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中圖分類號：G6420 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）02-0098-05
路基路面工程是土木工程（交通土建）專業和交通工程專業實踐性很強的主要專業課之一，對培養道路工程應用型人才起重要作用。課程主要研究路基路面的基本概念、設計原理、計算方法和施工管理技術等內容。由于公路工程技術的不斷發展，交通部在1995年后陸續頒布了《公路路基設計規范》（1995年）、《公路路基施工技術規范》（1995年）、《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》（1996年）、《公路排水設計規范》（1996年）、《公路瀝青路面設計規范》（2006年）、《公路改性瀝青路面施工技術規范》（1998年）、《水泥混凝土路面設計規范》（2011年）等。但是，全國多數高校所用的路基路面工程教材的出版跟不上規范更新的步法，規范中的新內容在教科書中沒有及時更新，這就給正常的授課帶來較大困難。如果完全依照現有教材講解，有些內容已經在道路工程實際設計或使用中不再適用，這樣的教學會對學生形成一種誤導。如果按照新出版規范授課，無論學生還是教師，都沒有可作為授課的合適教材，這就給課堂教學帶來極大困難。為此也有一些學者對這方面的教學內容進行了探討和研究[1-2]。
基于上述原因，針對新舊規范的不同之處，結合課程對應的不同授課學時要求和教育部關于土木工程專業建設的要求[3]，對2009版路基路面工程課程教學大綱[4]進行了修改。重點是教學內容的增減、教學方法的改變、作業布置方案的變化、習題課的增加等。根據瀝青路面結構設計和水泥路面結構設計的新規范[5-6]，重點介紹新規范中主要的修改內容，包括設計理論和設計方法，講解現行瀝青和水泥路面結構設計分析的詳細計算過程。通過對比論述，提醒學生注意新規范的修改之處對實際工程中道路設計結果的影響。根據上述修改內容，基于實際工程結構資料，編寫了多個適用的算例，方便學生學習使用。
一、基于新規范下教學內容的修改和增補
（一）瀝青路面設計章節教學內容的修改增補
1.新規范中修改內容簡介
較上一版規范（JTJ 014―97）《公路瀝青路面設計規范》，新規范[5]中新增內容主要表現在：
（1）強調按實際情況做好交通荷載分析與預測，按照全壽命周期成本的理念進行路面設計。
（2）采取防止早期損壞的技術措施，加強材料、混合料和路面結構組合設計的要求，增加柔性基層、貧混凝土基層等設計內容。
（3）細化半剛性基層混合料繼配類型，調整集料繼配范圍，補充了二灰穩定集料抗凍性設計要求。
（4）路面厚度計算方法在參數取值和舊路補強公式上有所改進。
（5）增加了舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層設計內容。
（6）補充了水泥混凝土橋面瀝青鋪裝設計內容。
2.多層體系路面結構向三層體系轉換
由于最新規范的設計計算是基于配套出版或其他正式出版的路面結構設計軟件（如HPDS2011）而進行設計計算的，如果沒有這些軟件，路面結構設計就無從下手。換句話說，最新規范中在已知某些路面結構設計參數（如交通量、道路等級、設計年限、各層路面結構材料參數等）的基礎上，只介紹了如何基于軟件進行道路最終結構的調試和設計，沒有介紹這些軟件是基于哪些計算公式，如何對路面進行中間的計算和最后結果的選擇。況且，最新出版的相關教材，也沒有再介紹如何利用手算方法進行多層路面結構的設計和計算。另外，以學校目前的教學條件，在授課過程中，還不能做到所有學生均配備計算機，加上軟件計算的中間過程學生不熟悉，無法更深層次地理解多層路面結構的理論設計過程，即使課程學習結束，對瀝青路面結構的設計也不會用手算。針對這些情況，筆者在最近幾年的授課中，為使學生學會用手算方法進行瀝青路面結構的設計計算，加深對瀝青路面結構設計理論和具體計算方法的理解，增加了多層體系向三層體系的轉換方法講解，這也是目前瀝青路面結構設計軟件中采用的中間計算方法。
在進行多層體系向三層體系的轉換中，需要查閱一些諾模圖，為此，課題組將這些諾模圖整理后上傳至學校教務處的精品課程網站上，作為結構設計計算的輔助資料供學生自由下載和打印。根據計算目的的不同，三層體系轉換的計算公式也不盡相同，大致有以下幾類。
（1）彎沉等效換算法：結合已知的三層體系彎沉諾模圖，將多層體系路面結構按照面層頂面彎沉相等的原則換算為三層體系，如圖1所示。對應的具體換算公式為
（二）水泥路面設計章節教學內容的修改增補
1新規范中修改內容
較前一版規范相比，新規范[6]中新增內容有：
（1）混凝土板極限斷裂的驗算標準和貧混凝土及碾壓混凝土基層的疲勞斷裂設計標準。
（2）考慮特重車輛和專用道路結構設計，增加了極重交通荷載等級。
（3）改進接縫設計及填縫材料的選型。
（4）完善連續配筋的裂縫間距和裂縫寬度兩個設計指標的計算公式。
（5）提高混凝土板錯臺量和接縫傳荷能力的評級標準。
（6）完善材料設計參數經驗參考值。
由于最新規范在2011年12月才出版，較上一版規范改動量非常大，尤其是在水泥路面結構設計過程中所用公式與前一版規范完全不同，現有教材水泥路面結構設計章節的計算公式全部不再適用，而且目前還未見針對最新規范出版相應的教材，這就造成已有教材的水泥路面結構設計章節與新規范不符，不能繼續講授。在這種情況下，作為一線授課教師，必須提前給學生準備補充講義，并且在課堂教學中把最新規范的設計理念和計算公式講授給學生。另外，新規范的設計計算是基于規范配套出版或其他正式出版的路面結構設計軟件（如HPDS2011）而進行設計計算的，不便于學生熟練掌握和運用。為此，從2012年開始，針對水泥路面結構設計章節，筆者重新編寫了教案、講義、課程課件，以及作業習題等授課資料。
2新規范下水泥路面結構應力計算
由于規范中規定的水泥混凝土路面結構設計理論是采用設計驗算法，根據已知的交通量、道路等級、地區區劃，以及建筑材料等資料，初步擬定待設計結構組合，然后對該結構進行荷載應力和疲勞應力的分析計算，最后利用可靠度系數對結構進行應力的校核。新規范中突出的一點是除了上述驗算之外，還增加了道路最大荷載作用下結構的應力校核計算。新規范中對應水泥路面結構設計時的應力計算方法如下[6]。
（1）荷載應力。設計軸載在臨界荷位處產生的荷載疲勞應力σpr=krkfkcσps。
最重軸載在臨界荷位處產生的最大荷載應力σp，max=krkcσpm。
其中，σpm為最重荷載在四邊自由板臨界荷位處產生的混凝土板的最大荷載應力。
kr為考慮接縫傳荷能力應力折減系數，縱縫為設拉桿平縫時，kr=0.87～0.92（剛性和半剛性基層取低值，柔性基層取高值）；縱縫為設拉桿企口縫時，kr=0.76～0.84；縱縫為不設拉桿平縫或自由邊時kr=1.0。
kc為考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數，按公路等級查表16-24確定。
kf=Nνe為考慮設計基準期內荷載應力累計疲勞作用的疲勞應力系數。
特別的，設計軸載PS和最重軸載Pm在四邊自由板臨界荷位處產生的荷載應力（MPa）為：
σps=1.47×10-3r0.70h-2cP0.94s，
σpm=1.47×10-3r0.70h-2cP0.94m，
（3）極限狀態的校核。水泥混凝土路面“單層板”結構設計中，根據水泥路面結構設計的一些已知參數，查閱規范中相應的表格，選定待設計路面結構的可靠度系數，以及路面材料的彎拉強度標準值fr，在上面荷載應力和溫度應力計算的基礎上，最后利用γr （σp r + σtr ）≤fr ，γr （σp ，max + σt，max ）≤fr 進行校核。如果滿足，說明前面擬定的水泥路面結構滿足荷載和溫度對它的綜合作用效果；否則對已擬定的水泥路面結構各層進行重新擬定，并重復上述步驟進行計算。
關于水泥混凝土路面彈性地基“雙層板”“復合板”“有瀝青上面層”的水泥混凝土板的荷載應力和溫度應力，以及“加筋”水泥混凝土路面結構設計詳見最新規范。
二、教材選用和教學大綱的修改
（一）教材的選用
土木工程專業和交通工程專業培養方案中，都有路基路面工程這門課，分別為56和42學時。前幾年采用同濟大學出版社出版的教材[7]，瀝青路面結構設計新規范出版后，全國陸續出版了基于新規范編寫的教材，故兩年前已經改換為人民交通出版社出版的教材[8]。但由于JTG D40―2011《公路水泥混凝土路面設計規范》在2011年底才出版，目前使用的教材在水泥路面結構設計章節也還是舊的內容，為此，筆者負責編寫了補充講義，作為這部分教學內容的補充教材使用，使學生在校學習期間便能夠學到最新的技術規范、標準和先進的科技知識，實現了教學內容與科技進步、行業技術規范的緊密結合。
（二）教學大綱的調整
由于上述教學內容的增加和補充，致使2009年補充制定的路基路面工程課程教學大綱[3]與目前實際教學要求不符，為此將上述瀝青路面結構設計時涉及的多層體系換算教學內容增加到教學大綱中，約2學時?？紤]土木工程專業已提前開設彈性力學課程，講解了多層體系的理論分析內容，因此，在滿足瀝青路面設計章節總學時不變的前提下，在路基路面工程授課中減少了2學時路面結構彈性多層體系理論分析的授課內容。
對水泥混凝土路面結構設計章節，由于新規范中的設計理論基本沒變，只是對應的計算公式發生了變化，故將原來的授課內容進行相應的替換即可，授課學時基本不變。
另外，由于新規范出版后路面結構設計內容和計算項目的增加，原來教學大綱中的習題課學時（4學時）已經不能滿足授課需求。為了增加習題課授課學時，針對土木工程專業和交通工程專業的學生，從2010年開始另外增開了32學時的路基路面檢測選修課，其中有一部分試驗教學內容和路基路面工程課程類似，經學科組討論決定，將原來課程中試驗部分的授課學時（約4學時左右）減少2學時，用于增加瀝青和水泥路面結構設計的習題課學時。
三、結語
根據教育部下發的有關普通高等學校本科專業建設的要求和內蒙古工業大學教學大綱文件中關于課程建設的要求，課題組對最新出版規范進行研究。經過學院教學委員會的同意，對路基路面工程課程的授課內容和教學大綱作了部分修改和調整，涉及的內容有以下4點：
（1）增加了瀝青路面結構設計章節中多層體系換算的授課教學計劃，對應地減少了路面結構彈性多層體系理論分析的授課學時。
（2）根據最新規范，對水泥混凝土路面結構設計章節的內容全部進行替換。
（3）增加路面結構設計章節中的習題課授課內容，同時減少路基路面工程課程中試驗方面的授課學時。
（4）針對上述修改內容，編寫了課程的多媒體課件，具體修改、制定了2009版教學大綱和對應的教學計劃。
另外，還將已經購買的正版HPDS2006路面設計軟件升級到HPDS2011，方便按最新規范進行演示教學。在2009級學生的實踐和調查回訪中，學生普遍反映教學效果良好，說明基于最新出版規范，對路基路面工程課程教學內容的改革有利于提高教學質量。
參考文獻：
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[8] 鄧學均.路基路面工程[M].3版.北京：人民交通出版社，2009.
Research on the timely innovation of teaching program for pavement structural design based on the new specification
SONG Yunlian，LIN Min，HU Bing
1．R-μ-T關系及其應用
在二十世紀五十年代，當美國的權威人士G.W.Houser導出了第一條地震反應譜和對地震激勵下的彈性反應規律的研究很快被學術界接受后，人們很快發現了一個與當時的抗震設計方法相矛盾的問題，那就是例如對一個第一振型周期為0.5s~1.5s，阻尼比為0.05的結構，結構地震反應加速度約為地面運動峰值加速度的1.5~2.5倍，比如賦予上述結構一個不大的地面運動加速度0.15g，則根據反應譜導出的結構反應加速度已達到0.23g~0.375g，而世界各國當時的設計規定中一般用來確定水平地震力大小的加速度只有0.04g~0.15g，但讓人不解是，震害表明，雖然設計用的反應加速度很小，但結構在地震中的損傷卻不太大。這么大的差距是不能用安全性或設計誤差來解釋的，于是，各國的學術界加緊了對這一問題的研究，大家通過對單自由度體系的屈服水準、自振周期（彈性）以及最大非彈性動力反應之間的關系；同時還研究了當地面運動特征（包含場地土特征）不同時，給這種關系帶來的變化，我們把這方面的研究工作關系其中R是指在一個地面運動下最大彈性反應力與非彈性反應屈服力之間的比值，稱為彈塑性反應地震力降低系數，簡稱地震力降低系數或者反應調節系數；μ為最大非彈性反應位移與屈服位移的比值，稱為位移延性系數；T則為按彈性剛度求得的結構自振周期。研究表明，對于長周期（指彈性周期且T>1.0s）的結構可以適用“等位移法則”，即彈性體系與彈塑性體系的最大位移反應總是基本相同的；而對于中周期（指彈性周期且0.12s
之所以存在上訴規律，我們應該注意到鋼筋混凝土結構的一些相關特性。首先，通過人為措施可以使結構具有一定的延性，即結構在外部作用下，可以發生足夠的非線性變形，而又維持承載力不會下降的屬性。這樣就可以保證結構在進入較大非線性變形時，不會出現因強度急劇下降而導致的嚴重破壞和倒塌，從而使結構在非線性變形狀態下耗能成為可能。其次，作為非線彈性材料的鋼筋混凝土結構，在一定的外力作用下，結構將從彈性進入非彈性狀態。在非彈性變形過程中，外力做功全部變為熱能，并傳入空氣中耗散掉。我們可以進一步以單質點體系的無阻尼振動來分析，在彈性范圍振動時，慣性力與彈性恢復力總處于動態平衡狀態，體系能量在動能、勢能間不停轉換，但總量保持不變。如果某次振動過大，體系進入屈服后狀態，則體系在平衡位置的動能將在最大位移處轉化為彈性勢能和塑性變形能兩部分，其中，塑性變性能將耗散掉，從而減小了體系總的能量。由此我們可以想到，在地震往復作用下，結構在振動過程中，如果進入屈服后狀態，將通過塑性變性能耗散掉部分地震輸給結構的累積能量，從而減小地震反應。同時，實際結構存在的阻尼也會進一步耗散能量，減小地震反應。此外，結構進入非彈性狀態后，其側向剛度將明顯小于彈性剛度，這將導致結構瞬時剛度的下降，自振周期加長，從而減小地震作用。
2 我國現行抗震設計規范中的不足之處
抗震規范規定，我國的抗震設防目標必須堅持“小震不壞，中震可修，大震不倒”的原則，而建筑應根據其使用功能的重要性分為甲類、乙類、丙類、丁類四個抗震設防類別。甲類建筑應屬于重大建筑工程和地震時可能發生嚴重次生災害的建筑，地震作用應高于本地區抗震設防烈度的要求，其值應按批準的地震安全性評價結果確定；抗震措施，當抗震設防烈度為6-8度時，應符合本地區抗震設防烈度提高一度的要求，當為9度時，應符合比9度抗震設防更高的要求。乙類建筑應屬于地震時使用功能不能中斷或需盡快恢復的建筑，抗震措施，一般情況下，當抗震設防烈度為6-8度時，應符合本地區抗震設防烈度提高一度的要求，當為9度時，應符合比9度抗震設防更高的要求。丙類建筑應屬于甲、乙、丁類以外的一般建筑，地震作用和抗震措施應符合本地區抗震設防烈度的要求。我們知道，一棟建筑在大震下能否不倒，已經不是看其承載力的大了了，而是看它的延性是否能夠到達設計要求。由上面的建筑物抗震類別劃分可以看出，我們對甲、乙、丙、丁建筑物延性的要求是依次從高到低的，此時，結構的延性實際上是由其抗震措施來決定的，現以一棟乙類建筑和丙類建筑為例：
表 1
設防烈度
抗震措施烈度
實際延性
6
7（6）
低
7
8（7）
中等
8
9（8）
稍高
9
比9度高（9）
高
說明：在抗震措施烈度中，括號外為乙類建筑，括號內的為丙類建筑。
由表1可以看出，如果按規范設計，就可能會出現9度（設防烈度）下的丙類建筑的延性比7度（設防烈度）下的乙類建筑延性還要高的情況出現，而根據上面所述的R-μ-T理論關系的研究可以知道，當R取值不變時，對結構的延性要求也應該是不變的，與處在什么烈度區沒有關系，如果R-μ-T理論關系的研究結果是正確的，那么我國規范對甲、乙、丙三類建筑的要求就存在概念性矛盾。
我國取R＝3.33，與國外規范相比較，我們對乙類和丙類建筑的是比較合理，而對于甲類建筑則過于偏松，對丁類建筑過于嚴格了。
目前，國際上逐步形成了一套“多層次，多水準性態控制目標”的抗震理念。這一理念主要含義為：工程師應該選擇合適的形態水準和地震荷載進行結構設計。建筑物的性態是由結構的性態，非結構構件和體系的性態以及建筑物內容物性態的組合。目前性態水準一般分為：損傷出現（damage onset）、正常運作（operational）、能繼續居?。╟ountinued occupancy）、可修復的（repairable）、生命安全（life safe）、倒塌（collapse）。性態目標指建筑物在一定程度的地震作用下對所期望的性態水準的表述。對建筑抗震設計應采用多重性態目標，比如美國的“面向2000基于性態工程的框架方案”曾對一般結構、必要結構、對安全起控制作用的結構分別建議了相應的性態目標―基本目標（常遇地震下完全正常運作，少遇地震下正常運作，罕遇地震下保證生命安全，極罕遇地震下接近倒塌，相當與中國的丙類建筑）、必要目標（少于地震下完全正常運作，罕遇地震下正常運作，極罕遇地震下保證生命安全，相當與中國的乙類建筑）、對安全其控制作用的目標（罕遇地震下完全正常運作，極罕遇地震下正常運作，相當與中國的甲類建筑），目前中國正在進行用地震動參數區劃分圖代替基本烈度區畫圖的工作。對重要性不同的建筑，如協助進行災害恢復行動的醫院等建筑，應該按較高的性態目標設計。此外，也可以針對業主對建筑提出的不同抗震要求
2． 鋼筋混凝土結構的核心抗震措施
我國抗震設計對鋼筋混凝土結構提出的基本上是“高延性要求”，也就是要求結構在較大的屈服后塑性變形狀態下仍保持其豎向荷載和抗水平力的能力，對于有較高延性要求的鋼筋混凝土結構必須使用能力設計法進行有關設計?！澳芰υO計法”的要求是在設計地震力取值偏低的情況下，結構具有足夠的延性能力，具體做法是通過合理設計使柱端抗彎能力大于梁端從而使結構在地震作用下形成“梁鉸機構”，即塑性變形或塑性鉸出現在比較容易保證具有較大延性能力的梁端；通過相應提高構件端部和節點的抗剪能力以避免構件發生非延性的剪切破壞。其核心是：
（1）“強柱弱梁”措施：主要是通過人為增大相對于梁的抗彎能力，使塑性鉸更多的出現在柱端而不是梁端，讓結構在地震引起的動力反應中形成“梁鉸機構”或“梁柱鉸機構”，通過框架梁的塑性變形來耗散地震能量。
“強柱弱梁”措施是“能力設計法”的最主要的內容。
根據對構件在強震下非線線動力分析可知，強震下，由于構件產生塑性變形，因此可以耗散部分地震能量，同時根據桿系結構塑性力學的分析知道，在保證結構不形成機構的要求下，“梁鉸機構”或“梁柱鉸機構”相對與“柱鉸機構”而言，能夠形成更多的塑性鉸，從而能耗散更多的地震能量，因此我們需要加強柱的抗彎能力，引導結構在強震下形成更優、更合理的“梁鉸機構”或“梁柱鉸機構”。
這一套抗震措施理念已被世界各國所接受，但是對于耗能機構卻出現了以新西蘭和美國為代表的兩種不完全相同的思路。這兩種思路都承認應該優先引導梁端出塑性鉸，但是雙方對柱端塑性鉸出現的位置和數量有分歧。
新西蘭追求理想的梁鉸機構，規范中底層柱的彎距增大系數比其它柱的彎距增大系數要小一些，這么做的目的是希望在強震下，梁端塑性鉸形成較為普遍，底層柱塑性鉸的出現比梁端塑性鉸遲，而其余所有的柱截面在大震下不出現塑性鉸的“梁鉸機構”。但是新西蘭人也不認為他們的理想梁鉸方案是唯一可用的方法，因此他們在規范中規定可以選用兩種方法，一種是上述的理想梁鉸機構法，另一種就是類似與美國的方法。
美國規范的做法則希望在強震下塑性鉸出現較早，柱端塑性鉸形成較遲，梁端塑性鉸形成得較普遍，柱端塑性鉸可能要形成得要少一些的“梁－柱塑性鉸機構”（柱端塑性鉸可以在任何位置形成，這一點是與新西蘭規范的做法是不同的）。中國規范和歐洲EC8規范也是采用與美國類似的方法。
（2）“強剪弱彎”措施：用剪力增大系數增大梁端，柱端，剪力墻端，剪力墻洞口連梁端以及梁柱節點中的組合剪力值，并用增大后的剪力設計值進行受剪截面控制條件驗算和受剪承載力設計，以避免在結構出現脆性的剪切破壞。
我們在上學期學過，鋼筋混凝土的抗剪能力由混凝土自身的抗剪能力、裂縫界面的骨料咬合力、縱筋銷栓力和箍筋的拉力4部分構成，而通過對框架梁在強震下的抗剪分析可知，混凝土的梁端抗剪能力在形成塑性鉸后會比非抗震時有所下降，主要原因有幾下幾個：
1 由結構力學和材料力學的分析可知，梁端總是正剪力大于負剪力，如果發生剪切破壞時，剪壓區一般都在梁的下部，而此時混凝土保護層已經剝落，且梁下端又沒有現澆板，所以混凝土剪壓區的抗剪能力會比非抗震時偏低
2 由于在強震下剪切破壞要發生在塑性鉸充分轉動的情況下，而非抗震時的剪切破壞往往發生在縱筋屈服之前，因此在抗震條件下混凝土的交叉裂縫寬度會比非抗震情況偏大，從而使斜裂縫界面中的骨料咬合效應慢慢退化，加之斜裂縫反復開閉，混凝土體破壞更嚴重，這使得混凝土的抗剪能力進一步被削弱。
3 混凝土保護層的剝落和裂縫的加寬又會使縱筋的抗剪銷栓作用有所退化。
我們一般在計算鋼筋混凝土的抗剪能力時，只計算了混凝土自身的抗剪能力和箍筋的抗剪能力（V＝Vc+Vsv），而把斜裂縫界面中的骨料咬合能力及縱筋的銷栓作用作為它多余的強度儲備。在抗震下梁端的塑性鉸的形成，使得骨料咬合力及縱筋的銷栓作用有所下降，鋼筋混凝土的抗剪強度儲備也會下降，同時由于混凝土的抗剪能力(Vc)的下降，V也會比非抗震時小，如果咬使V不變，那么就只有使Vsv變大，即增加箍筋用量，所以我們可以得出這樣的結論，在抗震情況下箍筋用量比非抗震時要大一些，這不是因為地震使梁的剪力變大了而增加箍筋用量，而是由于混凝土項的抗剪能力下降，相應的必須加大箍筋用量。其他構件的原理也相似。
（3）抗震構造措施：通過相應構造措施保證可能出現塑性鉸的部位具有所需足夠的延性，具體來說就是塑性轉動能力和塑性耗能能力。
對于梁柱等構件，延性的影響因素最終可歸納為最根本的兩點：混凝土極限壓應變，破壞時的受壓區高度。影響延性的其他因素實質都是這兩個根本因素的延伸。
對于梁而言，無論是對不允許柱出現塑性鉸（底層柱除外）的新西蘭方案，還是允許柱出現塑性鉸但控制其出現時間和程度的方案，梁端始終都是引導出現塑性鉸的主要部位，所以都希望梁端的塑性變形有良好的延性（即不喪失基本抗彎能力前提下的塑性變形轉動能力）和良好的塑性耗能能力。因此除計算上滿足一定的要求外，還要通過的一系列嚴格的構造措施來滿足梁的這種延性，如：
1 控制受拉鋼筋的配筋率。配筋率包括最大配筋率和最小配筋率，前者是為了使受拉鋼筋屈服時的混凝土受壓區壓應變與梁最終破壞時的極限壓應變還有一定的差距（梁的最終破壞一般都以受壓區混凝土達到極限壓應變，混凝土被壓碎為標志的）；后者是保證梁不會在混凝土受拉區剛開裂時鋼筋就屈服甚至被拉斷。
2 保證梁有一定的受壓鋼筋。受壓鋼筋可以分擔部分剪力，減小受壓區高度，另外在大震下，梁端可能出現正彎距，下部鋼筋有可能受拉，。
3 保證箍筋用量，用法。箍筋的作用有三個，一是抗剪，這在前文已經說過，這里不再充分；二是規定箍筋的最小直徑，保證縱筋在受壓下不會過早的局部失穩；三是通過箍筋約束受壓混凝土，提高其極限壓應變和抗壓強度。
4 對截面尺寸有一定的要求。規范規定框架梁截面尺寸宜符合下列要求：1>截面寬度不宜小于200mm；2>截面高度與寬度的比值不宜大于4；3>凈跨與截面高度的比值不宜大于4。在施工中，如梁寬度太小，而梁上部鋼筋一般都比較多，會使混凝土的澆注比較困難，容易造成混凝土缺陷；在震害和試驗中多次發生過腹板較薄的梁側向失穩的事例，因此提出要求了2；一般我們把跨高比小于5的梁稱為深梁，深梁的抗彎和抗剪機理與一般的梁（跨高比大于5的梁）有所不同，所以我們在設計中最好能避免設計成深梁，如果實在不能避免，就要去看專門的設計方法和規造措施。
柱的構造措施也和梁差不多，但是柱除了受彎距和剪力以外，還要承受軸力（梁的軸力一般都很小，在設計中都不予以考慮），尤其是高層建筑，軸力就更大了，所以柱還有對軸壓比的限制，其中對不同烈度下有著不同延性要求的結構有著不同的軸壓比限值；另外，柱端箍筋用量的控制條件不是簡單的用體積配箍率，而是用配箍特征值，它同時考慮了箍筋強度等級和混凝土強度等級對配箍量的影響。
高強度混凝土（C60以上）的極限壓應變都比一般混凝土（C60及其以下）要小一些，而且強度越高，小的越多；另外，強度越高，混凝土破壞時脆性特征越明顯，這些對于抗震來說是不利的。
3．常用的抗震分析方法
結構抗震設計的首要任務就是是對結構最大地震反應的分析，以下是一些常用的抗震分析方法：
1． 底部剪力法
底部剪力法實際上時振型分解反應譜法的一種簡化方法。它適用于高度不超過40m，結構以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的框架結構，此時假設結構的地震反應將以第一振型為主且結構的第一振型為線性倒三角形，通 過這兩個假設，我們可近似的算出每個平面框架各層的地震水平力之和，即“底部剪力”，此方法簡單，可以采用手算的方式進行，但精確度不高。
2． 振型分解反應譜法
振型分解反應譜法的理論基礎是地震反應分析的振型分解法及地震反應譜概念，它的思路是根據振型疊加原理，將多自由度體系化為一系列單自由度體系的疊加，將各種振型對應的地震作用、作用效應以一定方式疊加起來得到結構總的地震作用、作用效應。此法計算精度高，但計算量大，必須通過計算機來計算。
3． 彈性時程分析
彈性時程分析法，也稱為彈性動力反應分析。所謂時程分析法就是將建筑物作為彈性或彈塑性振動系統，直接輸入地面地震加速度記錄，對運動方程直接積分，從而獲得計算系統各質點的位移，速度，加速度和結構構件地震剪力的時程變化曲線。而彈性時程分析法就是把建筑物看成是彈性振動系統。
4． 非線（彈）性時程分析
非彈性時程分析法，也稱為非線性動力反應分析。就是將建筑物作為彈塑性振動系統來輸入地面地震加速度記錄。上面所提到的基于地震反應譜進行設計的方法，可以求出多遇地震作用下結構的彈性內力和變形，同樣可以求得罕遇地震作用下結構的彈塑性變形。但是它不能確切了解建筑物在地震過程中結構的內力與位移隨時間的反應；同時也難以確定建筑結構在地震時可能存在的薄弱環節和可能發生的震害；由于計算簡化，抗震承載力和變形的安全度也可能是有疑問的。而時程分析法就可以準確而完整的反映結構在強烈地震作用下反應的全過程狀況。所以，它是改善結構抗震能力和提高抗震設計水平的一項重要措施。
中圖分類號：TU391文獻標識碼： A
一、鋼結構體系
該工程所在地為非采暖地區，按照《鋼結構設計規范》表 8.1.5，廠房縱向溫度區段長度控制值為220 m,橫向溫度區段長度控制值為 120 m(柱頂為剛接)。廠房縱向長度為 300 m，需在中部設一道溫度縫，橫向寬度為180 m，其中低跨部分 120 m,高跨部分 60 m。 考慮到高低跨對溫度應力的釋放作用，且低跨 120 m 未超長，故僅構造上加強，不設溫度縫。加強做法如下:（1）對邊柱的應力進行適當控制，使其上階柱(型鋼柱)應力比不大于 0.9；（2）梁節點設計時，軸拉力設計值增大 10%，以加強屋面梁連接節點。廠房屋蓋在兩端及 1/3 溫度區段處布置橫向水平支撐及柱間支撐,縱向則隔跨布置縱向水平支撐，高跨和低跨按各自的標高與橫向水平支撐組成相對獨立的封閉支撐體系。
二、鋼管混凝土格構柱的選用
2.1 鋼管混凝土柱的特點
由于鋼管對其內部混凝土的約束作用，在軸壓力作用下，鋼管混凝土柱內部混凝土處于三向受壓狀態， 不但提高了鋼管混凝土柱的抗壓承載力，具有較好的塑性變形能力，而且在承受沖擊荷載和振動荷載時，也具有很好的韌性。與普通鋼柱相比，鋼管柱柱腳零件少，焊縫短，可以直接插入混凝土基礎的預留杯口中，免去了復雜的柱腳構造，但是鋼管內部特別是節點處混凝土的密實性比較難以控制。從觀感上看，鋼管混凝土格構柱比型鋼格構柱更美觀。
2.2 經濟性比較
該工程初設時，對鋼管混凝土格構柱和型鋼格構柱的經濟性作了比較，在不同柱距下的材料用量詳見表 1 從不同柱距的結果來看，當柱距增大時，主體用鋼量先降低再增長，而吊車梁用鋼量保持上升趨勢，且幅度較大，導致總用鋼量先緩慢降低再迅速增長，管樁的用量則由于柱子數量的顯著減少而降低；從不同材料來看，鋼管混凝土柱的抗壓性能比較好，隨著柱距增大，其性能優勢漸漸得到發揮，其經濟性也逐漸得到體現。
注:此用鋼量僅為估算
由于該工程低跨部分吊車噸位較小，從整體考慮，鋼管混凝土柱的經濟性優勢并不顯著，但考慮到美觀及施工等原因，結合上部用鋼量和基礎造價進行比較，最終選用柱距為 9 m 的鋼管混凝土格構柱。
三、剛架構造要求及依據
3.1 型鋼柱、梁板件寬厚比控制
抗規 9.2.14.2 條規定:輕屋蓋廠房，塑性耗能區板件寬厚比限值可根據其承載力的高低按性能目標確定。 塑性耗能區外的板件寬厚比限制，可采用現行《鋼結構設計規范》彈性設計階段的板件寬厚比限值（注:腹板的寬厚比可通過設置縱向加勁肋減?。?。抗規 9.2.14.2 條文說明規定:C 類定義:當構件的強度和穩定的承載力均滿足高承載力（2 倍多遇地震作用下的要求）時，可采用現行《鋼結構設計規范》彈性設計階段的板件寬厚比限值，即 C 類。C 類寬厚比要求:C 類是指現行《鋼結構設計規范》GB 50017 按彈性準則設計時腹板不發生局部屈曲的情況。從以上條文可知，該工程可以按照 C 類截面要求進行性能化設計， 其中耗能區段可以參照抗規9.2.11 條文說明對剛架梁端最大應力區的規定，取距梁端 1/10 梁凈跨和 1.5 倍梁高中的較大值。
3.2 鋼管混凝土格構柱設計
目前，有關鋼管混凝土格構柱設計的主要參考規范為:①《鋼結構設計規范》（GB 50017-2003）、②《 鋼 管 混 凝 土 結 構 設 計 與 施 工 規 程 》 （CECS 28:2012）、③ 《 鋼―混凝土組合結 構設計規程 》 （DL/T5085-1999），其中《鋼結構設計規范》僅對鋼管結構的構造與鋼管桿件的計算提出了要求（格構柱綴件構造與計算）。
（1）材料要求
該工程采用的是螺旋焊接管， 螺旋焊接管常用規格如下:D219×6~8，D273×6~8，D325×6~8，D377×6 ~10，D426 ×6 ~10，D478 ×6 ~10，D529 ×6 ~10，D630×6~10,D720×6~12 等。在材料上規范③的 6.2.4 條明確提出,鋼管內混凝土的強度等級不宜低于 C30，可參照下列材料組合:Q235 鋼 配 C30 或 C40 級 混 凝 土 ；Q345 鋼 配C40、C50 或 C60 級 混凝土 ；Q390 配 C50 或 C60 級以上的混凝土。 同時，構件截面的套箍系數標準值不宜小于 0.5。
（2）鋼管構造
1）在外徑與壁厚之比 d/t 及壁厚等構造上,各本規范有不同的規定: 規范①規定 d/t 不應超過 100（235/fy）；規范②規定 d/t 限制在（20~135）235/fy 之間，且外徑不宜小于 200 mm，壁厚不宜小于 4 mm；規范③規定 d/t 限制在 20~100（注意無強度調整,即含鋼率控制在 0.2~0.04）之間，且外徑不宜小于 100mm，壁厚不宜小于 4 mm。 該工程設計時結合三者，控制 d/t 不應超過 100（235/fy），且主管(帶混凝土)壁厚不小于 4 mm。2）規范③6.4.10 條規定了格構式柱腹桿的形式及構造，本工程所采用的是斜腹桿格構式柱，主要要求如下:①斜腹桿與柱肢軸線間夾角宜為 40~60 度；②桿件軸線宜交于節點中心；腹桿軸線交點與柱肢軸線距離不宜大于 d/4,當大于 d/4 時，應考慮其偏心影響；③腹桿端部凈距不小于 50 mm。
3.3 其他構造要求
（1）分離式柱子
當吊車噸位在75t及75t以上時，不適合采用牛腿來支承吊車梁，宜在下層吊車梁下設單獨的吊車肢。
（2） 鋼吊車梁的材質要求
《鋼結構設計規范》3.3.4 條規定吊車起重量不小于50t的中級工作制吊車梁，對鋼材沖擊韌性的要求應與需要驗算疲勞的構件相同。
3.4 工程采用的剛架及部分節點大樣
（1）考慮到荷載較小,該工程采用雙肢格構柱，鋼管柱材質為 Q345B,鋼管柱綴條采用 Q235B,鋼管柱柱肢內均澆灌微膨脹 C40 混凝土
（2）施工方法采用泵送頂升澆灌法,在鋼管接近地面的適當位置設灌注孔，鋼管內混凝土必須一次性連續澆灌完畢,一定要保證密實,待混凝土強度達到設計要求后,再將灌注孔、排氣孔等補強補焊。
（3）考慮到結構經濟性及施工便利性，鋼管柱采用插入式柱腳與杯口基礎連接。
四、剛架計算
（1）柱頂位移要求《鋼結構設計規范 》附錄 A.2.1“在 風荷載標準值作用下，框架柱頂水平位移和層間位移不宜超過下列數值: 有橋式吊車的單層框架的柱頂位移≤H/400”。
（2）行車水平荷載作用下的側向位移
《鋼結構設計規范》 沒有關于中級工作制行車鋼結構廠房的在行車水平荷載作用下側向位移的限值要求，根據經驗，在滿足行車正常運行的前提下，按平面結構圖形計算，吊車梁頂面標高處，由一臺最大吊車水平荷載（按荷載規范）所產生的計算變形值，不宜超過下述容許值:100 t 行車 1/850150 t 及以上 1/1 250
（3）撓度要求屋面梁撓度限值取 1/250， 主要考慮重型吊車的原因，對屋面的剛度做適當加強。
（4）長細比要求構件長細比按照《鋼結構設計規范》表 5.3.8 及表 5.3.9 要求,其中重型吊車以下柱間支撐的長細比按拉桿計算，且不考慮壓桿的卸載作用。
（5）該工程剛架計算
采用 PKPM 軟件進行剛架計算時，需注意圖中所示的應力比為構件考慮長細比影響的整體承載力折減系數,及偏心影響的整體承載力折減系數后，其作用軸力與整體承載力的比值。 在此比值滿足要求的同時，尚應確認單管作用力與承載力的比值滿足要求，易出現整體計算滿足要求而單管軸壓比超出的情況。
參考文獻:
中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：
引言
預應力外包U型鋼混凝土組合梁結構體系是通過薄鋼板直接冷彎或用冷彎薄壁型鋼焊接成U型截面，然后截面內部填充混凝土作為T行梁的肋部，翼緣為現澆混凝土板，使用后張法施工在受拉區施加預應力，使構件起拱以滿足控制裂縫寬度和滿足更大跨度的要求。外包鋼與內部混凝土變形協調，共同受力。這種結構克服了鋼筋混凝土抗拉強度低的弱點，提高了鋼材的屈曲承載力，改善了結構的延性，使其整體穩定性優于鋼結構和型鋼混凝土組合結構；另外U型鋼部件可以作為組合梁的永久性模板，施工方便。目前，針對預應力外包鋼混凝土組合梁的研究已經得到國內外工程界的廣泛關注，本文在此情形下建立了預應力外包U型鋼混凝土組合梁正截面受彎承載力的計算公式，具有現實意義。
計算的基本假定
根據《鋼結構設計規范》和《混凝土結構設計規范》的有關規定，現對預應力外包U型鋼混凝土組合梁正截面抗彎承載力計算假定如下：
（一）、平截面假定。彎曲過程中梁的截面仍保持為平面并且與變形后的梁軸垂直。橫向剪應變為0，橫向纖維無擠壓，梁軸無水平方向伸縮。
（二）、計算中的混凝土壓應力取等效矩形應力，并且不考慮混凝土抗拉強度。
（三）、在混凝土翼緣板的有效寬度范圍內，外包U型鋼與混凝土之間有可靠的抗滑移措施，在這一寬度內，認為混凝土與外包鋼可以形成組合截面共同工作。
（四）、組合梁在彎矩作用下由于外包鋼內填充了混凝土而不易發生鋼梁的局部破壞和側向屈曲。
三、極限抗彎承載力的計算
基于以上假定，根據構件截面中和軸位置的不同，討論組合梁正截面受彎承載力。
（一）、塑性中和軸在混凝土翼緣板內
圖1 彎矩作用下組合梁正截面應力形式（1）
此時滿足條件：
其中：——受壓鋼筋屈服強度
——預應力鋼筋抗拉強度設計值
——分別為翼緣與腹板鋼材的屈服強度，底版鋼材的屈服強度
——混凝土軸心抗壓強度
——混凝土等效矩形應力系數。當混凝土強度等級不超過C50時，分別取1.0和0.8。
——受壓鋼筋面積
——預應力鋼筋面積
——分別為外包鋼腹板、底板、翼緣板的面積
由力的平衡條件：
此時，混凝土受壓區高度為：
對中和軸取矩得到預應力組合梁的極限受彎承載力：
其中：——組合梁極限受彎承載力
——外包U型鋼底板厚度
（二）、塑性中和軸在外包U型鋼腹板內
圖2 彎矩作用下組合梁正截面應力形式（2）
此時滿足條件：
由力的平衡條件：
此時，混凝土受壓區高度為：
對中和軸取矩得到預應力組合梁的極限受彎承載力：
其中：——受拉區預應力鋼筋至受拉邊緣的距離
結論
根據以往對梁的實驗和理論分析來看，梁的破壞形態有三種：正截面受彎破壞；斜截面受剪破壞；組合梁混凝土翼緣板與鋼腹板交界處縱向滑移破壞。在滿足抗剪滑移的前提下，本文根據鋼結構設計規范和混凝土結構設計規范的要求推導出的公式是合理的。
參考文獻
GB50010-2002 混凝土結構設計規范【S】.北京：中國建筑工業出版社，2002
GB20017-2002 鋼結構設計規范【S】.北京：中國建筑工業出版社，2003
中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2016.02.048
隨著鋼橋和組合結構橋梁建設的不斷增加，設計和施工單位急需大批熟練掌握橋梁鋼結構設計和施工知識的專業人才。由于過去橋梁與渡河工程專業的本科階段鋼結構教學內容及教材側重點與工業民用建筑專業無異，剛畢業的橋梁與渡河工程專業的大學生很難適應橋梁鋼結構方面的工作，導致橋梁鋼結構專業人才短缺、質量不高。一方面，鋼橋和組合結構橋梁有著巨大的發展潛力和市場需求，另一方面，橋梁與渡河工程專業鋼結構人才短缺，二者的矛盾造成了該領域就業空間廣闊，并且在今后一個相當長的時期內該空間還將不斷擴展。①為了滿足社會對鋼橋和組合結構橋梁人才的需求，我校橋梁與渡河工程專業“鋼結構設計原理”課程在教學內容、教學方法及考核方式方面也在不斷進行改革。
1 教學內容
1.1 教材
目前，國內已有的《鋼結構設計原理》教材，大多基于《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）②編寫，適合工業民用建筑專業的本科生進行學習。涉及公路橋涵、鐵路橋梁的鋼結構設計規范的《鋼結構設計原理》教材極少，以至于橋梁與渡河工程專業的學生學習此類③④教材后，無法直接應用于鋼橋和組合結構橋梁的鋼結構構造與結構設計中。針對上述問題，我校橋梁與渡河工程專業“鋼結構設計原理”課程，選用東南大學葉見曙教授編寫的“結構設計原理”⑤第三版第四篇――鋼結構。該書結合我國公路橋涵鋼結構及木結構設計規范、鋼-混凝土組合橋梁設計規范進行編寫，較好地解決了教材脫離規范的問題。此外，結合鋼橋、組合結構橋梁參考書籍，在授課過程中緊緊圍繞橋梁專業用鋼結構構件的設計原理進行講解，使學生工作后，能夠做到學以致用，更快適應工作。
1.2 側重點
橋梁與渡河工程專業學生在進行“鋼結構設計原理”課程的學習之前，材料力學、結構力學、建筑材料等專業基礎課都已經進行了系統的學習。在“鋼結構設計原理”課程的教學過程中，涉及到這部分的內容適當從簡講授，而增加更多針對橋梁鋼結構的內容。例如在材料性能方面，將講解的重點放在橋梁鋼結構用鋼材、高強鋼絞線、橋梁鋼結構用新材料如耐候鋼、耐高溫鋼材等材料的性能方面，讓學生了解現有橋梁用鋼的現狀及未來的發展趨勢；結合這些材料在實際工程中的應用圖片，提高學生的學習興趣；在橋梁鋼結構應用中，適當介紹索設計的內容，例如鋼梁橋中的體外預應力索、斜拉橋中的拉索、懸索橋中的纜索等，以有助于學生學習后續的鋼橋和組合結構橋梁課程，列出主要的參考文獻，供學生在課余時間有選擇地學習；橋梁鋼結構尤其是鐵路橋，由于受到動荷載的影響，鋼結構焊接的疲勞問題不容忽視，在橋梁與渡河工程專業的鋼結構設計原理課程中必須補充疲勞設計的相應內容。為拓展學生的就業面，在課程講授過程中適當增加工業民用建筑用鋼結構設計原理的知識，對其所用規范進行介紹，拓寬學生的知識面。
2 教學方法
橋梁與渡河工程專業的鋼結構設計原理課程教學，應該既注重基本知識的傳授，同時不斷啟發學生，調動他們學習的積極性和主觀能動性，逐步培養出發現問題、思考問題、分析問題、最終解決問題的能力。通過對這種學習方法的傳授，使學生既能掌握書本知識，又能不斷創新進取，極大提高學生的學習積極性。
2.1 理論教學
針對學生對圖片或視頻信息的興趣濃厚，對單純的數字或者文字興味索然的現實情況，對抽象的理論問題，用動畫或搜集實際工程中的圖片，以幻燈片或視頻形式播放給學生，讓學生以娛樂的方式掌握知識。例如，鋼結構的連接和破壞問題，每一項鋼結構的破壞或失穩現象都通過圖片展現，引導學生思考這些現象背后的機理問題，誘發學生的興趣，從而引出該節課程教授的重點，改善課堂教學的效果；同時，圖片或視頻的應用，還能加深學生對基本知識與基本原理的感性認識。
但對于計算原理和公式，一定要用板書演示其推導過程，讓學生的思路緊隨教師的演示，充分利用課堂時間，消化計算原理，提高教學效率。在計算理論講解完成后，結合工程應用，介紹實際橋梁鋼結構的細部處理及節點構造措施，讓學生做到理論與實際相結合，掌握工程中處理具體問題的方法。
采用習題課、討論課的方式，對學生作業過程中存在的問題進行深入剖析，點評解題過程中的易錯點和答題錯誤的原因。在講解和討論的過程中，幫助學生理清解題思路，規范解題步驟，總結解題技巧，提高答題的正確率，同時培養學生嚴謹、認真、細致的工作作風。
2.2 現場教學
在橋梁與渡河工程專業的鋼結構設計原理課程講授過程中，多媒體、板書等多種手段是課堂教學的主要方法，但對于鋼結構設計原理課程來說，僅有課堂教學是遠遠不夠的。因為盡管有多媒體作為教學工具，但畢竟還是圖片或短暫影片，學生難以形成一個完整的鋼結構的概念，對鋼結構的感性認識依舊不夠具體深刻。在鋼結構設計原理課程的理論教學學習期間或結束后，充分利用學校周圍已建或在建鋼橋與組合結構橋梁，進行現場參觀、學習，便于理論知識與實際應用“接軌”，有選擇性地帶學生深入施工現場，進行教學實踐很有必要。在進入現場之前，負責鋼結構設計原理課程的教師，需要事先向學生講解工地現場實踐中所涉及的系統知識。安排好班級分組與帶隊教師，特別強調實習過程中的安全問題與組織紀律問題。在施工現場，讓學生進一步認識真實的螺栓、焊縫、縱向和橫向的加勁肋，辨別現實構件中的受拉構件、受壓構件、受彎構件或壓彎構件、拉彎構件，觀察構件的現場連接拼裝。請施工單位負責人講解施工現場鋼結構的基本概況，采用的施工方法，施工組織設計，施工質量控制要點，安全保障措施，施工過程中遇到的各種困難，出現的問題及解決的方案等。現場教學過程中，提醒學生注意觀察，認真聆聽講解，將書本上的圖紙和現場的實體結構充分比對，加深對書本知識的理解。同時，結合工程技術人員的講解，學習工程中處理具體問題的方法，真正達到現場教學的目的。
2.3 實踐教學
實踐教學分為實驗教學和課程設計兩部分。學生在鋼結構設計原理課程學習過程中，如果對某個問題有進一步研究的興趣，可以通過參與大學生創新實驗項目，提出自己的研究課題。設計實驗方案，動手制作鋼結構實驗模型，通過實驗結果驗證自己的想法或發現自己提出的方案的不足，激發學生的創新熱情，培養學生的動手能力，同時也可為今后的學習和工作提供寶貴的經驗。課程設計，有助于幫助學生系統地應用理論課程學習到的知識，做到學以致用。但以往的課程設計都是在理論課講授完畢后進行，設計效果不佳。為了改善課程設計效果，打破理論教學與課程設計的嚴格界限，將理論教學與課程設計同步進行。⑥在鋼結構設計原理課程開始上課之時，就給定課程設計題目，隨著授課進度的深入，讓學生以長期大作業的方式分步驟完成。這樣，在理論授課過程中，學生隨時可以針對課程設計的內容進行提問，并能得到及時解答，課程設計周學生只需整理計算書、繪制圖紙。這樣，學生有充足的時間掌握鋼結構設計原理的各項設計環節內容，遇到問題能夠及時得到解決。
3 考核方式
在對鋼結構設計原理課程的教學成果進行考核時，如果僅僅通過期中、期末的考試結果來評價學生的學習情況，顯然將會是不全面的，也是不準確的。在鋼結構設計原理的教學過程中，采用多種考核形式，例如隨堂測驗，課堂提問，組織學生進行小組討論或者針對鋼結構設計中存在的某一問題，讓學生提交研究報告等方式進行考核。對學生的日常測驗，也可以采用口試和筆試相結合的形式，或者把一次測驗拆分為多次小的測驗，這將有助于更加全面地評價學生的學習情況，降低一次考試所帶來的偶然性。傳統的考試方法大多偏重對知識的記憶，形式單一，難以客觀、全面地評價教學效果，也難以調動學生自主學習的積極性。橋梁與渡河工程的鋼結構設計原理課程考試，借鑒國家一級注冊結構工程師的考試模式，在考卷中，可能涉及到的全部公式均給出，避免學生死記硬背。此外，可考慮“半開卷”考試，允許學生將自己認為重要的內容事先書寫在一張A4紙上，考試時允許查看，考后隨試卷上交。這樣，學生對自己認為的重點進行總結，通過總結內容的實用性，可反映學生對課程重點的把控。
4 結語
針對橋梁與渡河工程專業學生鋼結構設計原理課程學習中存在的問題，從教學內容、教學方法和考核方式三個方面，提出了一系列的改革措施。
（1）選用《結構設計原理》教材，并結合鋼橋和組合結構橋梁相關參考書籍，已學過的內容適當從簡講授，緊緊圍繞橋梁專業用鋼結構構件的設計原理進行講解。（2）對抽象的理論問題，用動畫或搜集實際工程中的圖片，以幻燈片或視頻形式進行播放；但對于計算原理和公式，一定用板書演示推導過程；采用習題課、討論課的方式，點評解題過程中的易錯點，總結解題技巧。（3）在理論課學習期間，充分利用學校周圍已建或在建鋼與組合結構橋梁，進行現場參觀、學習。（4）理論教學與課程設計同步進行，進行大學生創新實驗。（5）考核中，借鑒國家一級注冊結構工程師的考試模式，給出考卷中可能涉及到的全部公式；也可考慮“半開卷”考試。
注釋
① 蘇慶田，吳沖.鋼與組合結構橋梁課程教學改革探討[J].高等建筑教育，2013.22（4）：37-40.
② 鋼結構設計規范[S].GB50017-2003.
③ 陳紹蕃.鋼結構[M].北京：中國建筑出版社，2003.
0.前言
單層倉庫采用的結構形式，隨著跨度和高度的不同，常用的結構形式有框架結構、門式鋼架結構和混合排架結構三種?；旌吓偶芙Y構采用混凝土柱，實腹鋼梁，屋蓋采用壓型鋼板屋面板和冷彎型鋼檁條?；旌吓偶芙Y構具有防火、防腐、造價低等優點，所以在近幾年國內的實際應用中較為常見。
混合排架宜為單層單跨結構，有帶拱拉桿或不帶拱拉桿兩種形式，拱腳與混凝土柱頂鉸接。亦可為單層雙跨或單層多跨結構。
混合排架的跨度不宜大于24m，檐口高度不宜大于15m，屋面坡度宜取1/8～1/12，雨水較多的地區宜取其中的較大值。
1.計算程序
設計這類結構仍是用STS里面門式剛架的程序來計算，建模的順序跟設計門式剛架一樣，但由于混凝土柱與鋼梁的連接處理難以達到剛接連接，因此梁柱的連接一般采用鉸接連接形式，而一般門式剛架結構邊剛架柱與梁的連接均采用剛接連接形式，由于連接形式的不同，致使這種體系單榀剛架的受力截然不同于一般的門式剛架，設計時不能簡單的把門式剛架的鋼柱替換為混凝土柱，應根據這類結構體系的特殊性有針對的進行設計。
2.連接形式
混凝土柱與鋼梁采用鉸接連接，混凝土柱底采用剛接，多跨情況下的中間混凝土柱與鋼梁的連接采用鋼梁連續，混凝土柱鉸撐于鋼梁底面。
3.規范選擇
這類結構已經超出門規的使用范圍，結構類型應選擇“單層鋼結構廠房”，如果為抗震地區且選擇了地震作用計算，程序會自動按照抗震規范第九章關于單層鋼結構廠房的規定進行控制；混凝土柱應按混凝土結構設計規范進行設計，滿足混凝土結構設計規范相應要求，鋼梁應滿足鋼結構設計規范相關要求，當采用工形變截面梁時，建議梁構件承載力的校核采用按門式剛架規程進行校核，以考慮軸力的影響與變截面梁的穩定計算，但局部穩定應滿足鋼結構設計規范、抗震規范的要求；撓度控制，考慮到所采用的輕型屋面體系對鋼梁撓度不是非常敏感，在有經驗的情況下可較鋼結構設計規范的撓度控制指標（L/400）適當放寬。
4.單榀設計
4.1建模
單榀設計時，應采用混凝土柱與鋼梁整體建模分析。鋼梁對混凝土柱的約束反力與混凝土柱本身的剛度是直接相關的，為反映真實的內力情況，應該進行整體分析，并以整體分析的結果來設計基礎、混凝土柱的配筋與鋼梁。把它們分開來分別進行設計，往往使設計結果帶來不安全的隱患：如果在柱與基礎設計時，沒有考慮屋面斜鋼梁對柱的推力，會導致柱配筋與基礎的設計嚴重偏小，按這種方式設計的結構在安裝過程中就有可能出現基礎被翹起、混凝土柱頂位移過大、柱身出現裂縫、鋼梁撓度過大等問題。而在分析鋼梁時，把鋼梁兩端視為固定鉸支座或建兩根很短的下端剛接柱作為支座都會夸大混凝土柱對鋼梁的約束作用，導致鋼梁軸力增大、跨中彎矩減小、撓度減小等不真實情況，這時往往會出現安裝后的鋼梁的撓度要大于計算撓度、鋼梁有可能整體屈服失穩、局部壓屈等不安全問題。
4.2計算
程序自動根據整體分析得結果，按照混凝土結構設計規范進行混凝土柱的配筋計算，按選定的鋼梁構件驗算規范進行鋼梁的校核，在布置基礎的情況下，同時根據整體分析柱底力完成基礎的計算。
5.整體設計
5.1混凝土柱與鋼梁的鉸接連接處理
一般存在三種連接構造處理：完全抗剪連接構造，這種連接構造能夠把梁端的推力以剪力的方式完全傳遞給混凝土柱；完全滑移連接構造，這種連接構造容許梁端相對混凝土柱頂自由滑移，梁端的推力由于相對的滑移而釋放，作用力不傳遞給混凝土柱；介于以上二者之間的部分滑移連接構造，這種連接構造容許梁端相對混凝土柱頂有一定的滑移量，梁端的推力由于相對的滑移而部分釋放，剩余作用力以剪力的方式傳遞給混凝土柱。
5.2程序的處理
考慮混凝土柱與鋼梁的不同構造連接，可以通過設置混凝土柱的柱頂不同約束情況來實現。
5.2.1完全抗剪連接構造：普通的鉸接連接。
5.2.2完全滑移連接構造：采用鉸接＋混凝土柱頂定義約束為“水平方向自由滑動”。
5.2.3部分滑移連接構造：采用鉸接＋混凝土柱頂定義約束為“約束水平方向相對位移差”。 對于定義完全滑移與部分滑移的分析模型，必須保留一個梁端為完全約束的普通鉸接節點，否則會出現分析上的可變體系，使分析無法進行。在定義完全滑移或部分滑移約束的情況下，程序分析結果中，在查看該混凝土柱的構件信息時，能夠發現程序實際分析出來的滑移量，根據分析結果可以用來處理設置滑移的節點構造。
5.3施工圖的處理
門式剛架施工圖程序中，能夠根據整體分析的結果，處理這類節點及鋼梁的施工圖。在容許滑移的連接節點施工圖中，底板設置長圓孔，長圓孔標注的長度尺寸為支座底板相對于支承面的容許滑移距離，為保證滑移的順利進行，墊板與底板之間不應施焊，底板于混凝土柱頂接觸面處理應保證支座底板與支承面間在容許距離內自由滑動。對于限制滑移量的連接節點中，當滑移量達到容許距離時支承面應設置可靠抗剪措施，限制繼續滑移，使剩余剪力能夠完全傳遞給柱。
6.結束語
綜上所述，混凝土柱實腹鋼梁單層廠房與門式剛架有相同之處，又有其不同之處。相同之處在于其單個構件的計算和校核，如鋼梁的強度、剛度，穩定性，以及檁條和屋面板的計算和構造。不同之處在于梁和柱是鉸接連接，梁柱受力不同于門式剛架。理解它的受力原理是做好結構設計的關鍵。
【參考文獻】
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［2］GB50010-2010.混凝土結構設計規范.中國建筑工業出版社，2010.
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［5］候兆欣,李秀川.輕型鋼結構建筑節點構造.機械工業出版社，2004:22-28.
中圖分類號：TU391文獻標識碼：A 文章編號：
工程概況
本工程為煙臺恒達機械有限公司廠房。軸線尺寸為150mx（90m+1m+90m），柱距為7.5m。30m六連跨。1～4軸線為頂棚廠房，5～8軸線為廠房。1～2軸線跨內設有一臺中級軟鉤橋式30T/5T吊車，及一臺中級軟鉤橋式20T/5T吊車；2～3軸線、5～6軸線及6～7軸線跨內設有兩臺中級軟鉤電動梁10T吊車；3～4軸線跨內設有兩臺中級軟鉤橋式20T/5T吊車；7～8軸線跨內設有一臺中級軟鉤電動單梁10T吊車及一臺中級軟鉤電動單梁5T吊車，牛腿標高均為8.200。頂棚廠房及廠房標高1.200以下為磚墻，頂棚廠房及廠房標高1.200以上均為單層壓型鋼板；屋面均為單層壓型鋼板。廠房屋面含有采光及口徑為500mm的通風器，具置見建筑施工圖，檐口標高為13.000，軸線1，4、5及8設有組織內天溝排水，屋面排水坡度8％。
結構設計
2.1 荷載取值
⑴、屋面恒載： 0.30KN/m2（不含剛架自重）
⑵、屋面活載：0.50KN/m2
⑶、基本風壓：0.55KN/m2（n=50）（地面粗糙度為B類）
⑷、基本雪壓：0.40KN/m2（n=50）
⑸、詳見《山東光明起重機械有限公司》產品樣本，其中：（a）、“中級軟鉤橋式30T/5T”依據“中級軟鉤橋式32T/5T”；（b）、“中級軟鉤電動單梁10T、5T吊車”分別依據“中級軟鉤橋式10T、5T吊車”。
⑹、抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g：第一組。
2.2 結構選型
根據建筑設計和使用要求，此工程的結構安全等級為二級。
㈠、《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程――總則》1.0.2本規程適用于主要承重結構為單跨或多跨實腹式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或有起重量不大于20t的A1~A5工作級別橋式吊車或3t懸掛式起重機的單層房屋鋼結構的設計、制作和安裝。因此本工程1～4軸線處剛架已經超出《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的規定，按參照《鋼結構設計規范》剛架的規范檢驗需滿足《建筑抗震設計規范》GB50011-2010的相關說明，開始方案選型時,①選用格構式鋼柱（ 吊車噸位≥50t 時選用）（綴板，綴條及靴梁）用鋼量太大、②選用上下階柱（ 吊車噸位≥20t 時選用）上下階截面懸殊不大、③采用上下統一的截面，經過比較，采用此種。但是5～8軸線處剛架可仍參照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》。
㈡、此工程原方案設計橫向180m未設溫度伸縮縫，然而參照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的規定：4.3.1門式剛架輕型房屋鋼結構的溫度區段長度（伸縮縫間距）應符合下列規定：縱向溫度區段不大于300m，橫向溫度區段不大于180m，設置雙柱。（詳見附圖一）
㈢、參照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的規定：4.5.2支撐和剛性系桿的布置宜符合下列規定：7 在設有帶駕駛室且起重量大于15t橋式吊車的跨間，應在屋蓋邊緣設置縱向支撐桁架。（詳見附圖二）
㈣、在《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的規定：6.5.3剛架柱間支撐的內力，應根據該柱列所受縱向風荷載，吊車縱向制動力及地震水平作用力。（詳見附圖三）
㈤、在《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的規定：8.2.5 構件的安裝應符合下列規定： 10 剛架和支撐等配件安裝就位，并經檢測的校核幾何尺寸確認無誤后，應對柱腳底板和基
礎頂面之間的空間采用灌漿料填充。二次灌漿的預留空間，當柱腳鉸接時不宜大于50mm，柱腳剛接時不宜大于100mm。（詳見附圖四）。上述眾多說明是《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS 102：2002與《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS 102：98不同之處。
2.3設計計算
此工程采用PKPM-STS 鋼結構設計軟件進行分析，該軟件經過專家鑒定，目前在眾多設計院使用，該軟件是安全、可靠的。該程序進行內力和位移的分析、計算，而且許多設計參數要認為設定，除生成結果文件pk11.out但是好多同行僅看配筋包絡和鋼結構應力比圖，往往忽略超限信息輸出。
2.4結果分析
由于本工程1～4軸線處剛架已經超出《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》的規定，這樣在梁應力及撓度滿足《鋼結構設計規范》，規范檢驗的前提下，梁柱截面――腹板高厚比，翼緣的寬厚比還應滿足《建筑抗震設計規范》GB50011-2010要求。這一點容易引起很多同行的忽視。但是5～8軸線處剛架可仍參照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》。
三，結論
通過該工程的設計，可以系統的了解設計過程，并且注意一些容易忽視的細節，讓同行引以為鑒，更好的解決設計過程中的一些實際問題。關于設計過程中支撐布置、柱腳設計、屋面次結構設計、吊車梁及車擋等相關構件的設計，因各鋼結構教程及設計手冊中敘述過多，在此不在累述。
參考文獻
主編單位：中國建筑金屬結構協會建筑鋼結構委員會中國建筑標準設計研究所
門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程（CECS 102:2002）。北京：中國計劃出版社，2003
中華人民共和國建設部主編，建筑結構荷載規范（GB 50009-2001）。北京：中國建筑工業出版社，2002
中華人民共和國建設部主編，建筑抗震設計規范（GB 50011-2010）。北京：中國建筑工業出版社，2010
Abstract: combining with engineering practice for ordinary steel structure workshop several problems in the design were analyzed and discussed, including the steel thermal insulating and fire prevention, the structural calculation, etc, so as to provide a reference for the similar projects design.
Keywords: steel structure; Plant design; Pay attention to problems
中圖分類號： TU391 文獻標識碼：A 文章編號：
引言
隨著國家經濟的快速發展，鋼結構在建筑領域起到了舉足輕重的作用，扮演著越來越重要的角色，無論在工業還是民用建筑中，鋼結構以其突出的特點迅速地占領著越來越廣的市場。其特點有：其整體剛度和抗震性能好、施工速度快、自重輕、承載力高，在大跨度及超高層建筑中代替了鋼筋混凝土結構，但也存在著防火性能差、易腐蝕等缺點，在設計中根據其特點揚長避短才能更好地發揮鋼結構的作用，現在就鋼結構工業廠房在設計中的幾個問題作簡單闡述。
1鋼材的保溫隔熱與防火
鋼材具有很高的導熱性能，其導熱系數為50w(m.℃)，當受熱達到100℃以上時，其抗拉強度就會降低，塑性增大；溫度達到250℃時，鋼材抗拉強度會稍提高，但塑性卻降低，出現藍脆現象；溫度達到500℃時，鋼材強度降至很低，會致使鋼結構塌落。所以當鋼結構所處環境溫度達到150℃以上時，就必須做隔熱防火設計。其做法一般為：鋼結構外側包耐火磚、混凝土或硬質防火板材?；蛘咪摻Y構刷厚涂型防火涂料，厚度按《鋼結構防火涂料技術規程》計算。
2結構整體計算
目前的結構計算基本上都采用計算軟件來進行，對軟件的不理解和不熟悉都會造成設計上的不合理，甚至不安全。這里針對以下幾個容易出錯的問題進行探討。
2．1荷載問題
荷載的取值對結構計算影響較大，取小了不安全，取大了不經濟，尤其對于大跨度輕型屋面結構。荷載取值應按照《建筑結構荷載規范》進行。一般情況下屋面恒載應按照實際情況計算取值，屋面活荷載可取O．5kN／m：，風荷載、雪荷載和積灰荷載等按規范，其他附加荷載應按實際情況輸入。需要說明的是，屋面活荷載和雪荷載在計算時應取二者的大值作為活荷載輸入，有積灰的還應考慮積灰荷載。廠房屋面的通風器由于其高度和寬度都較大，計算時應按照實際情況轉化為集中載荷輸入。在廠房的高低屋面處，還應考慮積雪的堆積影響，防止由此產生的屋面結構的破壞。同樣局部風荷載的增大也會使屋面板和檁條的連接被撕壞，從而將屋面板掀起來。
2．2結構計算
目前的鋼結構廠房的計算多采用二維軟件對其中的―榀鋼架進行計算，整體三維分析仍然不夠成熟方便。此處對結構計算時的幾個問題進行簡單分析。
1)屋面梁的平面外計算長度可取隅撐的間距，一般對有托梁體系的小檁距屋面可取兩個檁條的間距(約3m)，對無托梁的大檁距屋面可取檁條間距(約4m)。對重型鋼結構廠房，柱子的平面外計算長度不應考慮隅撐的作用，尤其是格構式下柱，否則是不安全的。
2)階形柱的平面內計算長度應該按照《鋼結構設計規范》[21確定，按線剛度比來確定會導致部分中柱確定的計算長度系數異常。用PKPM系列軟件STS(05版)對某工程進行計算時發現，當柱段中間出現剛接梁(如高低跨情況)，程序就按線剛度比確定柱的計算長度系數，導致該柱的計算長度系數特別異常。新版的PKPM(08版)已改為按照階形柱的方式來確定柱計算長度系數，但仍可以人工按照線剛度比的結果進行修改。筆者認為，對于階形柱，按《鋼結構設計規范》階形柱來確定柱平面內計算長度系數更合理一些。
3)用STS軟件計算廠房柱，荷載組合中沒有單獨的恒+活+吊車的組合，有吊車的組合都有風，有時風作用是有利的，因此在吊車荷載與風荷載同時組合時，對于吊車為主的組合，判斷了一下風載是有利還是不利的，不利時，考慮與吊車進行組合，有利時可以不考慮風荷載。STS(05版)對是否有利是按M、Ⅳ、y各自分別判斷的，因此可能會出現M含有風的組合，Ⅳ則沒有風的組合的不合理情況，導致計算結果偏大；STS(08版)改進為：根據組合的吊車主控制項：如吊1的組合為M。主導作用的組合，則判斷風載是否不利只根據M項來判斷，當為不利時，則同時都把風載肘、Ⅳ、y組合進來，保證是同時發生的，STS(08版)這樣組合更合理。
2．3構件的局部穩定
根據《鋼結構設計規范》，處理板件局部穩定有兩種方式，其一是以屈曲為承載能力的極限狀態，并通過對板件寬厚比的限制，使之不在構件整體失效之前屈曲；其二是允許板件在構件整體失效之前屈曲，并利用其屈曲后強度，構件的承載能力由局部屈曲后的有效截面確定?！督ㄖ拐鹪O計規范》對單層廠房柱、梁的板件寬厚比，較《鋼結構設計規范》中的靜力彈性設計要求嚴。對按寬厚比限值設計的梁進行的粗略統計表明，腹板的用鋼量占梁整體用鋼量的50%―70％。因此有必要采取措施來減少腹板的用鋼量。
降低腹板的厚度―般有兩種方法。―種是設置合適的加勁肋，加勁肋作為腹板的支承，將腹板分段，以提高臨界應力。橫向加勁肋能提高腹板的臨界應力并作為縱向加勁肋的支承，縱向加勁肋對提高彎曲臨界應力特別有效。短加勁肋常用于局部壓應力較大的情況?！督ㄖ拐鹪O計規范》中也提出構件的腹板寬厚比可通過設置縱向加勁肋來減小。
另一種降低構件腹板厚度的方法是適當放松寬厚比限值，并利用腹板屈曲后強度。對多數輕型維護結構的單層鋼結構廠房進行設計計算表明，地震組合多數情況下對梁柱受力都不起控制作用，尤其是在地震烈度較低的地區。有文獻提出即，可偏于安全地根據偶遇地震組合是否控制剛架構件受力作為選擇構件截面板件寬厚比限值的判斷準則。實際上根據大多數廠房的設計計算得出，重型鋼結構廠房的屋面梁多由撓度控制，廠房柱多由剛度和長細比控制，尤其屋面梁一般應力都比較小。因此對于地震組合不起控制作用時，采用《鋼結構設計規范》中彈性階段設計的板件寬厚比限值也是可行的。
實際工程設計時，當地震組合不起控制作用時，建議按鋼結構規范進行設計，并考慮屈曲后強度的利用，可不遵守《建筑抗震設計規范》中單層鋼結構廠房板件寬厚比限值的要求。當地震組合起控制作用時，可根據設置合適的加勁肋來減小腹板厚度，有時也能起到很好的經濟效益。
3溫度伸縮縫的設置
溫度變化將引起鋼結構廠房的變形，使結構產生溫度應力，當廠房平面尺度較大時，為避免產生較大的溫度應力，應在廠房縱橫兩個方向設置溫度伸縮縫，區段的長度可以根據鋼結構規范來執行。溫度伸縮縫一般采用設置雙柱的方法來處理，對縱向溫度伸縮縫可在屋架支座處設置滾動支座。
4屋面支撐系統及屋面設計
屋蓋支撐系統的布置應根據廠房跨度、高度、柱網布置、屋蓋結構形式、吊車噸位和所在地區的抗震設防烈度等條件來決定。一般情況下無論有檁或無檁體系的屋蓋結構均應設置垂直支撐；在無檁體系中，大型屋面板有三點和屋架焊接，可起到上弦支撐作用，但考慮到施工條件的限制和安裝需要。無論有檁或無檁體系屋蓋均應在屋架上弦和天窗架上弦設置上弦橫向支撐。對于屋架間距不小于12m的廠房或廠房內設有特重級橋式吊車或廠房內有較大振動設備的均應設置縱向水平支撐。
屋面的排水及防水設計在屋面設計中需重點考慮，根據《屋面工程技術規范》的規定，屋面坡度最小為5％，在積雪較大的地區，坡度應適當加大。單坡屋面的長度主要取決于所在地區的溫差以及降雨所形成的最大水頭高度。根據工程設計經驗，單坡屋面長度宜控制在70m以內。
目前，市場上鋼結構屋面的做法常用的有兩種：①剛性屋面：雙層彩色壓型鋼板內夾保溫棉；②復合柔性屋面：由屋面彩鋼板內板、隔氣層、保溫層、卷材防水層組成。
5立面設計
輕鋼結構的建筑主要有把握以下4個方面的特征：規模、線條、色彩、變化。
鋼結構廠房的立面主要由工藝布置來決定，在滿足工藝的要求下力求立面簡潔恢宏同時使節點盡量簡單統一。彩色壓型鋼板使得輕鋼廠房的建筑表現得體形輕盈色彩豐富，明顯優于傳統鋼筋混凝土結構的沉重單一。在輕鋼廠房的設計中常采用跳躍性色彩和冷色調，重點突出主要出入口、外天溝、收邊泛水等地方，既體現了現代化廠房的恢宏氣勢，又豐富了立面效果。
傳統的鋼筋混凝土結構廠房，外墻維護為磚砌體，外裝修為涂料或面磚，輔以色帶，由于混凝土屋面設置采光窗效果不理想，設計時通常在墻面設置大量的采光窗。但對于維護墻為彩色壓型鋼板的鋼結構廠房來說則不然。線條是表現輕鋼結構建筑風格最獨特的特征，均勻的線條或橫或豎，使得輕鋼結構建筑富有流暢的金屬質感，體現了強烈的現代工業氣息。若在墻面設置大量采光窗，則破壞了墻面的線條造型，同時，輕鋼結構屋面可以大量使用屋面采光板，采光均勻，同時兼可解決廠房通風問題。
6防銹處理
鋼結構表面直接暴露在大氣中就會銹蝕，當鋼結構廠房空氣中有侵蝕性介質或鋼結構處在潮濕環境中時，鋼結構廠房銹蝕就會更加明顯和嚴重。鋼結構的銹蝕不僅會使構件截面減小，還會使鋼構件表層局部產生銹坑，當構件受力時將引起應力集中現象，使結構過早破壞。因此，對鋼結構廠房構件的防銹蝕問題應予以足夠的重視，并應根據廠房侵蝕介質情況和環境條件在總圖布置、工藝布置、材料選擇等方面采取相應對策和措施，以確保廠房結構的安全。一般鋼結構的防腐常采用防銹底漆和面漆，涂裝層數及厚度常根據其使用環境和涂層性質來決定。一般室內鋼結構在自然大氣介質作用下，要求涂層厚度100μm，即底漆兩道，面漆兩道。露天鋼結構或在工業大氣介質作用下的鋼結構，要求漆膜總厚度為150μm～200μm。且在酸環境中的鋼結構要求使用氯磺化防酸漆。鋼柱柱腳在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹，其保護層厚度不小于50mm。
結束語
總之，鋼結構廠房在滿足工藝布置的前提下，選擇合適的結構體系能使結構受力合理、安全可靠，且能有效降低結構造價。
參考文獻：
【1】GB50009-2001建筑結構荷載規范(2006年版)【S】．
【2】GB50017―2003鋼結構設計規范【S】．
前言
輕型鋼結構是近半個世紀來，國內外應用與發展速度最快、使用最多的新型鋼結構形式，被廣泛應用于工業、民用和較大空間的公共建筑，除了具有傳統鋼結構的施工速度快、結構空間大等優點外，還具有鋼材用量更少、建筑類型更自由、造價低廉等更大的綜合優勢。特別是近年來，鋼結構在我國的迅猛發展，使得門式剛架結構體系作為一種有較大優勢的輕型鋼結構，在我國更是大量的設計和使用。近十幾年來，我國彩色鋼板的產量大大增加，與此同時焊接H型鋼從出現，到廣為使用，也不過十幾年，這都為門式剛架的大量使用創造了客觀的物質條件，目前，我國建成門式剛架結構工程已達上千萬平方米，據不完全統計每年還在以幾百萬平方米的速度增加。
1、 屋面活荷載的確定
《鋼結構設計規范》 （GB50017）作為門式剛架結構設計的主要依據，根據《鋼結構設計規范》可知：不上人屋面的活荷載為0. 5kN/m2,如果構件的承受荷載面積大于60m2時，可以取面積折減系數0. 6，門式剛架上部的承載面積一般都大于60m2，基本都滿足此條件，故設計時活荷載可取值為0.3 kN /m2，此種取值對于剛架的設計應該是沒有問題的，但是全面考慮整個屋面結構，包括屋面檁條和屋面板，如果全部設計都按照0.3kN /m2取值，偏于冒險，我們參考了國外相關規范考慮到0.15kN/m2~0.60kN/m2的附加荷載。而筆者查閱相關的規范，包括：《鋼結構設計規范》（GB50017）、《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》（GB50018）和《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS 102：2002）都未對此問題作出規定，據筆者所見現在有的框架梁過細，檁條過小，有明顯克扣荷載的現象，如果遇到特殊的超載情況例如大風、大雪或其他原因，整個結構就會出現安全隱患，所以筆者還是建議活荷載取0. 5kN /m2。
2、結構力學設計方法及考慮抗震影響的設計
門式剛架由于其受力情況，一般都采用變截面結構設計，而變截面結構必須采用彈性分析方法確定各種內力（《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》要求），彈塑性分析方法僅在結構均為等截面構件時才使用。變截面門式剛架一般均采用平面結構分析內力，而不考慮應力蒙皮效應。由于單層門式剛架結構自重小，承載力一般不考慮地震作用效應組合，所以我們既可以認為不需進行抗震計算。但按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》規定，對于寬度較大的剛架或豎向高度很大的剛架，或長度很大的縱向剛架，包括有夾層、吊重、橋式吊車等結構情況，則必須考慮地震作用效應，必須進行包括地震荷載作用的組合驗算。筆者對不同情況進行了計算分析可知，對于單層門式剛架（無吊車），地震烈度考慮為6度至7度時，地震作用對門式剛架的設計沒有任何影響；對于地震烈度為8度或更大時，同時考慮剛架的跨高比大于3.5，地震作用對門式剛架結構設計仍然沒有任何影響；當剛架的跨高比設定為1.5~3.5時，地震作用對門式剛架的設計起到較大作用，且跨高比為 1.5 時，地震作用的影響最大。
3、結構的優化設計
設計過程除了保證正常使用的安全外，還要最大可能的發揮出門式剛架輕型房屋結構的長處和優點。由于輕型鋼結構構件在生產過程中任意性較大，輕質屋（墻）面的布置十分靈活。上述優點保證了門式剛架輕型房屋的生產和施工基本可以做到量體裁衣。也就為我們設計者提出了保證設計合理化、結構安全化、降低投資造價等優化要求。
3.1.結構跨度的確定
廠房跨度往往由生產工藝流程和廠房使用功能等因素決定著，大部分投資方都會要求設計者按照自己的使用需要，確定經濟合理的結構跨度。在滿足使用者的生產工藝和使用功能的基礎上，結構的高度是確定結構的跨度的較大影響因素。經過筆者比對演算，如果確定柱高及上部荷載，適當加大結構跨度，整體結構的用鋼量并無較大程度增加，但是加大了可利用空間，降低了基礎造價，取得了較大的綜合效益。
經驗算可知，設定檐高為6m、柱距為7.5m，且荷載情況完全相同時，跨度在18~30m范圍內的剛架，單位面積用鋼量（Q235B）為18~28kg/m2，當跨度在 21~48m范圍內的剛架，單位用鋼量為25~40kg/m2。但是，一旦跨度超過48m時盡量采用多跨剛架（且中間必須設置搖擺柱），其用鋼量與單跨剛架比較，節約 18%左右，因此設計門式剛架時，必須根據具體情況、投資者的要求來選擇合理跨度的剛架，而不宜盲目追求大空間、大跨度。
3.2.結構最優柱距的確定
剛架柱距的選擇需考慮如下因素：1、剛架的跨度2、屋面荷載3、檁條形式，如果要求為較小剛架跨度，而選用了較大的柱距，會增加檁條使用量，加大了用鋼量，這對業主而言是不負責任的。門式剛架存在著最優柱距范圍，即門式剛架的柱距應設定在6m~9m之間，超過9m時屋面檁條與墻梁體系的用鋼量增加過多，沒有達到減少造價的目的。
4、結構設計應給予重視的幾種情況
4.1. 柱腳螺栓抗剪及抗拔
近年來，各地出現多起使用中的門式剛架輕鋼房屋被大風將錨栓拔起，造成較嚴重的事故，所以《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》明確規定，必須進行柱腳錨栓的抗拔驗算。柱腳錨栓不能參加抗剪，水力應由底板與混凝土基礎間的摩擦力承受，超出時應設置抗剪鍵。
4.2. 隅撐設置
隅撐的作用是保證剛架在斜梁受壓下翼緣和剛架柱受壓翼緣出平面外穩定，是重要的控制構件穩定性的構件。《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》規定“在檐口位置，剛架斜梁與柱內翼緣交接點附近的檁條和墻梁處各設一道隅撐”，就是為了保證該處的穩定性。部分柱也應該設置隅撐，必須根據實際情況計算后設置，而當遇到較高柱時，必須分段后，驗算平面外的穩定性。
4.3.柱間縱向支撐設置
部分多跨門式剛架輕鋼房屋，往往只在邊跨設置柱間支撐，卻沒有在中間柱列設置柱間支撐。為了保證使用的安全性，建議如果不能設置中跨柱間交叉支撐時，可設置人字支撐等其他形式的支撐，或采用縱向支撐。
5、結語
由于我國輕鋼結構起步較晚，在理論和實踐中與世界先進水平仍有較大差距，所以建議在設計中，對于門式剛架構件的截面尺寸需經多次試算才可確定。目前部分鋼結構設計人員的設計經驗還很少，選擇的截面形式容易造成結構整體的應力不均，且經濟指標不合理，甚至影響整體結構的安全度。因此為了保證安全、增加經濟效益，必須要求相關設計人員進一步扭轉我們的設計觀念，以工程的設計質量為先，推動我國門式剛架輕型鋼結構的向前發展。
參考文獻：
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[2]JTG D30-2004 GB50017-2003鋼結構設計規范[S].
Abstract: this paper combine with the design work in the project, introduced the program some of the technical issues involved in the design process and discussion to determine program results from the structural arrangement, roof beams election shaped beam-column joints design, modeling, calculation, specification, support setting, retaining wall, wall design, several key aspects,.Key words: concrete columns; steel beams; structural design; their feelings and experiences
中圖分類號：TU375 文獻標識碼：A文章編號：2095-2104（2012）02-
門式剛架結構以其自重輕、跨度大、施工周期短等優點，早已成為建筑結構中應用最廣泛的類型之一。近年來，由于防腐防火處理、后期維護等多方面的原因，一些業主提出采用混凝土柱代替門式剛架中的鋼柱。于是，這種混凝土柱鋼梁新型結構形式也得到越來越多的應用。
但是，對于設計人員而言，這種結構類型目前還沒有相應的規范、標準可以參照，這給設計工作帶來了很多麻煩，特別是對設計經驗不豐富的新手，如果對這種結構體系認識不清楚，盲目著手設計，可能會使結構存在很多安全隱患，甚至造成結構傾覆、垮塌等工程事故。
1、工程概況
本工程為一個成品存儲倉庫，長90m，寬30m，位于8度地震區，業主希望采用混凝土柱---輕鋼屋蓋結構，檐口高5m，圍護墻為磚墻。
建筑方案初步定為：現澆混凝土柱，縱向柱距7.5m，柱外側貼砌240mm磚墻，鋼梁屋架，彩鋼板夾聚苯乙烯保溫板屋面，坡度1:10。
2、結構平面布置
因倉庫長度為90m，依據《混凝土結構設計規范》大于55m需設置伸縮縫，而依據《鋼結構設計規范》，屋蓋伸縮縫的最小間距也可達120m，不需要設置。針對這一矛盾，有兩種方法解決：一是在縱向柱間設型鋼支撐，桿件連接的螺栓孔處理成長圓孔來消化溫度變形；二是設置雙柱，并在雙柱兩側屋蓋設置橫向水平支撐。
從保證倉庫整體性和施工方便性角度考慮，確定選用方案一。
3、屋面梁選形
這類混合結構屋面梁的常見形式有兩種：梁底面接近水平的變截面實腹鋼梁和等截面人字形實腹鋼梁。
底平變截面實腹鋼梁結構在豎向荷載作用下，柱頂不產生水平推力及由水平推力產生的柱頂水平位移，柱底也無彎矩，柱子受力簡單，內力較小，基礎面積也較小，但鋼梁在跨中屋脊處撓度較大，需增大梁截面，這給鋼梁焊接和施工增加了難度，同時也提高了造價。
等截面人字形實腹鋼梁結構在豎向荷載作用下，柱頂會產生一定的推力和水平位移，在計算和分析時比較復雜，但結構形式比較簡單，制作和施工難度小，工程造價也相對較低。
結合本工程的特點及業主的要求，確定采用等截面人字形實腹鋼梁。
4、梁柱節點設計
排架柱采用現澆混凝土柱，柱底剛接。
柱頂與鋼梁的節點連接形式主要有剛接和鉸接兩種形式。
由于混凝土柱屬于脆性材料，鋼梁屬于彈性材料，即使通過加強配筋來提高柱頂的抗彎剪能力，兩者的連接也很難達到剛接要求，且節點設計和施工都比較復雜，故一般不采用剛接，而使用鉸接形式。
按鉸接形式設計時，人字形鋼梁相當于兩端鉸接的折線拱，應按拱的受力特點進行計算。鋼梁與柱頂一般采用錨栓連接，螺栓不傳遞剪力，剪力由焊接于節點板底的抗剪鍵承擔，也有采用柱頂埋設預埋鋼板的方法與鋼梁拱腳連接。
對于較大跨度結構，柱頂水平推力較大，會導致柱底彎矩和柱配筋很大，基礎面積也會偏大，提高了工程造價。本工程中倉庫的跨度為30m，屬于較大跨度結構，按1:10的坡度計算，屋脊處的矢高達1.5m，跨中彎矩和撓度都會很大，由水平推力產生的柱底彎矩也非常大。
為解決這一問題，考慮在鋼梁底部增設拉桿來承受其產生的水平推力。梁柱節點采用4M30錨栓鉸接，拉桿可采用圓鋼或油浸鋼絞線。
5、建模計算和規范選擇
這類結構的設計仍可采用PKPM軟件進行。用STS門式剛架的程序建模，順序跟設計門式剛架一樣，鋼梁與混凝土柱的連接連接形式改為鉸接，由于連接形式的不同，致使這種體系單榀剛架的受力與一般的門式剛架不同，設計時不能簡單的把門式剛架的鋼柱替換為混凝土柱，應采用混凝土柱與鋼梁整體建模分析，并以整體分析的結果來設計基礎、混凝土柱的配筋與鋼梁。若把混凝土柱和鋼梁分開進行設計時，往往給設計結果帶來安全隱患。
在目前版本的STS中，可以考慮混凝土柱與鋼梁的整體建模，整體分析，程序會自動根據整體分析的結果，按照《混凝土結構設計規范》進行混凝土柱配筋、驗算，按照選定的鋼梁構件驗算規范進行鋼梁的驗算，在布置基礎的情況下，也能同時根據整體分析柱底力完成基礎的計算。
這類結構已經超出門規的使用范圍，參數設置時，應將結構類型選擇為“單層鋼結構廠房”，本工程位于8度地震區，選擇“考慮地震作用計算”，程序會自動按照抗震規范的規定進行控制。混凝土柱應按《混凝土結構設計規范》進行設計，滿足其相應要求，鋼梁應滿足《鋼結構設計規范》相關要求。
在撓度控制方面，考慮到所采用的輕型屋面體系對鋼梁撓度不敏感，所以此處可較鋼結構設計規范的撓度控制指標（L/400）適當放寬到L/250。
6、支撐布置
為保證縱向的結構整體剛度，并考慮到倉庫長90m，抗震設防烈度為8度，在倉庫縱向兩端第二開間和中部1/3區段設置兩道柱間支撐，支撐桿件連接的螺栓孔處理成長圓孔。柱間支撐設置開間同時設置屋蓋橫向水平支撐，在兩端第一開間設置剛性系桿。兩端山墻處也要設置鋼梁，不能將屋面直接采用山墻承重。
7、圍護墻、隔墻設計
本工程位于8度區，有抗震設防要求，圍護墻和隔墻應符合下列要求：
⑴砌體隔墻與柱宜脫開或柔性連接，并采取措施使墻體穩定，隔墻頂部設現澆鋼筋混凝土壓頂梁。
⑵砌體圍護墻采用外貼式并與柱可靠拉結。
⑶砌體圍護墻在門洞口上設一道圈梁，當圈梁被門窗洞口截斷時，在洞口上部增設相同截面的附加圈梁。附加圈梁與圈梁的搭接長度不應小于其中到中垂直間距的二倍，且不得小于1m；圈梁兼作過梁時按相關構造要求在梁底加筋。
⑷山墻沿屋面應設鋼筋混凝土臥梁，并與屋架端部上弦標高處的圈梁連接。
⑸圈梁的構造應符合下列規定：
①采用閉合式圈梁，圈梁截面寬度與墻厚相同，截面高度不小于180mm；圈梁的縱筋采用4φ12。
②轉角處柱頂圈梁在端開間范圍內的縱筋采用4φ14，轉角兩側各lm范圍內的箍筋采用φ8@ l00；圈梁轉角處增設3根直徑與縱筋相同的水平斜筋。
③圈梁與柱或屋架牢固連接，山墻臥梁應與屋面板拉結；頂部圈梁與柱或屋架連接的錨拉鋼筋采用4φ12，且錨固長度不宜少于35倍鋼筋直徑。
8、結語
雖然這類混凝土柱鋼梁的結構形式越來越多見，但所有規范均未明確規定其設計方法和構造要求，設計中也一直存在很多有爭議的問題，本文中的一些處理方法，也只針對該工程中涉及的問題，供同行參考。
參考文獻：
[1] GB50017-2003，鋼結構設計規范，中國建筑工業出版社，2003
[2] GB50010-2010，混凝土結構設計規范，中國建筑工業出版社，2010
[3] GB50011-2010，建筑抗震設計規范，中國建筑工業出版社，2010
[4] CECS102：2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程，中國計劃出版社，2003
中圖分類號：TU37文獻標識碼： A 文章編號：
引言
鋼結構建筑有著施工周期短、結構荷載較小、抗震性強等優點在廠房建設中被廣泛應用，文中根據現行《鋼結構設計規范》GB50017-2003的規定，對鋼結構設計常見問題進行分析。
一、鋼結構的穩定設計的重要性
鋼結構的穩定性是鋼結構設計中常見的問題，在各種類型建筑的鋼結構設計中穩定性都擺在首位，鋼結構的穩定問題是鋼結構設計中主要的問題之一。如果一旦出現鋼結構穩定性問題，就會造成嚴重的經濟損失，甚至會造成人員傷亡。所以我們必須把握好鋼結構設計的質量，目前鋼結構失穩事故頻發，主要原因來源于設計問題，所對鋼結構各部位構件的問題性必須清晰，尤其對鋼結構中需要進行穩定加固的部位進行針對性設計，所以在設計中必須明確鋼結構穩定性的定義，只有這樣才能更好保證鋼結構的穩定性。
二、鋼結構設計中的常見問題及解決方式
穩定問題和強度問題都和建筑的變形有著實質的關系。當柱在荷載過大情況下，容易產生失穩狀況，這時側向撓度會加大柱的彎矩，在柱受到破壞荷載的情況下，柱的強度就會低于軸壓強度。鋼結構在設計中要保證穩定性就要遵守如下的原則；
1.結構的整體布置要保證整體和各部分都達到穩定性。結構大多數設計要按照平面體系進行設計。例如框架、橫梁，這樣可以保證平面結構不出現失穩狀況，所以在結構的布置上考慮。要在關鍵節點設置支撐構件，保證結構的平面體系的兩側都必須與結構布置相同。
2.結構的受力計算要和實際計算方法相同，在單層和多層框架結構設計時，會忽略框架穩定性分析，而直接對框架、柱使用穩定計算來代替。在這種情況下計算框架穩定時的柱計算長度系數要通過框架的穩定分析得出，這樣才能使柱穩定計算和框架計算相同。但是在實際框架中結構樣式繁多，在設計中就會對結構計算進行簡算。所以需要設定特殊條件，根據這些假定，框架各柱的穩定參數和桿件穩定計算常用的方法就會根據簡化的假定情況得出，在設計過程中必須明確設計的結構符合設定條件時才能應用。
3.結構在穩定計算中必須加強對細部構件的計算。保證細部構件和構件之間的穩定計算一致，結構和設計相互符合。結構設計中對結構結算和構造設計必須提高關注。
4.在進行彎矩傳遞和非彎矩傳遞的節點連接中，必須包含足夠的剛度和柔度，并對桁架節點減少桿件的偏心設計，這些都是在細部設計中最需要考慮的。但是涉及到穩定性時，建筑在構造要求中必須保證不同的強度要求，還要對特殊情況進行考慮。在對整體梁的處理要嚴格要求，并且支座還必須有一定的阻扭性，同時要保證梁在平面轉動和梁端截面自由移動，以滿足邊界穩定的條件。GB50017-2003《鋼結構設計規范》第4.2.5條已經在對梁的支座采取相應的措施，以保證梁截面穩定。
5.在圍護結構中要加強對檀條的設計系數。并按GB50017-2003《鋼結構設計規范》和CECS102-2002《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（簡稱“輕鋼結構規程”）相關條文的要求進行平面內及平面外強度、穩定、變形等計算，但對檁條平面外計算長度起決定作用的拉條、斜拉條、撐桿的布置概念較為模糊，特別是斜拉條如何設置、在何處設置撐桿等不十分明確。如《輕鋼結構規程》第6.3.5條已明確規定當檁條跨度大于6m時，應在檁條跨度三分點各設一道拉條（或撐桿），斜拉條應與剛性檁條連接。對于前者一般能做到，而對于斜拉條的連接及撐桿的設置往往被設計者所忽視。曾經有設計者將斜拉條上端固定在柔性檁條上，且最上端兩根檁條間的拉條仍設置為柔性拉條。對于對稱屋面的檁條布置是有條件的，就是屋脊處兩邊的兩根檁條必須連在一起，考慮兩側檁條的拉力平衡；但對于不對稱的屋面來說，由于兩側拉力不可能平衡，無論從受力還是傳力角度來說這樣的布置顯然是錯誤的。所以決定檁條側向計算長度的拉條、斜拉條、撐桿的布置必須具體分析，并于計算假定相一致?！遁p鋼結構規程》第6.4.3條非常明確地規定在最上層墻架處宜設斜拉條，將拉力傳至承重柱或墻架柱上。
6.在實際工程設計中有些設計者對屋面或墻架最上端檁條的側向支撐，如拉條、斜拉條、撐桿能正確設置，但對中間墻面或屋面，如門窗洞口、屋面風機開孔處、屋面天窗（采光窗）等處，經常只設拉條，而漏設斜拉條和撐桿等，根本無法將拉條上的拉力傳至承重結構上。
最根本的原因是對拉條和撐桿等構件作用不清晰，造成誤解。設計者對條文規范不清晰就會為圍護結構在設計上帶來鋼結構的安全隱患，因為這時鋼構件的抗扭力對鋼結構的受力很大，同時由于其抗扭力脆弱，造成截面面中工字鋼和箱形的截面扭轉常數為1：500，最大的扭轉剪力會高達30：1，同時受扭構件的受力狀態十分復雜，除了因彎矩所產生的扭曲正應力和剪應力還要承受因扭轉所產生的正應力和剪力，這時就造成了處理復雜受力狀況下的構件處理困難的情況。所以在實際的建筑結構設計中，會在結構布置的問題上最大限度的避免構件受到不規律扭力，并制定有效的防止措施對其保護，如果無法對扭力進行抵抗就需要放棄工字鋼梁，而采取閉合箱式梁。
7.在XX電廠的廠房樓結構設計中采用了大量的工字鋼梁和寬翼梁。但是由于室內設備工藝和裝飾要求，都要在鋼梁下懸掛設備，這就造成了吊重荷載力的產生，所以在設計中我們必須考慮到采用有效措施對水平力和結構構件的扭矩影響。我們在一般情況下會采用密鋪樓蓋或現澆樓板將上翼緣的水平力傳導至框架主體上，來達到消除結構梁所產生的扭矩影響。但是當有其他水平力作用在鋼梁下部時，梁的實際受力就會受多方面的影響，其中鋼梁上翼緣無密鋪樓蓋或現澆樓板，梁將受到雙向彎曲且受扭曲狀態；另一種為鋼梁上翼緣有密鋪樓蓋或現澆樓板，可以阻止梁上翼緣的受扭，鋼梁僅局部受扭。
三、結束語
鋼結構在設計中必須保證結構的穩定性，這是鋼結構質量保證根本條件，另外進行結構的受力計算要和實際計算方法相同，以保證設計的合理性。我們在設計中要注意對構造件尺寸的設計，必須符合實際施工要求，對大型結構件的設計必須控制，以提高施工中的效率，保證設計的最優化。
參考文獻：
[1]唐群；高層鋼結構框架整體穩定性分析[D]；遼寧工程技術大學；2009年.
