砼柱頂上鋼斜梁拱的設計與施工問題討論
作者：蔡益燕
時間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]
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砼柱頂上鋼斜梁拱的設計與施工問題討論
蔡益燕 陳友泉
(中國建筑標準設計研究院，北京100044；浙江杭蕭鋼構股份有限公司，杭州310003)
[摘要] 討論了砼柱頂上鋼斜梁拱結構的技術特點及在設計與施工方面存在的特殊問題：拱結構與梁結構的重大區別、拱腳推力釋放及拱內力改變對屋面坡度的敏感性、拱腳水平位移對拱頂位移的影響、由拱結構轉變成梁結構的可能性、拱腳適宜的構造形式、為克服拱腳推力釋放應采用的施工措施等，可作為鋼結構設計與安裝施工人員的參考。
[關鍵詞] 斜拱；梁；拱腳推力
1 前言
門式剛架輕鋼結構房屋在我國近十幾年來發展非常之快，因為這種鋼結構配之以輕型圍護體系后，用于各種大跨度廠房、倉庫、超市等有著鋼筋砼結構不可相比的優勢：結構重量輕、建筑布置靈活、建造速度快、造價成本低、建筑具有現代氣息又符合國家綠色建筑可持續發展方向。經過這十幾年的發展，再加上計算軟件的普及，國內一般的設計院大多能進行這類鋼結構的設計（詳圖設計除外），但這種看似簡單的鋼結構在工程實踐中卻出現不少的問題，其中最典型的問題之一就是在砼柱上連接一個人字形鋼斜梁屋蓋，這種結構外形像門式剛架，設計人員參考《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS102來設計，可能會出問題，規程CECS102的適用范圍是不包括這種結構的。這種結構實際上是“拱”，可稱之謂“兩鉸直線拱”或“斜拱”（Inclined Arch），但因為構件中除了較大的軸向壓力外，又有較大的彎矩，因此它不是純粹的拱而帶有一些梁的特性，工程中出問題的根源是設計者和施工者沒有注意到“拱”與“梁”的重大區別，他們將此結構看成是混合門式剛架，將拱構件按梁構件進行設計與施工，殊不知，門式剛架的重要條件是邊柱與梁之間必需剛接，邊柱與梁之間鉸接則成為混合排架，而混合排架上只能是剛度較大的梁不能是拱。這種不夠合理的結構形式之所以在我國得到較多的應用，在業主方面的原因是：為了建筑防腐或防火的方便用砼柱代替鋼柱，或是在多層砼結構上蓋一個大跨度的鋼屋面以得到一個大跨度的頂層空間，也有在舊有砼結構建筑屋頂上改造或擴建一個大跨度空間層需要這樣做；在設計院方面：一些工程師們在并不熟悉這種結構特征的情況下，以常規門式剛架的概念設計這種斜拱結構，他們沒有注意到這種結構形式的技術特點和施工中容易發生的特殊問題。這種結構形式的出現，也可能與工程總包單位不適當的干與有關。
本文根據工程實踐中出現的問題從設計和施工兩方面闡述這種結構的技術特點和問題所在，供有關技術人員參考。
2 設計方面的問題
由于人字形斜拱除了有較大的軸向壓力還有較大的彎矩，它同時具有拱和梁的兩種特性，因此將其稱之謂“斜梁拱”更便于問題的討論。斜梁拱與砼柱頂的連接通常只能做成鉸接，其計算簡圖見圖1所示。文[1]和文[2]給出了斜梁拱的內力分析及撓度計算方法，它有兩個極為重要的技術特征：一是斜梁拱腳具有很大的水平推力，此水平推力使斜梁產生反向彎曲，導致其彎矩大大減小及斜梁拱頂向下的位移大大減小，這是對結構有利的方面；二是斜梁拱腳的水平位移△將使斜梁拱頂處產生同步位移δ=Δ/（2i）（i為屋面坡度，見圖1），
圖1斜梁拱模型
同時水平推力釋放，導致彎矩增大，這是對結構有害的方面。不注意這兩個重要的技術特點（一般設計新手注意不到這兩個技術特點），將會使實際工程斜梁拱結構的內力和拱頂的位移大大改變，從而導致嚴重的質量和安全問題。為考察這種結構的技術特點，現以一個24m跨斜梁拱為例用STAAD/pro軟件按彈性理論進行計算，斜梁坡度按1/5、1/10、1/20三種情況，斜梁截面尺寸為H500×180×4×10，豎向荷載q＝-7.47kN/m，可得到表1和圖2～圖4之結果，從中可以得出以下幾點結論：
(1)對于工程中常用的屋面坡度，拱腳無水平位移時，斜梁坡度越小，水平推力越大，拱頂豎向位移越大；
(2)拱腳水平推力隨其水平位移的釋放而減小，坡度越小，越敏感；拱頂豎向位移隨拱腳水平位移的釋放而增大；
(3)斜梁拱最大彎矩隨拱腳釋放水平位移而迅速增大，坡度越小越敏感。
(4)斜梁坡度大時，P-△效應不明顯，坡度小時，P-△效應會增加一點水平推力和拱頂的位移。
不管坡度如何，只要拱腳無水平位移約束，則斜梁失去成拱的條件，轉變成簡支梁，其內力和撓度將按照簡支梁規律；坡度越小對拱腳水平位移約束條件需要越嚴格，否則，斜梁拱越容易轉變成簡支梁。本算例進一步的計算表明，當斜梁坡度為 且拱腳水平位移為64mm時，拱頂的位移與同跨度的簡支梁撓度相同，此時，反推力為零（參見圖2中標志有“Δ”的曲線下端），拱腳再有位移約束也不能起作用，斜梁完全失去成拱的條件，只是相當于有予起拱的簡支梁而已，當然，此時的彎矩等同于簡支梁，如果再增加荷載則斜梁拱成為有下撓的彎梁。
構的條件，此時的斜梁已接近于簡支梁模式，參考表1注3可知，按簡支梁彎矩將放大到5.39倍，梁頂位移也將極大地增加。盡管施工時的結構自重不到設計總荷載的1/3，但由于彎矩放大到5倍，已足以威脅到結構的安全，拱頂的位移也大大超過設計的限定值，這在施工中是必須禁止的。
3. 施工安裝方面的問題
由于斜梁拱有很大的水平推力，對于拱腳水平位移又非常敏感，設計人員應謹慎考慮下部鋼筋砼結構的柱頂在水平推力作用下的設計及其柱頂位移對斜梁拱的影響等問題。在砼柱上斜梁拱的施工安裝時，施工者沒有注意此種結構的特殊問題，沒有采用專門的措施來保證拱腳的推力，仍像普通門式剛架的柱底那樣施工，見圖5，這樣就要出大問題，因為斜梁的水平反推力遠遠大于門式剛架的柱底水平反力，施工中失去反推力意味失去形成斜梁拱的條件。另一方面，圖5中的砼灌漿層通常為素砼，柱子的主筋和箍筋到不了這個位置，素砼的抗剪能力不足于抵抗這個水平反推力，設柱子斷面為800×400mm，砼灌漿層為C40，則素砼的抗剪能力為0.07fcbh=0.07×19.5×400×800=437kN ，對比表1中拱腳無水平位移的水平推力可知（如考慮砼柱頂的側移后，反推力會有所降低），當斜梁的坡度較小時，這樣的節點難以滿足要求，應采用圖6或圖7的形式，但這樣的連接更趨于剛接的性質，對于砼柱頂局部受力不利，宜考慮采用薄型底板并去掉兩邊的勁板使之趨于鉸接。鋼筋砼結構設計者容易從自身角度出發，提出在拱腳處開長圓孔以消除水平推力，使砼柱的配筋來的方便，這是不行的，這樣做斜梁不能成為拱結構，既然不希望有水平推力，不如采用按排水坡度做成變截面簡支梁，既有利于排水，又符合彎矩圖規律，且省去了水平推力的麻煩問題，這用于跨度不大的屋蓋梁是非常合理的。此外，如果在斜梁下面設有拉桿，則可消除水平推力，使其拱腳處安裝如簡支梁一樣方便簡單，但下設拉桿的做法需要考慮風吸力作用下，拉桿退出工作的工況。
（1）對于需要砼灌漿的柱頂處（見圖5，應盡量避免采用這種支座形式），在跨中設立臨時支柱，使斜梁拱暫時變成兩跨連續梁模式不再有水平反推力，待柱頂的砼灌漿已完全凝固后再拆除臨時支柱。
（2）對于現場焊接的柱頂支座（見圖6和圖7），應在砼澆筑時控制好柱頂標高并在砼柱頂預埋抗剪鋼板，在安裝鋼斜梁脫離吊鉤前，用經緯儀等定位好斜梁坡度（宜稍提高一點坡度），將其焊牢在柱頂的預埋鋼板上，對于預埋鋼板與斜梁之間存在的間隙可加塞楔片處理。
4．工程實例與小結
下面的工程實例問題，是因為設計和施工沒有注意到斜梁拱反推力或砼柱頂構造問題而產生的：
2003年建造的浙江某棉織品廠房，為3層的鋼筋砼結構，在其砼柱頂上設計有坡度為8%（即1/12.5）的36m跨斜梁拱，拱腳構造如圖5，設計施工圖中無任何拱腳止推構造，也無任何專門施工措施保證反推力，雖然屋面材料輕，但由于坡度小跨度大(文獻[1]和[2]建議坡度不小于1/12，跨度不大于30m)，施工完成后屋蓋有出乎意料的下撓，原設計的平面吊頂成明顯的下撓窩形，通風管道不得不下移140mm安裝，此外，由于施工階段的反推力已釋放，斜梁的彎矩已大大超過設計值。
類似工程實例不擬一一列舉。
小結：
（1）砼柱頂連接鋼斜梁拱結構既不是混合門式剛架也不是混合排架，因其拱腳有較大反推力的存在，是一種不夠合理的結構形式，在工程上應盡可能避免采用；
（2）鋼斜梁拱結構的設計應有嚴格的限制條件：屋面材料是輕型的、屋面坡度不能太小、跨度不能太大，此外，應特別注意拱腳的反推力問題和砼柱頂的構造措施；
（3）在安裝時要有專門的施工措施來保證施工階段的拱腳反推力符合設計要求。
參考文獻
1．魏潮文、陳友泉。混凝土柱上輕鋼屋蓋兩鉸直線拱設計。建筑結構，2005，35（2）。
2．魏潮文、弓曉蕓、陳友泉。輕型房屋鋼結構應用技術手冊。中國建筑工業出版社，2005年。
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