这两年发生多起钢屋面结构坍塌事件，住建部今年还开展了专项检查行动，但是就在11月18日，又见吉林省白城市的一滑冰馆的钢屋面结构发生了坍塌，并且最近这次可以排除大雪等偶然超载因素的存在。结构发生坍塌的原因可能有许多，比如大雪、违规堆载、施工质量等等，但是同类型的结构屡次发生类似的事故，不仅让人怀疑是否在结构设计中存在系统性的问题。本文从钢屋面梁支座节点设计的角度进行探讨，希望能够为大家提供参考。
坍塌钢屋面的典型结构特征
起坡钢屋面梁的支座推力和位移
在实际工程中，屋面通常存在3%~5%的坡度，特殊情况下坡度可能更大。由于与下部结构不同，因此在结构设计时，这类屋面钢梁一般按照简支梁进行计算，并且由于屋面坡度较小，计算时忽略坡度的影响。按照这种计算方法，屋面梁两端的支座处仅存在竖向反力，因此梁端支座连接节点的设计很简单，特别是锚栓不受力，仅作为限位构造。但是，在实际施工中，往往利用锚栓直接将梁端与下方钢筋混凝土结构进行连接，这种情况下水平位移一定程度上受到限制，节点处可能存在水平推力。
假定钢屋面梁的跨度为L，双坡对称屋面，跨中的起坡高度为h（图1），梁上作用均布竖向线荷载qy（相对于投影面）。
支座水平推力：
支座水平位移：
上式可知单侧水平位移与跨中竖向位移成正比，两者之比即为坡度。如果其中一侧的水平位移被约束，那么另外一侧的水平位移为上式的2倍。
典型算例：
假定钢屋面梁跨度为25m，截面为H850x250x12x16，梁上的均布线荷载标准值为10kN/m，设计值为14kN/m。
从坡度为零开始，水平推力随着坡度的增加逐步增大，在5%左右达到最大值竖向反力的约7倍，继续增大坡度，两反力的比值逐步减小。
如果记坡度r =2h/L，考虑荷载标准值组合，可以求得梁跨中的竖向挠度为：127.36mm，单侧支座处的水平位移为127.36r (mm)，一侧水平位移约束时则为：254.72r (mm)。
起坡钢屋面梁的支座设计建议
如前文所述，当存在屋面起坡时，钢屋面梁在竖向荷载的作用下可能存在非常可观的水平推力，在常见的3%~5%的坡度范围内，水平推力的大小可达支座竖向反力的数倍，这个必须引起设计人员的重视。否则，可能导致支座处的锚栓剪断（图3），从而导致支座滑落、梁端截面由于抗扭约束不足而发生失稳或者倾覆（见“简支钢梁端部支座的抗扭刚度和强度要求”）等事故。
对此问题，笔者建议在进行类似结构的支座设计时，可以采取以下措施：
（1）在支座处采用特殊的构造，允许支座的水平滑动，但是这种情况下必须注意梁端截面的抗扭构造，否则易引起稳定或倾覆问题；
（2）在进行支座节点连接设计时按实际建模，并将梁端水平位移约束，计算得到的反力作为梁端支座连接节点的设计荷载；
（3）钢屋盖的支座设计满足“不能让坍塌事故再发生：增加钢屋盖结构的鲁棒性”一文的要求，即（a）钢梁或钢桁架屋盖：每一支座在两个水平垂直方向上均需进行水平抗剪验算，水平剪力的大小取恒活设计组合下支座反力的1/2，且不小于75kN；在验算垂直于边线方向的支座抗拉承载力时，拉力大小应不小于恒活设计组合下该支座受到的压力。（b）钢支座下方混凝土构件要求：直接支承钢屋盖支座的下部钢筋混凝土结构，应布置有封闭的钢筋混凝土圈梁（或框架梁），圈梁（或框架梁）内应能够抵抗75kN/m的水平荷载作用。
在满足第（3）条时，即使跨中的钢梁由于偶然超载等原因发生屈服或失稳，只要屋面梁中间连接节点不断裂，两侧支座均有能力拉住屋面梁而不发生坠落，这样可以保证下方人员的安全。
如有侵权，请联系我们删除
