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砼柱頂上鋼斜梁拱的設(shè)計與施工問題討論

作者：蔡益燕    
時間：2009-12-22 20:26:20 [收藏]
[B]砼柱頂上鋼斜梁拱的設(shè)計與施工問題討論[/B]
    砼柱頂上鋼斜梁拱的設(shè)計與施工問題討論

    蔡益燕 陳友泉

    (中國建筑標準設(shè)計研究院，北京100044；浙江杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司，杭州310003)


    [摘要] 討論了砼柱頂上鋼斜梁拱結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點及在設(shè)計與施工方面存在的特殊問題：拱結(jié)構(gòu)與梁結(jié)構(gòu)的重大區(qū)別、拱腳推力釋放及拱內(nèi)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成梁結(jié)構(gòu)的可能性、拱腳適宜的構(gòu)造形式、為克服拱腳推力釋放應(yīng)采用的施工措施等，可作為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與安裝施工人員的參考。
    [關(guān)鍵詞] 斜拱；梁；拱腳推力

    1 前言
    門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)房屋在我國近十幾年來發(fā)展非常之快，因為這種鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不可相比的優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)重量輕、建筑布置靈活、建造速度快、造價成本低、建筑具有現(xiàn)代氣息又符合國家綠色建筑可持續(xù)發(fā)展方向。經(jīng)過這十幾年的發(fā)展，再加上計算軟件的普及，國內(nèi)一般的設(shè)計院大多能進行這類鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計（詳圖設(shè)計除外），但這種看似簡單的鋼結(jié)構(gòu)在工程實踐中卻出現(xiàn)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(jié)構(gòu)外形像門式剛架，設(shè)計人員參考《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102來設(shè)計，可能會出問題，規(guī)程CECS102的適用范圍是不包括這種結(jié)構(gòu)的。這種結(jié)構(gòu)實際上是“拱”，可稱之謂“兩鉸直線拱”或“斜拱”（Inclined Arch），但因為構(gòu)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(shè)計者和施工者沒有注意到“拱”與“梁”的重大區(qū)別，他們將此結(jié)構(gòu)看成是混合門式剛架，將拱構(gòu)件按梁構(gòu)件進行設(shè)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(jié)構(gòu)形式之所以在我國得到較多的應(yīng)用，在業(yè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計院方面：一些工程師們在并不熟悉這種結(jié)構(gòu)特征的情況下，以常規(guī)門式剛架的概念設(shè)計這種斜拱結(jié)構(gòu)，他們沒有注意到這種結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)特點和施工中容易發(fā)生的特殊問題。這種結(jié)構(gòu)形式的出現(xiàn)，也可能與工程總包單位不適當(dāng)?shù)母膳c有關(guān)。
    本文根據(jù)工程實踐中出現(xiàn)的問題從設(shè)計和施工兩方面闡述這種結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點和問題所在，供有關(guān)技術(shù)人員參考。
    2 設(shè)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?shù)倪B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(nèi)力分析及撓度計算方法，它有兩個極為重要的技術(shù)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(chǎn)生反向彎曲，導(dǎo)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(jié)構(gòu)有利的方面；二是斜梁拱腳的水平位移△將使斜梁拱頂處產(chǎn)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(dǎo)致彎矩增大，這是對結(jié)構(gòu)有害的方面。不注意這兩個重要的技術(shù)特點（一般設(shè)計新手注意不到這兩個技術(shù)特點），將會使實際工程斜梁拱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和拱頂?shù)奈灰拼蟠蟾淖儯瑥亩鴮?dǎo)致嚴重的質(zhì)量和安全問題。為考察這種結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點，現(xiàn)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(jié)果，從中可以得出以下幾點結(jié)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(yīng)不明顯，坡度小時，P-△效應(yīng)會增加一點水平推力和拱頂?shù)奈灰啤?br /> 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(zhuǎn)變成簡支梁，其內(nèi)力和撓度將按照簡支梁規(guī)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(zhuǎn)變成簡支梁。本算例進一步的計算表明，當(dāng)斜梁坡度為 且拱腳水平位移為64mm時，拱頂?shù)奈灰婆c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(dāng)于有予起拱的簡支梁而已，當(dāng)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?lián)系膹澚骸?br />





    構(gòu)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(jié)構(gòu)自重不到設(shè)計總荷載的1/3，但由于彎矩放大到5倍，已足以威脅到結(jié)構(gòu)的安全，拱頂?shù)奈灰埔泊蟠蟪^設(shè)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(shè)計人員應(yīng)謹慎考慮下部鋼筋砼結(jié)構(gòu)的柱頂在水平推力作用下的設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)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?shù)膫?cè)移后，反推力會有所降低），當(dāng)斜梁的坡度較小時，這樣的節(jié)點難以滿足要求，應(yīng)采用圖6或圖7的形式，但這樣的連接更趨于剛接的性質(zhì)，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(jié)構(gòu)設(shè)計者容易從自身角度出發(fā)，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(jié)構(gòu)，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(guī)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(shè)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(shè)拉桿的做法需要考慮風(fēng)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(yīng)盡量避免采用這種支座形式），在跨中設(shè)立臨時支柱，使斜梁拱暫時變成兩跨連續(xù)梁模式不再有水平反推力，待柱頂?shù)捻殴酀{已完全凝固后再拆除臨時支柱。
    （2）對于現(xiàn)場焊接的柱頂支座（見圖6和圖7），應(yīng)在砼澆筑時控制好柱頂標高并在砼柱頂預(yù)埋抗剪鋼板，在安裝鋼斜梁脫離吊鉤前，用經(jīng)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?shù)念A(yù)埋鋼板上，對于預(yù)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(jié)
    下面的工程實例問題，是因為設(shè)計和施工沒有注意到斜梁拱反推力或砼柱頂構(gòu)造問題而產(chǎn)生的：
    2003年建造的浙江某棉織品廠房，為3層的鋼筋砼結(jié)構(gòu)，在其砼柱頂上設(shè)計有坡度為8%（即1/12.5）的36m跨斜梁拱，拱腳構(gòu)造如圖5，設(shè)計施工圖中無任何拱腳止推構(gòu)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?lián)?，原設(shè)計的平面吊頂成明顯的下?lián)细C形，通風(fēng)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(shè)計值。
    類似工程實例不擬一一列舉。

    小結(jié)：
    （1）砼柱頂連接鋼斜梁拱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式，在工程上應(yīng)盡可能避免采用；
    （2）鋼斜梁拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)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(yīng)特別注意拱腳的反推力問題和砼柱頂?shù)臉?gòu)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(shè)計要求。
    參考文獻
    1．魏潮文、陳友泉?；炷林陷p鋼屋蓋兩鉸直線拱設(shè)計。建筑結(jié)構(gòu)，2005，35（2）。
    2．魏潮文、弓曉蕓、陳友泉。輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)手冊。中國建筑工業(yè)出版社，2005年。
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