱代替钢柱，或是在多层砼结构上盖一个大跨度的钢屋面以得到一个大跨度的顶层空间，也有在旧有砼结构建筑屋顶上改造或扩建一个大跨度空间层需要这样做；在设计院方面：一些工程师们在并不熟悉这种结构特征的情况下，以常规门式刚架的概念设计这种斜拱结构，他们没有注意到这种结构形式的技术特点和施工中容易发生的特殊问题。这种结构形式的出现，也可能与工程总包单位不适当的干与有关。
    本文根据工程实践中出现的问题从设计和施工两方面阐述这种结构的技术特点和问题所在，供有关技术人员参考。
    2 设计方面的问题
    由于人字形斜拱除了有较大的轴向压力还有较大的弯矩，它同时具有拱和梁的两种特性，因此将其称之谓“斜梁拱”更便于问题的讨论。斜梁拱与砼柱顶的连接通常只能做成铰接，其计算简图见图1所示。文[1]和文[2]给出了斜梁拱的内力分析及挠度计算方法，它有两个极为重要的技术特征：一是斜梁拱脚具有很大的水平推力，此水平推力使斜梁产生反向弯曲，导致其弯矩大大减小及斜梁拱顶向下的位移大大减小，这是对结构有利的方面；二是斜梁拱脚的水平位移△将使斜梁拱顶处产生同步位移δ=Δ/（2i）（i为屋面坡度，见图1），

    图1斜梁拱模型

    同时水平推力释放，导致弯矩增大，这是对结构有害的方面。不注意这两个重要的技术特点（一般设计新手注意不到这两个技术特点），将会使实际工程斜梁拱结构的内力和拱顶的位移大大改变，从而导致严重的质量和安全问题。为考察这种结构的技术特点，现以一个24m跨斜梁拱为例用STAAD/pro软件按弹性理论进行计算，斜梁坡度按1/5、1/10、1/20三种情况，斜梁截面尺寸为H500×180×4×10，竖向荷载q＝-7.47kN/m，可得到表1和图2～图4之结果，从中可以得出以下几点结论：
    (1)对于工程中常用的屋面坡度，拱脚无水平位移时，斜梁坡度越小，水平推力越大，拱顶竖向位移越大；
    (2)拱脚水平推力随其水平位移的释放而减小，坡度越小，越敏感；拱顶竖向位移随拱脚水平位移的释放而增大；
    (3)斜梁拱最大弯矩随拱脚释放水平位移而迅速增大，坡度越小越敏感。
    (4)斜梁坡度大时，P-△效应不明显，坡度小时，P-△效应会增加一点水平推力和拱顶的位移。
    不管坡度如何，只要拱脚无水平位移约束，则斜梁失去成拱的条件，转变成简支梁，其内力和挠度将按照简支梁规律；坡度越小对拱脚水平位移约束条件需要越严格，否则，斜梁拱越容易转变成简支梁。本算例进一步的计算表明，当斜梁坡度为 且拱脚水平位移为64mm时，拱顶的位移与同跨度的简支梁挠度相同，此时，反推力为零（参见图2中标志有“Δ”的曲线下端），拱脚再有位移约束也不能起作用，斜梁完全失去成拱的条件，只是相当于有予起拱的简支梁而已，当然，此时的弯矩等同于简支梁，如果再增加荷载则斜梁拱成为有下挠的弯梁。





    构的条件，此时的斜梁已接近于简支梁模式，参考表1注3可知，按简支梁弯矩将放大到5.39倍，梁顶位移也将极大地增加。尽管施工时的结构自重不到设计总荷载的1/3，但由于弯矩放大到5倍，已足以威胁到结构的安全，拱顶的位移也大大超过设计的限定值，这在施工中是必须禁止的。
    3. 施工安装方面的问题
    由于斜梁拱有很大的水平推力，对于拱脚水平位移又非常敏感，设计人员应谨慎考虑下部钢筋砼结构的柱顶在水平推力作用下的设计及其柱顶位移对斜梁拱的影响等问题。在砼柱上斜梁拱的施工安装时，施工者没有注意此种结构的特殊问题，没有采用专门的措施来保证拱脚的推力，仍像普通门式刚架的柱底那样施工，见图5，这样就要出大问题，因为斜梁的水平反推力远远大于门式刚架的柱底水平反力，施工中失去反推力意味失去形成斜梁拱的条件。另一方面，图5中的砼灌浆层通常为素砼，柱子的主筋和箍筋到不了这个位置，素砼的抗剪能力不足于抵抗这个水平反推力，设柱子断面为800×400mm，砼灌浆层为C40，则素砼的抗剪能力为0.07fcbh=0.07×19.5×400×800=437kN ，对比表1中拱脚无水平位移的水平推力可知（如考虑砼柱顶的侧移后，反推力会有所降低），当斜梁的坡度较小时，这样的节点难以满足要求，应采用图6或图7的形式，但这样的连接更趋于刚接的性质，对于砼柱顶局部受力不利，宜考虑采用薄型底板并去掉两边的劲板使之趋于铰接。钢筋砼结构设计者容易从自身角度出发，提出在拱脚处开长圆孔以消除水平推力，使砼柱的配筋来的方便，这是不行的，这样做斜梁不能成为拱结构，既然不希望有水平推力，不如采用按排水坡度做成变截面简支梁，既有利于排水，又符合弯矩图规律，且省去了水平推力的麻烦问题，这用于跨度不大的屋盖梁是非常合理的。此外，如果在斜梁下面设有拉杆，则可消除水平推力，使其拱脚处安装如简支梁一样方便简单，但下设拉杆的做法需要考虑风吸力作用下，拉杆退出工作的工况。

    （1）对于需要砼灌浆的柱顶处（见图5，应尽量避免采用这种支座形式），在跨中设立临时支柱，使斜梁拱暂时变成两跨连续梁模式不再有水平反推力，待柱顶的砼灌浆已完全凝固后再拆除临时支柱。
    （2）对于现场焊接的柱顶支座（见图6和图7），应在砼浇筑时控制好柱顶标高并在砼柱顶预埋抗剪钢板，在安装钢斜梁脱离吊钩前，用经纬仪等定位好斜梁坡度（宜稍提高一点坡度），将其焊牢在柱顶的预埋钢板上，对于预埋钢板与斜梁之间存在的间隙可加塞楔片处理。

    4．工程实例与小结
    下面的工程实例问题，是因为设计和施工没有注意到斜梁拱反推力或砼柱顶构造问题而产生的：
    2003年建造的浙江某棉织品厂房，为3层的钢筋砼结构，在其砼柱顶上设计有坡度为8%（即1/12.5）的36m跨斜梁拱，拱脚构造如图5，设计施工图中无任何拱脚止推构造，也无任何专门施工措施保证反推力，虽然屋面材料轻，但由于坡度小跨度大(文献[1]和[2]建议坡度不小于1/12，跨度不大于30m)，施工完成后屋盖有出乎意料的下挠，原设计的平面吊顶成明显的下挠窝形，通风管道不得不下移140mm安装，此外，由于施工阶段的反推力已释放，斜梁的弯矩已大大超过设计值。
    类似工程实例不拟一一列举。

    小结：
    （1）砼柱顶连接钢斜梁拱结构既不是混合门式刚架也不是混合排架，因其拱脚有较大反推力的存在，是一种不够合理的结构形式，在工程上应尽可能避免采用；
    （2）钢斜梁拱结构的设计应有严格的限制条件：屋面材料是轻型的、屋面坡度不能太小、跨度不能太大，此外，应特别注意拱脚的反推力问题和砼柱顶的构造措施；
    （3）在安装时要有专门的施工措施来保证施工阶段的拱脚反推力符合设计要求。
    参考文献
    1．魏潮文、陈友泉。混凝土柱上轻钢屋盖两铰直线拱设计。建筑结构，2005，35（2）。
    2．魏潮文、弓晓芸、陈友泉。轻型房屋中国建筑金属结构信息网应用技术手册。中国建筑工业出版社，2005年。
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