大跨度混合结构框架.pdf

大跨度混合结构框架，包括钢筋砼柱、钢骨砼柱和横梁，钢骨砼柱由钢骨、配筋和混凝土组成，钢骨纵截面为倒置的L型，配筋和混凝土均匀交叉分布于钢骨竖直部分的外表面，钢骨下端面通过螺栓与钢筋砼柱上端面连接且钢骨竖直部分和钢筋砼柱在同一轴线上，横梁横跨于两钢骨砼柱之间，且横梁两端通过高强螺栓与钢骨上端的水平部分连接。本发明结构简单，横梁起吊后通过螺栓与钢筋砼柱连接，取消了高支模体系每平方米2吨满堂红钢管脚手架的安装过程和拆除过程，取消了高支模施工方法的专家专题论证，降低了施工难度和施工成本，缩短了施工周期；各构件间采用刚性连接，提高受力能力，延长使用寿命。

1.  大跨度混合结构框架，其特征在于：包括钢筋砼柱、钢骨砼柱和横梁，钢骨砼柱由钢骨、配筋和混凝土组成，钢骨纵截面为倒置的L型，配筋和混凝土均匀交叉分布于钢骨竖直部分的外表面，钢骨下端面通过螺栓与钢筋砼柱上端面连接且钢骨竖直部分和钢筋砼柱在同一轴线上，横梁横跨于两钢骨砼柱之间，且横梁两端通过高强螺栓与钢骨上端的水平部分连接。

2.  如权利要求1所述的大跨度混合结构框架，其特征在于：所述横梁为钢梁，钢梁的截面高度数值为横梁的跨度数值的1/20。

3.  如权利要求1所述的大跨度混合结构框架，其特征在于：所述钢骨高度i_柱/i_梁=2，i_梁为横梁截面高度。

4.  如权利要求1所述的大跨度混合结构框架，其特征在于：所述钢骨为H型钢。

大跨度混合结构框架
技术领域
本发明涉及一种大跨度厂房建筑支撑结构，尤其涉及一种大跨度混合结构框架。 
背景技术
烟草工厂联合工房中的高架库是生产物流系统中的重要建筑之一，它的主要建筑使用功能多为原烟库、辅料库、成品库、醇化库等，柱网和层高要求一般为柱列方向6米~9米，跨度方向18米~42米，跨数为单跨或多跨，建筑高度为单层厂房高度为24米。它的主要工艺使用要求多为恒温、恒湿、防尘、防虫、防结露。 
目前行业内高架库结构选型根据项目工艺要求和建筑造型要求，采用的结构形式比较简单，有以下几种： 
1.普通钢筋砼框架结构
采用普通钢筋砼技术，按建筑造型要求搭建高支模满堂钢管脚手架，确保梁板砼浇筑后脚手架有足够的承载能力。绑扎梁板钢筋，现浇梁、板砼，达到强度后拆除钢管脚手架。
2.预应力钢筋砼框架结构 
采用无粘结预应力砼张拉技术，按建筑造型要求搭建高支模满堂钢管脚手架，确保梁板砼浇筑后脚手架有足够的承载能力，绑扎梁板钢筋，现浇梁、板砼。达到强度后张拉框架梁，达到预应力强度拆除钢管脚手架。
3.普通钢筋砼排架结构 
采用局部脚手架现浇普通钢筋砼柱，达到强度后，吊装屋面钢梁，安装金属屋面轻钢彩板。
4.普通钢框架结构 
吊装钢框架柱、安装钢框架梁及金属屋面轻钢彩板。
现有技术存在的不足： 
      高架库建筑面积较大，一般多为数万平米，是一栋独立建筑，大多情况下它是联合工房的一部分，与工房建筑有机的融合为一体，其立面效果和建筑材料都要和工房建筑协调一致。在上述结构形式中，前三种基本能够满足要求，梁跨度≤24米时采用普通钢筋砼现浇梁， 24米＜梁跨度≤36米时采用预应力钢筋砼现浇梁。但存在不足是：
   高支模施工难度大：单层厂房高度为24米，支模高度约22米，属于高支模体系，梁顶板支撑采用扣件式钢管脚手架，立杆间距为900mm×900mm，横杆间距900mm，步距1200mm，为保证高支模平面外整体稳定，在厂房的两端和中部沿厂房高度还要设置通高的剪刀叉竖向支撑。高支模安装和拆除存在有较大危险性。为解决施工期间高支模以上结构的承重问题，在钢管脚手架安装前应完成300mm厚钢筋砼临时施工地坪。在行业的建筑中曾发生多起由于脚手架拆除不当造成脚手架倒塌人员伤亡事故。
建筑施工周期长：钢管脚手架的安装和拆除以及300mm厚钢筋砼临时施工地坪的施工就要多花费数月时间。 
工程造价高：高支模仅脚手架租赁费用就需要增加每天约2元/㎡。 
若采用普通钢框架结构（钢框架柱、钢框架梁、板轻钢彩），虽然能满足工艺使用要求，但建筑立面效果和建筑材料都很难和工房建筑协调一致，建筑使用寿命上和运维方面也要受到折减。 
发明内容
针对现有技术中存在的不足，我们结合项目工程特点、参考民用项目中的设计技术，运用有限元复杂分析计算程序，将钢骨砼技术与大跨度钢结构技术有机结合，提出一套新型的结构体系，能简化施工方法，解决各节点刚性连接问题。 
具体技术方案为：大跨度混合结构框架，包括钢筋砼柱、钢骨砼柱和横梁，钢骨砼柱由钢骨、配筋和混凝土组成，钢骨纵截面为倒置的L型，配筋和混凝土均匀交叉分布于钢骨竖直部分的外表面，钢骨下端面通过螺栓与钢筋砼柱上端面连接且钢骨竖直部分和钢筋砼柱在同一轴线上，横梁横跨于两钢骨砼柱之间，且横梁两端通过高强螺栓与钢骨上端的水平部分连接。 
所述横梁为钢梁，钢梁的截面高度数值为横梁的跨度数值的1/20。 
所述钢骨高度i_柱/i_梁=2，i_梁为横梁截面高度。 
所述钢骨为H型钢。 
本发明结构简单，横梁起吊后通过螺栓与钢筋砼柱连接，取消了高支模体系每平方米2吨满堂红钢管脚手架的安装过程和拆除过程，取消了高支模施工方法的专家专题论证，降低了施工难度和施工成本，缩短了施工周期；各构件间采用刚性连接，提高受力能力，延长使用寿命。 
附图说明
图1为本发明结构示意图； 
图2为本发明钢筋砼柱和钢骨砼柱的连接示意图；
图3为图2中A-A向剖视图；
图4为对应钢骨砼柱的横梁弯矩包络图；
图5为对应普通混凝土柱的横梁弯矩包络图；
图6为钢骨砼柱在恒载作用下的X向弯矩图；
图7为普通混凝土柱在恒载作用下的X向弯矩图；
图8为钢骨高度=1.5倍横梁截面高度时的横梁位移图；
图9为钢骨高度=1.5倍横梁截面高度时的横梁主拉应力图；
图10为钢骨高度=1.5倍横梁截面高度时的横梁主压应力图；
图11为钢骨高度=2倍横梁截面高度时的横梁位移图；
图12为钢骨高度=2倍横梁截面高度时的横梁主拉应力图；
图13为钢骨高度=2倍横梁截面高度时的横梁主压应力图；
图14为钢骨高度=2.5倍横梁截面高度时的横梁位移图；
图15为钢骨高度=2.5倍横梁截面高度时的横梁主拉应力图；
图16为钢骨高度=2.5倍横梁截面高度时的横梁主压应力图；
图17为钢骨高度=3倍横梁截面高度时的横梁位移图；
图18为钢骨高度=3倍横梁截面高度时的横梁主拉应力图；
图19为钢骨高度=3倍横梁截面高度时的横梁主压应力图；
图20为钢骨高度=3.5倍横梁截面高度时的横梁位移图；
图21为钢骨高度=3.5倍横梁截面高度时的横梁主拉应力图；
图22为钢骨高度=3.5倍横梁截面高度时的横梁主压应力图；
图23为钢骨高度=4倍横梁截面高度时的横梁位移图；
图24为钢骨高度=4倍横梁截面高度时的横梁主拉应力图；
图25为钢骨高度=4倍横梁截面高度时的横梁主压应力图；
具体实施方式
如图1和图2所示所示，大跨度混合结构框架，包括钢筋砼柱1、钢骨砼柱2和横梁3，钢骨砼柱2由钢骨4、配筋5和混凝土6组成，钢骨4纵截面为倒置的L型，配筋5和混凝土6均匀交叉分布于钢骨4竖直部分的外表面，钢骨4下端面通过螺栓与钢筋砼柱1上端面连接且钢骨4竖直部分和钢筋砼柱1在同一轴线上，横梁3横跨于两钢骨砼柱2之间，且横梁3两端通过高强螺栓7与钢骨4上端的水平部分连接。 
钢筋砼柱1为普通混凝土柱，在施工时，先根据具体施工图纸确定钢筋砼柱1的位置，然后加工配筋进行混凝土浇筑，并在钢筋砼柱1上端预埋与钢骨4配合的地脚螺栓；在钢筋砼柱1达到一定硬度时，将钢骨4的下端通过地脚螺栓竖直固定于钢筋砼柱1上端面，在钢骨4的竖直部分8外侧面绑扎配筋5，然后浇筑混凝土6；待混凝土6达到一定硬度时，通过起吊设备起吊横梁3，将横梁3两端通过高强螺栓7与钢骨4的水平部分9连接；最后根据需要选择相应材质的材料作为屋面铺设于横梁3上端面。 
在施工前，可根据实际情况调整横梁3两端钢筋砼柱1的高度，使横梁3具有一定坡度。 
所述钢骨为H型钢，其使用较为普遍，成本低且受力能力强。 
为对本发明进行受力分析，证明其可靠性，现将建筑物高度取23米，跨度取27米，钢筋砼柱1取高度为18.450米且截面为800×1000的普通钢筋混凝土柱，横梁3取H型钢梁，截面为H1600×450×25×28，屋面板为120mm厚混凝土板，钢骨4取H型钢，截面为H700×450×14×25，钢骨4高度为4550mm。 
为了分析在计算中柱中钢骨4的作用，可采用PKPM软件计算的横梁3弯矩包络图来进行对比。图4中柱为钢骨砼柱情况下的横梁3弯矩包络图，可见梁端弯矩为3942kNmm，梁跨中弯矩为5189 kNmm，图5为同一位置处柱为普通混凝土柱情况下的横梁3弯矩包络图，可见此时梁端弯矩为3787 kNmm，梁跨中弯矩为5336 kNmm，与第一种情况下分别相差（3942-3787）/3942=3.9%和（5336-5189）/5336=2.7%，可见两者相差很小。 
再比较钢骨砼柱和普通混凝土柱在恒载作用下的X向弯矩，分别如图6和图7所示，图6 中钢骨砼柱的柱顶最大弯矩为1899 kNmm，图7中普通混凝土柱的柱顶最大弯矩为1785kNmm，与第一种情况相差（1899-1785）/1899=6.0%，两者相差也不大。 
另外可以根据图6、图7中柱的弯矩图，可以求得柱的反弯点位置。图6中钢骨砼柱的反弯点距柱底8241mm，约在柱的8241/24000=0.34高度处，图7中普通混凝土柱的反弯点距柱底8021mm，约在柱的8021/24000=0.33高度处，两者的反弯点位置也基本相同。 
 对比两种情况下的横梁3内力及反弯点位置，可见原施工图中设置4550mm长的钢骨4只是起到了对横梁3固结的作用，对横梁3的内力影响并不大，钢骨4对柱提供的抗弯刚度无明显影响，由此可以考虑配筋5按照普通混凝土柱计算所得的钢筋面积进行设计，可以对钢骨4高度进行适当的优化。 
    为了更详细的分析此种结构形式的受力特征，确定合理的钢骨4度，现采用有限元分析软件Midas FEA对高架库进行实体单元的有限元分析。具体可分以下步骤： 
（1）建立实体模型
    首先分别建立混凝土柱、型钢横梁、钢骨以及柱内配筋的2D模型，再采用布尔运算的并集将型钢横梁与钢骨形成一个统一的实体，协同受力，然后采用布尔运算的差集将混凝土柱与横梁、钢骨重合部分挖去，这样就在划分网格时形成一个在同一节点相同应变的协同变形的单元网格。
（2）建立材料特性 
    分别建立混凝土、钢材、钢筋三种材料特性。混凝土采用弹性本构关系GB(RC)_C30，型钢和钢筋采用范梅塞斯模型，分别输入材料的弹性模量、重量密度、泊松比、初始屈服应力等参数。
（3）划分网格 
    采用自动实体网格工具分别划分混凝土柱和型钢等实体单元，根据计算精度以及计算时间需要，可以将单元大小设置为200，并同时把前一阶段建立的材料特性赋予单元。由于采用的布尔运算建立的实体，划分网格时可见在两种材料接触处单元划分是协同的，这样就可以保证在同一节点的应力应变是相同的。接着采用自动线网格工具划分钢筋单元，Midas FEA可以自动将钢筋与混凝土的变形协同。
（4）建立边界条件 
   可在钢筋砼柱底端建立固结边界，约束柱底的位移及转动，模拟基础对柱的约束，
（5）施加荷载
荷载主要有构件自重、屋面板传来的恒载、活载以及水平和竖向地震作用等。构件自重可以在软件中设置自动加载。原施工图设计中板上恒载为6 kN/m²，活载2 kN/m²，考虑竖向地震系数0.25，可计算得竖向力为0.2162N/mm²，加载到梁上的每个单元。水平地震作用可采用底部剪力法进行简化计算，加载到柱头为0.0284 N/mm²。
（6）结果分析 
    首先Midas FEA计算时不需要类似PKPM中层的概念，柱子的计算也不需要进行计算长度的修正，可以真实的模拟现实中柱子的受力情况。
经Midas FEA计算首先可以对原施工图设计中的横梁高度进行优化，原设计中钢梁截面为H1600×450×25×28，经计算可以在应力满足要求的前提下优化到H1300×450×25×28。可见这种大跨度重型屋面（120mm混凝土屋面板）的钢梁在按照强度设计时截面高度可以做到1/20L（L为梁的跨度，1300/27000=1/20.7）左右。即能达到受力要求，又能节约材料，降低建设成本。 
为了更详细的分析钢骨4高度对横梁的影响，优化钢骨的插入长度，根据不同的柱内钢骨长度可以得到不同的横梁应力及挠度，如图8-图25所示: 
将以上图形中的主要数据提取出来可以形成表1。依据钢骨4的高度与横梁截面高度的比值可以计算出梁柱的线刚度比值。由此可以得出两者之间的关系表。
  

表1
由钢梁挠度、主拉应力、主压应力与钢骨高度及线刚度的比值的关系可以看出，钢梁的挠度的绝对值、主拉应力、主压应力的绝对值随着钢骨柱的插入深度的减小而增大，且基本均在钢骨柱插入2倍的梁高时即梁柱线刚度比i_柱/i_梁在2倍左右时较前一级增大较多，而在插入深度大于2倍以上时钢梁的应力变形等变化并不大。
    由此可见逐渐的减短钢骨的插入深度会引起钢梁的应力变形等向不利方向发展，会产生即使优化了钢骨的高度却带来必须增加钢梁截面的结果，这样也不会降低钢材的用量，达到节约成本的目的。另一方面在保证钢骨有一定插入深度后再继续增加钢骨长度，这时对钢梁的有利影响并不明显，会造成钢骨的浪费。为了达到一个合理平衡的状态：可以得出这一合理的临界点在钢骨柱=2倍的梁高时即梁柱线刚度比i_柱/i_梁在2倍时，既满足受力计算要求，又节约钢材的目标。