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中图分类号：G6420 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2013）02-0098-05
路基路面工程是土木工程（交通土建）专业和交通工程专业实践性很强的主要专业课之一，对培养道路工程应用型人才起重要作用。课程主要研究路基路面的基本概念、设计原理、计算方法和施工管理技术等内容。由于公路工程技术的不断发展，交通部在1995年后陆续颁布了《公路路基设计规范》（1995年）、《公路路基施工技术规范》（1995年）、《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（1996年）、《公路排水设计规范》（1996年）、《公路沥青路面设计规范》（2006年）、《公路改性沥青路面施工技术规范》（1998年）、《水泥混凝土路面设计规范》（2011年）等。但是，全国多数高校所用的路基路面工程教材的出版跟不上规范更新的步法，规范中的新内容在教科书中没有及时更新，这就给正常的授课带来较大困难。如果完全依照现有教材讲解，有些内容已经在道路工程实际设计或使用中不再适用，这样的教学会对学生形成一种误导。如果按照新出版规范授课，无论学生还是教师，都没有可作为授课的合适教材，这就给课堂教学带来极大困难。为此也有一些学者对这方面的教学内容进行了探讨和研究[1-2]。
基于上述原因，针对新旧规范的不同之处，结合课程对应的不同授课学时要求和教育部关于土木工程专业建设的要求[3]，对2009版路基路面工程课程教学大纲[4]进行了修改。重点是教学内容的增减、教学方法的改变、作业布置方案的变化、习题课的增加等。根据沥青路面结构设计和水泥路面结构设计的新规范[5-6]，重点介绍新规范中主要的修改内容，包括设计理论和设计方法，讲解现行沥青和水泥路面结构设计分析的详细计算过程。通过对比论述，提醒学生注意新规范的修改之处对实际工程中道路设计结果的影响。根据上述修改内容，基于实际工程结构资料，编写了多个适用的算例，方便学生学习使用。
一、基于新规范下教学内容的修改和增补
（一）沥青路面设计章节教学内容的修改增补
1.新规范中修改内容简介
较上一版规范（JTJ 014―97）《公路沥青路面设计规范》，新规范[5]中新增内容主要表现在：
（1）强调按实际情况做好交通荷载分析与预测，按照全寿命周期成本的理念进行路面设计。
（2）采取防止早期损坏的技术措施，加强材料、混合料和路面结构组合设计的要求，增加柔性基层、贫混凝土基层等设计内容。
（3）细化半刚性基层混合料继配类型，调整集料继配范围，补充了二灰稳定集料抗冻性设计要求。
（4）路面厚度计算方法在参数取值和旧路补强公式上有所改进。
（5）增加了旧水泥混凝土路面加铺沥青层设计内容。
（6）补充了水泥混凝土桥面沥青铺装设计内容。
2.多层体系路面结构向三层体系转换
由于最新规范的设计计算是基于配套出版或其他正式出版的路面结构设计软件（如HPDS2011）而进行设计计算的，如果没有这些软件，路面结构设计就无从下手。换句话说，最新规范中在已知某些路面结构设计参数（如交通量、道路等级、设计年限、各层路面结构材料参数等）的基础上，只介绍了如何基于软件进行道路最终结构的调试和设计，没有介绍这些软件是基于哪些计算公式，如何对路面进行中间的计算和最后结果的选择。况且，最新出版的相关教材，也没有再介绍如何利用手算方法进行多层路面结构的设计和计算。另外，以学校目前的教学条件，在授课过程中，还不能做到所有学生均配备计算机，加上软件计算的中间过程学生不熟悉，无法更深层次地理解多层路面结构的理论设计过程，即使课程学习结束，对沥青路面结构的设计也不会用手算。针对这些情况，笔者在最近几年的授课中，为使学生学会用手算方法进行沥青路面结构的设计计算，加深对沥青路面结构设计理论和具体计算方法的理解，增加了多层体系向三层体系的转换方法讲解，这也是目前沥青路面结构设计软件中采用的中间计算方法。
在进行多层体系向三层体系的转换中，需要查阅一些诺模图，为此，课题组将这些诺模图整理后上传至学校教务处的精品课程网站上，作为结构设计计算的辅助资料供学生自由下载和打印。根据计算目的的不同，三层体系转换的计算公式也不尽相同，大致有以下几类。
（1）弯沉等效换算法：结合已知的三层体系弯沉诺模图，将多层体系路面结构按照面层顶面弯沉相等的原则换算为三层体系，如图1所示。对应的具体换算公式为
（二）水泥路面设计章节教学内容的修改增补
1新规范中修改内容
较前一版规范相比，新规范[6]中新增内容有：
（1）混凝土板极限断裂的验算标准和贫混凝土及碾压混凝土基层的疲劳断裂设计标准。
（2）考虑特重车辆和专用道路结构设计，增加了极重交通荷载等级。
（3）改进接缝设计及填缝材料的选型。
（4）完善连续配筋的裂缝间距和裂缝宽度两个设计指标的计算公式。
（5）提高混凝土板错台量和接缝传荷能力的评级标准。
（6）完善材料设计参数经验参考值。
由于最新规范在2011年12月才出版，较上一版规范改动量非常大，尤其是在水泥路面结构设计过程中所用公式与前一版规范完全不同，现有教材水泥路面结构设计章节的计算公式全部不再适用，而且目前还未见针对最新规范出版相应的教材，这就造成已有教材的水泥路面结构设计章节与新规范不符，不能继续讲授。在这种情况下，作为一线授课教师，必须提前给学生准备补充讲义，并且在课堂教学中把最新规范的设计理念和计算公式讲授给学生。另外，新规范的设计计算是基于规范配套出版或其他正式出版的路面结构设计软件（如HPDS2011）而进行设计计算的，不便于学生熟练掌握和运用。为此，从2012年开始，针对水泥路面结构设计章节，笔者重新编写了教案、讲义、课程课件，以及作业习题等授课资料。
2新规范下水泥路面结构应力计算
由于规范中规定的水泥混凝土路面结构设计理论是采用设计验算法，根据已知的交通量、道路等级、地区区划，以及建筑材料等资料，初步拟定待设计结构组合，然后对该结构进行荷载应力和疲劳应力的分析计算，最后利用可靠度系数对结构进行应力的校核。新规范中突出的一点是除了上述验算之外，还增加了道路最大荷载作用下结构的应力校核计算。新规范中对应水泥路面结构设计时的应力计算方法如下[6]。
（1）荷载应力。设计轴载在临界荷位处产生的荷载疲劳应力σpr=krkfkcσps。
最重轴载在临界荷位处产生的最大荷载应力σp，max=krkcσpm。
其中，σpm为最重荷载在四边自由板临界荷位处产生的混凝土板的最大荷载应力。
kr为考虑接缝传荷能力应力折减系数，纵缝为设拉杆平缝时，kr=0.87～0.92（刚性和半刚性基层取低值，柔性基层取高值）；纵缝为设拉杆企口缝时，kr=0.76～0.84；纵缝为不设拉杆平缝或自由边时kr=1.0。
kc为考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，按公路等级查表16-24确定。
kf=Nνe为考虑设计基准期内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数。
特别的，设计轴载PS和最重轴载Pm在四边自由板临界荷位处产生的荷载应力（MPa）为：
σps=1.47×10-3r0.70h-2cP0.94s，
σpm=1.47×10-3r0.70h-2cP0.94m，
（3）极限状态的校核。水泥混凝土路面“单层板”结构设计中，根据水泥路面结构设计的一些已知参数，查阅规范中相应的表格，选定待设计路面结构的可靠度系数，以及路面材料的弯拉强度标准值fr，在上面荷载应力和温度应力计算的基础上，最后利用γr （σp r + σtr ）≤fr ，γr （σp ，max + σt，max ）≤fr 进行校核。如果满足，说明前面拟定的水泥路面结构满足荷载和温度对它的综合作用效果；否则对已拟定的水泥路面结构各层进行重新拟定，并重复上述步骤进行计算。
关于水泥混凝土路面弹性地基“双层板”“复合板”“有沥青上面层”的水泥混凝土板的荷载应力和温度应力，以及“加筋”水泥混凝土路面结构设计详见最新规范。
二、教材选用和教学大纲的修改
（一）教材的选用
土木工程专业和交通工程专业培养方案中，都有路基路面工程这门课，分别为56和42学时。前几年采用同济大学出版社出版的教材[7]，沥青路面结构设计新规范出版后，全国陆续出版了基于新规范编写的教材，故两年前已经改换为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设计规范》在2011年底才出版，目前使用的教材在水泥路面结构设计章节也还是旧的内容，为此，笔者负责编写了补充讲义，作为这部分教学内容的补充教材使用，使学生在校学习期间便能够学到最新的技术规范、标准和先进的科技知识，实现了教学内容与科技进步、行业技术规范的紧密结合。
（二）教学大纲的调整
由于上述教学内容的增加和补充，致使2009年补充制定的路基路面工程课程教学大纲[3]与目前实际教学要求不符，为此将上述沥青路面结构设计时涉及的多层体系换算教学内容增加到教学大纲中，约2学时。考虑土木工程专业已提前开设弹性力学课程，讲解了多层体系的理论分析内容，因此，在满足沥青路面设计章节总学时不变的前提下，在路基路面工程授课中减少了2学时路面结构弹性多层体系理论分析的授课内容。
对水泥混凝土路面结构设计章节，由于新规范中的设计理论基本没变，只是对应的计算公式发生了变化，故将原来的授课内容进行相应的替换即可，授课学时基本不变。
另外，由于新规范出版后路面结构设计内容和计算项目的增加，原来教学大纲中的习题课学时（4学时）已经不能满足授课需求。为了增加习题课授课学时，针对土木工程专业和交通工程专业的学生，从2010年开始另外增开了32学时的路基路面检测选修课，其中有一部分试验教学内容和路基路面工程课程类似，经学科组讨论决定，将原来课程中试验部分的授课学时（约4学时左右）减少2学时，用于增加沥青和水泥路面结构设计的习题课学时。
三、结语
根据教育部下发的有关普通高等学校本科专业建设的要求和内蒙古工业大学教学大纲文件中关于课程建设的要求，课题组对最新出版规范进行研究。经过学院教学委员会的同意，对路基路面工程课程的授课内容和教学大纲作了部分修改和调整，涉及的内容有以下4点：
（1）增加了沥青路面结构设计章节中多层体系换算的授课教学计划，对应地减少了路面结构弹性多层体系理论分析的授课学时。
（2）根据最新规范，对水泥混凝土路面结构设计章节的内容全部进行替换。
（3）增加路面结构设计章节中的习题课授课内容，同时减少路基路面工程课程中试验方面的授课学时。
（4）针对上述修改内容，编写了课程的多媒体课件，具体修改、制定了2009版教学大纲和对应的教学计划。
另外，还将已经购买的正版HPDS2006路面设计软件升级到HPDS2011，方便按最新规范进行演示教学。在2009级学生的实践和调查回访中，学生普遍反映教学效果良好，说明基于最新出版规范，对路基路面工程课程教学内容的改革有利于提高教学质量。
参考文献：
[1] 宋高嵩，张春萍，王剑英.路基路面工程课程教学改革探讨[J].哈尔滨学院学报，2002，23（8）：152-153.
[2] 马培建，朱亚光.土木工程专业路基路面课程教学内容及方法探讨[J].高等建筑教育，2003，12（3）：41-43.
[3]内蒙古工业大学理论课教学大纲（土木工程学院道交系部分）[Z].2009.
[4] 教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和业介绍[M].北京：高等教育出版社，1998.
[5] 中华人民共和国交通部.JTG D5―2006沥青混凝土路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2006.
[6] 中华人民共和国交通部.JTG D40―2011公路水泥混凝土路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2011.
[7] 陆鼎中，陈家驹.路基路面工程[M].上海：同济大学出版社，2006.
[8] 邓学均.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关系及其应用
在二十世纪五十年代，当美国的权威人士G.W.Houser导出了第一条地震反应谱和对地震激励下的弹性反应规律的研究很快被学术界接受后，人们很快发现了一个与当时的抗震设计方法相矛盾的问题，那就是例如对一个第一振型周期为0.5s~1.5s，阻尼比为0.05的结构，结构地震反应加速度约为地面运动峰值加速度的1.5~2.5倍，比如赋予上述结构一个不大的地面运动加速度0.15g，则根据反应谱导出的结构反应加速度已达到0.23g~0.375g，而世界各国当时的设计规定中一般用来确定水平地震力大小的加速度只有0.04g~0.15g，但让人不解是，震害表明，虽然设计用的反应加速度很小，但结构在地震中的损伤却不太大。这么大的差距是不能用安全性或设计误差来解释的，于是，各国的学术界加紧了对这一问题的研究，大家通过对单自由度体系的屈服水准、自振周期（弹性）以及最大非弹性动力反应之间的关系；同时还研究了当地面运动特征（包含场地土特征）不同时，给这种关系带来的变化，我们把这方面的研究工作关系其中R是指在一个地面运动下最大弹性反应力与非弹性反应屈服力之间的比值，称为弹塑性反应地震力降低系数，简称地震力降低系数或者反应调节系数；µ为最大非弹性反应位移与屈服位移的比值，称为位移延性系数；T则为按弹性刚度求得的结构自振周期。研究表明，对于长周期（指弹性周期且T>1.0s）的结构可以适用“等位移法则”，即弹性体系与弹塑性体系的最大位移反应总是基本相同的；而对于中周期（指弹性周期且0.12s
之所以存在上诉规律，我们应该注意到钢筋混凝土结构的一些相关特性。首先，通过人为措施可以使结构具有一定的延性，即结构在外部作用下，可以发生足够的非线性变形，而又维持承载力不会下降的属性。这样就可以保证结构在进入较大非线性变形时，不会出现因强度急剧下降而导致的严重破坏和倒塌，从而使结构在非线性变形状态下耗能成为可能。其次，作为非线弹性材料的钢筋混凝土结构，在一定的外力作用下，结构将从弹性进入非弹性状态。在非弹性变形过程中，外力做功全部变为热能，并传入空气中耗散掉。我们可以进一步以单质点体系的无阻尼振动来分析，在弹性范围振动时，惯性力与弹性恢复力总处于动态平衡状态，体系能量在动能、势能间不停转换，但总量保持不变。如果某次振动过大，体系进入屈服后状态，则体系在平衡位置的动能将在最大位移处转化为弹性势能和塑性变形能两部分，其中，塑性变性能将耗散掉，从而减小了体系总的能量。由此我们可以想到，在地震往复作用下，结构在振动过程中，如果进入屈服后状态，将通过塑性变性能耗散掉部分地震输给结构的累积能量，从而减小地震反应。同时，实际结构存在的阻尼也会进一步耗散能量，减小地震反应。此外，结构进入非弹性状态后，其侧向刚度将明显小于弹性刚度，这将导致结构瞬时刚度的下降，自振周期加长，从而减小地震作用。
2 我国现行抗震设计规范中的不足之处
抗震规范规定，我国的抗震设防目标必须坚持“小震不坏，中震可修，大震不倒”的原则，而建筑应根据其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别。甲类建筑应属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑，地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为6-8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑，抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6-8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。丙类建筑应属于甲、乙、丁类以外的一般建筑，地震作用和抗震措施应符合本地区抗震设防烈度的要求。我们知道，一栋建筑在大震下能否不倒，已经不是看其承载力的大了了，而是看它的延性是否能够到达设计要求。由上面的建筑物抗震类别划分可以看出，我们对甲、乙、丙、丁建筑物延性的要求是依次从高到低的，此时，结构的延性实际上是由其抗震措施来决定的，现以一栋乙类建筑和丙类建筑为例：
表 1
设防烈度
抗震措施烈度
实际延性
6
7（6）
低
7
8（7）
中等
8
9（8）
稍高
9
比9度高（9）
高
说明：在抗震措施烈度中，括号外为乙类建筑，括号内的为丙类建筑。
由表1可以看出，如果按规范设计，就可能会出现9度（设防烈度）下的丙类建筑的延性比7度（设防烈度）下的乙类建筑延性还要高的情况出现，而根据上面所述的R-μ-T理论关系的研究可以知道，当R取值不变时，对结构的延性要求也应该是不变的，与处在什么烈度区没有关系，如果R-μ-T理论关系的研究结果是正确的，那么我国规范对甲、乙、丙三类建筑的要求就存在概念性矛盾。
我国取R＝3.33，与国外规范相比较，我们对乙类和丙类建筑的是比较合理，而对于甲类建筑则过于偏松，对丁类建筑过于严格了。
目前，国际上逐步形成了一套“多层次，多水准性态控制目标”的抗震理念。这一理念主要含义为：工程师应该选择合适的形态水准和地震荷载进行结构设计。建筑物的性态是由结构的性态，非结构构件和体系的性态以及建筑物内容物性态的组合。目前性态水准一般分为：损伤出现（damage onset）、正常运作（operational）、能继续居住（countinued occupancy）、可修复的（repairable）、生命安全（life safe）、倒塌（collapse）。性态目标指建筑物在一定程度的地震作用下对所期望的性态水准的表述。对建筑抗震设计应采用多重性态目标，比如美国的“面向2000基于性态工程的框架方案”曾对一般结构、必要结构、对安全起控制作用的结构分别建议了相应的性态目标―基本目标（常遇地震下完全正常运作，少遇地震下正常运作，罕遇地震下保证生命安全，极罕遇地震下接近倒塌，相当与中国的丙类建筑）、必要目标（少于地震下完全正常运作，罕遇地震下正常运作，极罕遇地震下保证生命安全，相当与中国的乙类建筑）、对安全其控制作用的目标（罕遇地震下完全正常运作，极罕遇地震下正常运作，相当与中国的甲类建筑），目前中国正在进行用地震动参数区划分图代替基本烈度区画图的工作。对重要性不同的建筑，如协助进行灾害恢复行动的医院等建筑，应该按较高的性态目标设计。此外，也可以针对业主对建筑提出的不同抗震要求
2． 钢筋混凝土结构的核心抗震措施
我国抗震设计对钢筋混凝土结构提出的基本上是“高延性要求”，也就是要求结构在较大的屈服后塑性变形状态下仍保持其竖向荷载和抗水平力的能力，对于有较高延性要求的钢筋混凝土结构必须使用能力设计法进行有关设计。“能力设计法”的要求是在设计地震力取值偏低的情况下，结构具有足够的延性能力，具体做法是通过合理设计使柱端抗弯能力大于梁端从而使结构在地震作用下形成“梁铰机构”，即塑性变形或塑性铰出现在比较容易保证具有较大延性能力的梁端；通过相应提高构件端部和节点的抗剪能力以避免构件发生非延性的剪切破坏。其核心是：
（1）“强柱弱梁”措施：主要是通过人为增大相对于梁的抗弯能力，使塑性铰更多的出现在柱端而不是梁端，让结构在地震引起的动力反应中形成“梁铰机构”或“梁柱铰机构”，通过框架梁的塑性变形来耗散地震能量。
“强柱弱梁”措施是“能力设计法”的最主要的内容。
根据对构件在强震下非线线动力分析可知，强震下，由于构件产生塑性变形，因此可以耗散部分地震能量，同时根据杆系结构塑性力学的分析知道，在保证结构不形成机构的要求下，“梁铰机构”或“梁柱铰机构”相对与“柱铰机构”而言，能够形成更多的塑性铰，从而能耗散更多的地震能量，因此我们需要加强柱的抗弯能力，引导结构在强震下形成更优、更合理的“梁铰机构”或“梁柱铰机构”。
这一套抗震措施理念已被世界各国所接受，但是对于耗能机构却出现了以新西兰和美国为代表的两种不完全相同的思路。这两种思路都承认应该优先引导梁端出塑性铰，但是双方对柱端塑性铰出现的位置和数量有分歧。
新西兰追求理想的梁铰机构，规范中底层柱的弯距增大系数比其它柱的弯距增大系数要小一些，这么做的目的是希望在强震下，梁端塑性铰形成较为普遍，底层柱塑性铰的出现比梁端塑性铰迟，而其余所有的柱截面在大震下不出现塑性铰的“梁铰机构”。但是新西兰人也不认为他们的理想梁铰方案是唯一可用的方法，因此他们在规范中规定可以选用两种方法，一种是上述的理想梁铰机构法，另一种就是类似与美国的方法。
美国规范的做法则希望在强震下塑性铰出现较早，柱端塑性铰形成较迟，梁端塑性铰形成得较普遍，柱端塑性铰可能要形成得要少一些的“梁－柱塑性铰机构”（柱端塑性铰可以在任何位置形成，这一点是与新西兰规范的做法是不同的）。中国规范和欧洲EC8规范也是采用与美国类似的方法。
（2）“强剪弱弯”措施：用剪力增大系数增大梁端，柱端，剪力墙端，剪力墙洞口连梁端以及梁柱节点中的组合剪力值，并用增大后的剪力设计值进行受剪截面控制条件验算和受剪承载力设计，以避免在结构出现脆性的剪切破坏。
我们在上学期学过，钢筋混凝土的抗剪能力由混凝土自身的抗剪能力、裂缝界面的骨料咬合力、纵筋销栓力和箍筋的拉力4部分构成，而通过对框架梁在强震下的抗剪分析可知，混凝土的梁端抗剪能力在形成塑性铰后会比非抗震时有所下降，主要原因有几下几个：
1 由结构力学和材料力学的分析可知，梁端总是正剪力大于负剪力，如果发生剪切破坏时，剪压区一般都在梁的下部，而此时混凝土保护层已经剥落，且梁下端又没有现浇板，所以混凝土剪压区的抗剪能力会比非抗震时偏低
2 由于在强震下剪切破坏要发生在塑性铰充分转动的情况下，而非抗震时的剪切破坏往往发生在纵筋屈服之前，因此在抗震条件下混凝土的交叉裂缝宽度会比非抗震情况偏大，从而使斜裂缝界面中的骨料咬合效应慢慢退化，加之斜裂缝反复开闭，混凝土体破坏更严重，这使得混凝土的抗剪能力进一步被削弱。
3 混凝土保护层的剥落和裂缝的加宽又会使纵筋的抗剪销栓作用有所退化。
我们一般在计算钢筋混凝土的抗剪能力时，只计算了混凝土自身的抗剪能力和箍筋的抗剪能力（V＝Vc+Vsv），而把斜裂缝界面中的骨料咬合能力及纵筋的销栓作用作为它多余的强度储备。在抗震下梁端的塑性铰的形成，使得骨料咬合力及纵筋的销栓作用有所下降，钢筋混凝土的抗剪强度储备也会下降，同时由于混凝土的抗剪能力(Vc)的下降，V也会比非抗震时小，如果咬使V不变，那么就只有使Vsv变大，即增加箍筋用量，所以我们可以得出这样的结论，在抗震情况下箍筋用量比非抗震时要大一些，这不是因为地震使梁的剪力变大了而增加箍筋用量，而是由于混凝土项的抗剪能力下降，相应的必须加大箍筋用量。其他构件的原理也相似。
（3）抗震构造措施：通过相应构造措施保证可能出现塑性铰的部位具有所需足够的延性，具体来说就是塑性转动能力和塑性耗能能力。
对于梁柱等构件，延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点：混凝土极限压应变，破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。
对于梁而言，无论是对不允许柱出现塑性铰（底层柱除外）的新西兰方案，还是允许柱出现塑性铰但控制其出现时间和程度的方案，梁端始终都是引导出现塑性铰的主要部位，所以都希望梁端的塑性变形有良好的延性（即不丧失基本抗弯能力前提下的塑性变形转动能力）和良好的塑性耗能能力。因此除计算上满足一定的要求外，还要通过的一系列严格的构造措施来满足梁的这种延性，如：
1 控制受拉钢筋的配筋率。配筋率包括最大配筋率和最小配筋率，前者是为了使受拉钢筋屈服时的混凝土受压区压应变与梁最终破坏时的极限压应变还有一定的差距（梁的最终破坏一般都以受压区混凝土达到极限压应变，混凝土被压碎为标志的）；后者是保证梁不会在混凝土受拉区刚开裂时钢筋就屈服甚至被拉断。
2 保证梁有一定的受压钢筋。受压钢筋可以分担部分剪力，减小受压区高度，另外在大震下，梁端可能出现正弯距，下部钢筋有可能受拉，。
3 保证箍筋用量，用法。箍筋的作用有三个，一是抗剪，这在前文已经说过，这里不再充分；二是规定箍筋的最小直径，保证纵筋在受压下不会过早的局部失稳；三是通过箍筋约束受压混凝土，提高其极限压应变和抗压强度。
4 对截面尺寸有一定的要求。规范规定框架梁截面尺寸宜符合下列要求：1>截面宽度不宜小于200mm；2>截面高度与宽度的比值不宜大于4；3>净跨与截面高度的比值不宜大于4。在施工中，如梁宽度太小，而梁上部钢筋一般都比较多，会使混凝土的浇注比较困难，容易造成混凝土缺陷；在震害和试验中多次发生过腹板较薄的梁侧向失稳的事例，因此提出要求了2；一般我们把跨高比小于5的梁称为深梁，深梁的抗弯和抗剪机理与一般的梁（跨高比大于5的梁）有所不同，所以我们在设计中最好能避免设计成深梁，如果实在不能避免，就要去看专门的设计方法和规造措施。
柱的构造措施也和梁差不多，但是柱除了受弯距和剪力以外，还要承受轴力（梁的轴力一般都很小，在设计中都不予以考虑），尤其是高层建筑，轴力就更大了，所以柱还有对轴压比的限制，其中对不同烈度下有着不同延性要求的结构有着不同的轴压比限值；另外，柱端箍筋用量的控制条件不是简单的用体积配箍率，而是用配箍特征值，它同时考虑了箍筋强度等级和混凝土强度等级对配箍量的影响。
高强度混凝土（C60以上）的极限压应变都比一般混凝土（C60及其以下）要小一些，而且强度越高，小的越多；另外，强度越高，混凝土破坏时脆性特征越明显，这些对于抗震来说是不利的。
3．常用的抗震分析方法
结构抗震设计的首要任务就是是对结构最大地震反应的分析，以下是一些常用的抗震分析方法：
1． 底部剪力法
底部剪力法实际上时振型分解反应谱法的一种简化方法。它适用于高度不超过40m，结构以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构，此时假设结构的地震反应将以第一振型为主且结构的第一振型为线性倒三角形，通 过这两个假设，我们可近似的算出每个平面框架各层的地震水平力之和，即“底部剪力”，此方法简单，可以采用手算的方式进行，但精确度不高。
2． 振型分解反应谱法
振型分解反应谱法的理论基础是地震反应分析的振型分解法及地震反应谱概念，它的思路是根据振型叠加原理，将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加，将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用、作用效应。此法计算精度高，但计算量大，必须通过计算机来计算。
3． 弹性时程分析
弹性时程分析法，也称为弹性动力反应分析。所谓时程分析法就是将建筑物作为弹性或弹塑性振动系统，直接输入地面地震加速度记录，对运动方程直接积分，从而获得计算系统各质点的位移，速度，加速度和结构构件地震剪力的时程变化曲线。而弹性时程分析法就是把建筑物看成是弹性振动系统。
4． 非线（弹）性时程分析
非弹性时程分析法，也称为非线性动力反应分析。就是将建筑物作为弹塑性振动系统来输入地面地震加速度记录。上面所提到的基于地震反应谱进行设计的方法，可以求出多遇地震作用下结构的弹性内力和变形，同样可以求得罕遇地震作用下结构的弹塑性变形。但是它不能确切了解建筑物在地震过程中结构的内力与位移随时间的反应；同时也难以确定建筑结构在地震时可能存在的薄弱环节和可能发生的震害；由于计算简化，抗震承载力和变形的安全度也可能是有疑问的。而时程分析法就可以准确而完整的反映结构在强烈地震作用下反应的全过程状况。所以，它是改善结构抗震能力和提高抗震设计水平的一项重要措施。
中图分类号：TU391文献标识码： A
一、钢结构体系
该工程所在地为非采暖地区，按照《钢结构设计规范》表 8.1.5，厂房纵向温度区段长度控制值为220 m,横向温度区段长度控制值为 120 m(柱顶为刚接)。厂房纵向长度为 300 m，需在中部设一道温度缝，横向宽度为180 m，其中低跨部分 120 m,高跨部分 60 m。 考虑到高低跨对温度应力的释放作用，且低跨 120 m 未超长，故仅构造上加强，不设温度缝。加强做法如下:（1）对边柱的应力进行适当控制，使其上阶柱(型钢柱)应力比不大于 0.9；（2）梁节点设计时，轴拉力设计值增大 10%，以加强屋面梁连接节点。厂房屋盖在两端及 1/3 温度区段处布置横向水平支撑及柱间支撑,纵向则隔跨布置纵向水平支撑，高跨和低跨按各自的标高与横向水平支撑组成相对独立的封闭支撑体系。
二、钢管混凝土格构柱的选用
2.1 钢管混凝土柱的特点
由于钢管对其内部混凝土的约束作用，在轴压力作用下，钢管混凝土柱内部混凝土处于三向受压状态， 不但提高了钢管混凝土柱的抗压承载力，具有较好的塑性变形能力，而且在承受冲击荷载和振动荷载时，也具有很好的韧性。与普通钢柱相比，钢管柱柱脚零件少，焊缝短，可以直接插入混凝土基础的预留杯口中，免去了复杂的柱脚构造，但是钢管内部特别是节点处混凝土的密实性比较难以控制。从观感上看，钢管混凝土格构柱比型钢格构柱更美观。
2.2 经济性比较
该工程初设时，对钢管混凝土格构柱和型钢格构柱的经济性作了比较，在不同柱距下的材料用量详见表 1 从不同柱距的结果来看，当柱距增大时，主体用钢量先降低再增长，而吊车梁用钢量保持上升趋势，且幅度较大，导致总用钢量先缓慢降低再迅速增长，管桩的用量则由于柱子数量的显著减少而降低；从不同材料来看，钢管混凝土柱的抗压性能比较好，随着柱距增大，其性能优势渐渐得到发挥，其经济性也逐渐得到体现。
注:此用钢量仅为估算
由于该工程低跨部分吊车吨位较小，从整体考虑，钢管混凝土柱的经济性优势并不显著，但考虑到美观及施工等原因，结合上部用钢量和基础造价进行比较，最终选用柱距为 9 m 的钢管混凝土格构柱。
三、刚架构造要求及依据
3.1 型钢柱、梁板件宽厚比控制
抗规 9.2.14.2 条规定:轻屋盖厂房，塑性耗能区板件宽厚比限值可根据其承载力的高低按性能目标确定。 塑性耗能区外的板件宽厚比限制，可采用现行《钢结构设计规范》弹性设计阶段的板件宽厚比限值（注:腹板的宽厚比可通过设置纵向加劲肋减小）。抗规 9.2.14.2 条文说明规定:C 类定义:当构件的强度和稳定的承载力均满足高承载力（2 倍多遇地震作用下的要求）时，可采用现行《钢结构设计规范》弹性设计阶段的板件宽厚比限值，即 C 类。C 类宽厚比要求:C 类是指现行《钢结构设计规范》GB 50017 按弹性准则设计时腹板不发生局部屈曲的情况。从以上条文可知，该工程可以按照 C 类截面要求进行性能化设计， 其中耗能区段可以参照抗规9.2.11 条文说明对刚架梁端最大应力区的规定，取距梁端 1/10 梁净跨和 1.5 倍梁高中的较大值。
3.2 钢管混凝土格构柱设计
目前，有关钢管混凝土格构柱设计的主要参考规范为:①《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）、②《 钢 管 混 凝 土 结 构 设 计 与 施 工 规 程 》 （CECS 28:2012）、③ 《 钢―混凝土组合结 构设计规程 》 （DL/T5085-1999），其中《钢结构设计规范》仅对钢管结构的构造与钢管杆件的计算提出了要求（格构柱缀件构造与计算）。
（1）材料要求
该工程采用的是螺旋焊接管， 螺旋焊接管常用规格如下: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。在材料上规范③的 6.2.4 条明确提出,钢管内混凝土的强度等级不宜低于 C30，可参照下列材料组合:Q235 钢 配 C30 或 C40 级 混 凝 土 ；Q345 钢 配C40、C50 或 C60 级 混凝土 ；Q390 配 C50 或 C60 级以上的混凝土。 同时，构件截面的套箍系数标准值不宜小于 0.5。
（2）钢管构造
1）在外径与壁厚之比 d/t 及壁厚等构造上,各本规范有不同的规定: 规范①规定 d/t 不应超过 100（235/fy）；规范②规定 d/t 限制在（20~135）235/fy 之间，且外径不宜小于 200 mm，壁厚不宜小于 4 mm；规范③规定 d/t 限制在 20~100（注意无强度调整,即含钢率控制在 0.2~0.04）之间，且外径不宜小于 100mm，壁厚不宜小于 4 mm。 该工程设计时结合三者，控制 d/t 不应超过 100（235/fy），且主管(带混凝土)壁厚不小于 4 mm。2）规范③6.4.10 条规定了格构式柱腹杆的形式及构造，本工程所采用的是斜腹杆格构式柱，主要要求如下:①斜腹杆与柱肢轴线间夹角宜为 40~60 度；②杆件轴线宜交于节点中心；腹杆轴线交点与柱肢轴线距离不宜大于 d/4,当大于 d/4 时，应考虑其偏心影响；③腹杆端部净距不小于 50 mm。
3.3 其他构造要求
（1）分离式柱子
当吊车吨位在75t及75t以上时，不适合采用牛腿来支承吊车梁，宜在下层吊车梁下设单独的吊车肢。
（2） 钢吊车梁的材质要求
《钢结构设计规范》3.3.4 条规定吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要验算疲劳的构件相同。
3.4 工程采用的刚架及部分节点大样
（1）考虑到荷载较小,该工程采用双肢格构柱，钢管柱材质为 Q345B,钢管柱缀条采用 Q235B,钢管柱柱肢内均浇灌微膨胀 C40 混凝土
（2）施工方法采用泵送顶升浇灌法,在钢管接近地面的适当位置设灌注孔，钢管内混凝土必须一次性连续浇灌完毕,一定要保证密实,待混凝土强度达到设计要求后,再将灌注孔、排气孔等补强补焊。
（3）考虑到结构经济性及施工便利性，钢管柱采用插入式柱脚与杯口基础连接。
四、刚架计算
（1）柱顶位移要求《钢结构设计规范 》附录 A.2.1“在 风荷载标准值作用下，框架柱顶水平位移和层间位移不宜超过下列数值: 有桥式吊车的单层框架的柱顶位移≤H/400”。
（2）行车水平荷载作用下的侧向位移
《钢结构设计规范》 没有关于中级工作制行车钢结构厂房的在行车水平荷载作用下侧向位移的限值要求，根据经验，在满足行车正常运行的前提下，按平面结构图形计算，吊车梁顶面标高处，由一台最大吊车水平荷载（按荷载规范）所产生的计算变形值，不宜超过下述容许值:100 t 行车 1/850150 t 及以上 1/1 250
（3）挠度要求屋面梁挠度限值取 1/250， 主要考虑重型吊车的原因，对屋面的刚度做适当加强。
（4）长细比要求构件长细比按照《钢结构设计规范》表 5.3.8 及表 5.3.9 要求,其中重型吊车以下柱间支撑的长细比按拉杆计算，且不考虑压杆的卸载作用。
（5）该工程刚架计算
采用 PKPM 软件进行刚架计算时，需注意图中所示的应力比为构件考虑长细比影响的整体承载力折减系数,及偏心影响的整体承载力折减系数后，其作用轴力与整体承载力的比值。 在此比值满足要求的同时，尚应确认单管作用力与承载力的比值满足要求，易出现整体计算满足要求而单管轴压比超出的情况。
参考文献:
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
引言
预应力外包U型钢混凝土组合梁结构体系是通过薄钢板直接冷弯或用冷弯薄壁型钢焊接成U型截面，然后截面内部填充混凝土作为T行梁的肋部，翼缘为现浇混凝土板，使用后张法施工在受拉区施加预应力，使构件起拱以满足控制裂缝宽度和满足更大跨度的要求。外包钢与内部混凝土变形协调，共同受力。这种结构克服了钢筋混凝土抗拉强度低的弱点，提高了钢材的屈曲承载力，改善了结构的延性，使其整体稳定性优于钢结构和型钢混凝土组合结构；另外U型钢部件可以作为组合梁的永久性模板，施工方便。目前，针对预应力外包钢混凝土组合梁的研究已经得到国内外工程界的广泛关注，本文在此情形下建立了预应力外包U型钢混凝土组合梁正截面受弯承载力的计算公式，具有现实意义。
计算的基本假定
根据《钢结构设计规范》和《混凝土结构设计规范》的有关规定，现对预应力外包U型钢混凝土组合梁正截面抗弯承载力计算假定如下：
（一）、平截面假定。弯曲过程中梁的截面仍保持为平面并且与变形后的梁轴垂直。横向剪应变为0，横向纤维无挤压，梁轴无水平方向伸缩。
（二）、计算中的混凝土压应力取等效矩形应力，并且不考虑混凝土抗拉强度。
（三）、在混凝土翼缘板的有效宽度范围内，外包U型钢与混凝土之间有可靠的抗滑移措施，在这一宽度内，认为混凝土与外包钢可以形成组合截面共同工作。
（四）、组合梁在弯矩作用下由于外包钢内填充了混凝土而不易发生钢梁的局部破坏和侧向屈曲。
三、极限抗弯承载力的计算
基于以上假定，根据构件截面中和轴位置的不同，讨论组合梁正截面受弯承载力。
（一）、塑性中和轴在混凝土翼缘板内
图1 弯矩作用下组合梁正截面应力形式（1）
此时满足条件：
其中：——受压钢筋屈服强度
——预应力钢筋抗拉强度设计值
——分别为翼缘与腹板钢材的屈服强度，底版钢材的屈服强度
——混凝土轴心抗压强度
——混凝土等效矩形应力系数。当混凝土强度等级不超过C50时，分别取1.0和0.8。
——受压钢筋面积
——预应力钢筋面积
——分别为外包钢腹板、底板、翼缘板的面积
由力的平衡条件：
此时，混凝土受压区高度为：
对中和轴取矩得到预应力组合梁的极限受弯承载力：
其中：——组合梁极限受弯承载力
——外包U型钢底板厚度
（二）、塑性中和轴在外包U型钢腹板内
图2 弯矩作用下组合梁正截面应力形式（2）
此时满足条件：
由力的平衡条件：
此时，混凝土受压区高度为：
对中和轴取矩得到预应力组合梁的极限受弯承载力：
其中：——受拉区预应力钢筋至受拉边缘的距离
结论
根据以往对梁的实验和理论分析来看，梁的破坏形态有三种：正截面受弯破坏；斜截面受剪破坏；组合梁混凝土翼缘板与钢腹板交界处纵向滑移破坏。在满足抗剪滑移的前提下，本文根据钢结构设计规范和混凝土结构设计规范的要求推导出的公式是合理的。
参考文献
GB50010-2002 混凝土结构设计规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2002
GB20017-2002 钢结构设计规范【S】.北京：中国建筑工业出版社，2003
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2016.02.048
随着钢桥和组合结构桥梁建设的不断增加，设计和施工单位急需大批熟练掌握桥梁钢结构设计和施工知识的专业人才。由于过去桥梁与渡河工程专业的本科阶段钢结构教学内容及教材侧重点与工业民用建筑专业无异，刚毕业的桥梁与渡河工程专业的大学生很难适应桥梁钢结构方面的工作，导致桥梁钢结构专业人才短缺、质量不高。一方面，钢桥和组合结构桥梁有着巨大的发展潜力和市场需求，另一方面，桥梁与渡河工程专业钢结构人才短缺，二者的矛盾造成了该领域就业空间广阔，并且在今后一个相当长的时期内该空间还将不断扩展。①为了满足社会对钢桥和组合结构桥梁人才的需求，我校桥梁与渡河工程专业“钢结构设计原理”课程在教学内容、教学方法及考核方式方面也在不断进行改革。
1 教学内容
1.1 教材
目前，国内已有的《钢结构设计原理》教材，大多基于《钢结构设计规范》（GB50017-2003）②编写，适合工业民用建筑专业的本科生进行学习。涉及公路桥涵、铁路桥梁的钢结构设计规范的《钢结构设计原理》教材极少，以至于桥梁与渡河工程专业的学生学习此类③④教材后，无法直接应用于钢桥和组合结构桥梁的钢结构构造与结构设计中。针对上述问题，我校桥梁与渡河工程专业“钢结构设计原理”课程，选用东南大学叶见曙教授编写的“结构设计原理”⑤第三版第四篇――钢结构。该书结合我国公路桥涵钢结构及木结构设计规范、钢-混凝土组合桥梁设计规范进行编写，较好地解决了教材脱离规范的问题。此外，结合钢桥、组合结构桥梁参考书籍，在授课过程中紧紧围绕桥梁专业用钢结构构件的设计原理进行讲解，使学生工作后，能够做到学以致用，更快适应工作。
1.2 侧重点
桥梁与渡河工程专业学生在进行“钢结构设计原理”课程的学习之前，材料力学、结构力学、建筑材料等专业基础课都已经进行了系统的学习。在“钢结构设计原理”课程的教学过程中，涉及到这部分的内容适当从简讲授，而增加更多针对桥梁钢结构的内容。例如在材料性能方面，将讲解的重点放在桥梁钢结构用钢材、高强钢绞线、桥梁钢结构用新材料如耐候钢、耐高温钢材等材料的性能方面，让学生了解现有桥梁用钢的现状及未来的发展趋势；结合这些材料在实际工程中的应用图片，提高学生的学习兴趣；在桥梁钢结构应用中，适当介绍索设计的内容，例如钢梁桥中的体外预应力索、斜拉桥中的拉索、悬索桥中的缆索等，以有助于学生学习后续的钢桥和组合结构桥梁课程，列出主要的参考文献，供学生在课余时间有选择地学习；桥梁钢结构尤其是铁路桥，由于受到动荷载的影响，钢结构焊接的疲劳问题不容忽视，在桥梁与渡河工程专业的钢结构设计原理课程中必须补充疲劳设计的相应内容。为拓展学生的就业面，在课程讲授过程中适当增加工业民用建筑用钢结构设计原理的知识，对其所用规范进行介绍，拓宽学生的知识面。
2 教学方法
桥梁与渡河工程专业的钢结构设计原理课程教学，应该既注重基本知识的传授，同时不断启发学生，调动他们学习的积极性和主观能动性，逐步培养出发现问题、思考问题、分析问题、最终解决问题的能力。通过对这种学习方法的传授，使学生既能掌握书本知识，又能不断创新进取，极大提高学生的学习积极性。
2.1 理论教学
针对学生对图片或视频信息的兴趣浓厚，对单纯的数字或者文字兴味索然的现实情况，对抽象的理论问题，用动画或搜集实际工程中的图片，以幻灯片或视频形式播放给学生，让学生以娱乐的方式掌握知识。例如，钢结构的连接和破坏问题，每一项钢结构的破坏或失稳现象都通过图片展现，引导学生思考这些现象背后的机理问题，诱发学生的兴趣，从而引出该节课程教授的重点，改善课堂教学的效果；同时，图片或视频的应用，还能加深学生对基本知识与基本原理的感性认识。
但对于计算原理和公式，一定要用板书演示其推导过程，让学生的思路紧随教师的演示，充分利用课堂时间，消化计算原理，提高教学效率。在计算理论讲解完成后，结合工程应用，介绍实际桥梁钢结构的细部处理及节点构造措施，让学生做到理论与实际相结合，掌握工程中处理具体问题的方法。
采用习题课、讨论课的方式，对学生作业过程中存在的问题进行深入剖析，点评解题过程中的易错点和答题错误的原因。在讲解和讨论的过程中，帮助学生理清解题思路，规范解题步骤，总结解题技巧，提高答题的正确率，同时培养学生严谨、认真、细致的工作作风。
2.2 现场教学
在桥梁与渡河工程专业的钢结构设计原理课程讲授过程中，多媒体、板书等多种手段是课堂教学的主要方法，但对于钢结构设计原理课程来说，仅有课堂教学是远远不够的。因为尽管有多媒体作为教学工具，但毕竟还是图片或短暂影片，学生难以形成一个完整的钢结构的概念，对钢结构的感性认识依旧不够具体深刻。在钢结构设计原理课程的理论教学学习期间或结束后，充分利用学校周围已建或在建钢桥与组合结构桥梁，进行现场参观、学习，便于理论知识与实际应用“接轨”，有选择性地带学生深入施工现场，进行教学实践很有必要。在进入现场之前，负责钢结构设计原理课程的教师，需要事先向学生讲解工地现场实践中所涉及的系统知识。安排好班级分组与带队教师，特别强调实习过程中的安全问题与组织纪律问题。在施工现场，让学生进一步认识真实的螺栓、焊缝、纵向和横向的加劲肋，辨别现实构件中的受拉构件、受压构件、受弯构件或压弯构件、拉弯构件，观察构件的现场连接拼装。请施工单位负责人讲解施工现场钢结构的基本概况，采用的施工方法，施工组织设计，施工质量控制要点，安全保障措施，施工过程中遇到的各种困难，出现的问题及解决的方案等。现场教学过程中，提醒学生注意观察，认真聆听讲解，将书本上的图纸和现场的实体结构充分比对，加深对书本知识的理解。同时，结合工程技术人员的讲解，学习工程中处理具体问题的方法，真正达到现场教学的目的。
2.3 实践教学
实践教学分为实验教学和课程设计两部分。学生在钢结构设计原理课程学习过程中，如果对某个问题有进一步研究的兴趣，可以通过参与大学生创新实验项目，提出自己的研究课题。设计实验方案，动手制作钢结构实验模型，通过实验结果验证自己的想法或发现自己提出的方案的不足，激发学生的创新热情，培养学生的动手能力，同时也可为今后的学习和工作提供宝贵的经验。课程设计，有助于帮助学生系统地应用理论课程学习到的知识，做到学以致用。但以往的课程设计都是在理论课讲授完毕后进行，设计效果不佳。为了改善课程设计效果，打破理论教学与课程设计的严格界限，将理论教学与课程设计同步进行。⑥在钢结构设计原理课程开始上课之时，就给定课程设计题目，随着授课进度的深入，让学生以长期大作业的方式分步骤完成。这样，在理论授课过程中，学生随时可以针对课程设计的内容进行提问，并能得到及时解答，课程设计周学生只需整理计算书、绘制图纸。这样，学生有充足的时间掌握钢结构设计原理的各项设计环节内容，遇到问题能够及时得到解决。
3 考核方式
在对钢结构设计原理课程的教学成果进行考核时，如果仅仅通过期中、期末的考试结果来评价学生的学习情况，显然将会是不全面的，也是不准确的。在钢结构设计原理的教学过程中，采用多种考核形式，例如随堂测验，课堂提问，组织学生进行小组讨论或者针对钢结构设计中存在的某一问题，让学生提交研究报告等方式进行考核。对学生的日常测验，也可以采用口试和笔试相结合的形式，或者把一次测验拆分为多次小的测验，这将有助于更加全面地评价学生的学习情况，降低一次考试所带来的偶然性。传统的考试方法大多偏重对知识的记忆，形式单一，难以客观、全面地评价教学效果，也难以调动学生自主学习的积极性。桥梁与渡河工程的钢结构设计原理课程考试，借鉴国家一级注册结构工程师的考试模式，在考卷中，可能涉及到的全部公式均给出，避免学生死记硬背。此外，可考虑“半开卷”考试，允许学生将自己认为重要的内容事先书写在一张A4纸上，考试时允许查看，考后随试卷上交。这样，学生对自己认为的重点进行总结，通过总结内容的实用性，可反映学生对课程重点的把控。
4 结语
针对桥梁与渡河工程专业学生钢结构设计原理课程学习中存在的问题，从教学内容、教学方法和考核方式三个方面，提出了一系列的改革措施。
（1）选用《结构设计原理》教材，并结合钢桥和组合结构桥梁相关参考书籍，已学过的内容适当从简讲授，紧紧围绕桥梁专业用钢结构构件的设计原理进行讲解。（2）对抽象的理论问题，用动画或搜集实际工程中的图片，以幻灯片或视频形式进行播放；但对于计算原理和公式，一定用板书演示推导过程；采用习题课、讨论课的方式，点评解题过程中的易错点，总结解题技巧。（3）在理论课学习期间，充分利用学校周围已建或在建钢与组合结构桥梁，进行现场参观、学习。（4）理论教学与课程设计同步进行，进行大学生创新实验。（5）考核中，借鉴国家一级注册结构工程师的考试模式，给出考卷中可能涉及到的全部公式；也可考虑“半开卷”考试。
注释
① 苏庆田，吴冲.钢与组合结构桥梁课程教学改革探讨[J].高等建筑教育，2013.22（4）：37-40.
② 钢结构设计规范[S].GB50017-2003.
③ 陈绍蕃.钢结构[M].北京：中国建筑出版社，2003.
0.前言
单层仓库采用的结构形式，随着跨度和高度的不同，常用的结构形式有框架结构、门式钢架结构和混合排架结构三种。混合排架结构采用混凝土柱，实腹钢梁，屋盖采用压型钢板屋面板和冷弯型钢檩条。混合排架结构具有防火、防腐、造价低等优点，所以在近几年国内的实际应用中较为常见。
混合排架宜为单层单跨结构，有带拱拉杆或不带拱拉杆两种形式，拱脚与混凝土柱顶铰接。亦可为单层双跨或单层多跨结构。
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，雨水较多的地区宜取其中的较大值。
1.计算程序
设计这类结构仍是用STS里面门式刚架的程序来计算，建模的顺序跟设计门式刚架一样，但由于混凝土柱与钢梁的连接处理难以达到刚接连接，因此梁柱的连接一般采用铰接连接形式，而一般门式刚架结构边刚架柱与梁的连接均采用刚接连接形式，由于连接形式的不同，致使这种体系单榀刚架的受力截然不同于一般的门式刚架，设计时不能简单的把门式刚架的钢柱替换为混凝土柱，应根据这类结构体系的特殊性有针对的进行设计。
2.连接形式
混凝土柱与钢梁采用铰接连接，混凝土柱底采用刚接，多跨情况下的中间混凝土柱与钢梁的连接采用钢梁连续，混凝土柱铰撑于钢梁底面。
3.规范选择
这类结构已经超出门规的使用范围，结构类型应选择“单层钢结构厂房”，如果为抗震地区且选择了地震作用计算，程序会自动按照抗震规范第九章关于单层钢结构厂房的规定进行控制；混凝土柱应按混凝土结构设计规范进行设计，满足混凝土结构设计规范相应要求，钢梁应满足钢结构设计规范相关要求，当采用工形变截面梁时，建议梁构件承载力的校核采用按门式刚架规程进行校核，以考虑轴力的影响与变截面梁的稳定计算，但局部稳定应满足钢结构设计规范、抗震规范的要求；挠度控制，考虑到所采用的轻型屋面体系对钢梁挠度不是非常敏感，在有经验的情况下可较钢结构设计规范的挠度控制指标（L/400）适当放宽。
4.单榀设计
4.1建模
单榀设计时，应采用混凝土柱与钢梁整体建模分析。钢梁对混凝土柱的约束反力与混凝土柱本身的刚度是直接相关的，为反映真实的内力情况，应该进行整体分析，并以整体分析的结果来设计基础、混凝土柱的配筋与钢梁。把它们分开来分别进行设计，往往使设计结果带来不安全的隐患：如果在柱与基础设计时，没有考虑屋面斜钢梁对柱的推力，会导致柱配筋与基础的设计严重偏小，按这种方式设计的结构在安装过程中就有可能出现基础被翘起、混凝土柱顶位移过大、柱身出现裂缝、钢梁挠度过大等问题。而在分析钢梁时，把钢梁两端视为固定铰支座或建两根很短的下端刚接柱作为支座都会夸大混凝土柱对钢梁的约束作用，导致钢梁轴力增大、跨中弯矩减小、挠度减小等不真实情况，这时往往会出现安装后的钢梁的挠度要大于计算挠度、钢梁有可能整体屈服失稳、局部压屈等不安全问题。
4.2计算
程序自动根据整体分析得结果，按照混凝土结构设计规范进行混凝土柱的配筋计算，按选定的钢梁构件验算规范进行钢梁的校核，在布置基础的情况下，同时根据整体分析柱底力完成基础的计算。
5.整体设计
5.1混凝土柱与钢梁的铰接连接处理
一般存在三种连接构造处理：完全抗剪连接构造，这种连接构造能够把梁端的推力以剪力的方式完全传递给混凝土柱；完全滑移连接构造，这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶自由滑移，梁端的推力由于相对的滑移而释放，作用力不传递给混凝土柱；介于以上二者之间的部分滑移连接构造，这种连接构造容许梁端相对混凝土柱顶有一定的滑移量，梁端的推力由于相对的滑移而部分释放，剩余作用力以剪力的方式传递给混凝土柱。
5.2程序的处理
考虑混凝土柱与钢梁的不同构造连接，可以通过设置混凝土柱的柱顶不同约束情况来实现。
5.2.1完全抗剪连接构造：普通的铰接连接。
5.2.2完全滑移连接构造：采用铰接＋混凝土柱顶定义约束为“水平方向自由滑动”。
5.2.3部分滑移连接构造：采用铰接＋混凝土柱顶定义约束为“约束水平方向相对位移差”。 对于定义完全滑移与部分滑移的分析模型，必须保留一个梁端为完全约束的普通铰接节点，否则会出现分析上的可变体系，使分析无法进行。在定义完全滑移或部分滑移约束的情况下，程序分析结果中，在查看该混凝土柱的构件信息时，能够发现程序实际分析出来的滑移量，根据分析结果可以用来处理设置滑移的节点构造。
5.3施工图的处理
门式刚架施工图程序中，能够根据整体分析的结果，处理这类节点及钢梁的施工图。在容许滑移的连接节点施工图中，底板设置长圆孔，长圆孔标注的长度尺寸为支座底板相对于支承面的容许滑移距离，为保证滑移的顺利进行，垫板与底板之间不应施焊，底板于混凝土柱顶接触面处理应保证支座底板与支承面间在容许距离内自由滑动。对于限制滑移量的连接节点中，当滑移量达到容许距离时支承面应设置可靠抗剪措施，限制继续滑移，使剩余剪力能够完全传递给柱。
6.结束语
综上所述，混凝土柱实腹钢梁单层厂房与门式刚架有相同之处，又有其不同之处。相同之处在于其单个构件的计算和校核，如钢梁的强度、刚度，稳定性，以及檩条和屋面板的计算和构造。不同之处在于梁和柱是铰接连接，梁柱受力不同于门式刚架。理解它的受力原理是做好结构设计的关键。
【参考文献】
［1］GB50017-2003.钢结构设计规范.中国建筑工业出版社，2003.
［2］GB50010-2010.混凝土结构设计规范.中国建筑工业出版社，2010.
［3］GB50011-2010.建筑抗震设计规范.中国建筑工业出版社，2010.
［4］CECS102：2002.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程.中国计划出版社，2003.
［5］候兆欣,李秀川.轻型钢结构建筑节点构造.机械工业出版社，2004:22-28.
中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：
工程概况
本工程为烟台恒达机械有限公司厂房。轴线尺寸为150mx（90m+1m+90m），柱距为7.5m。30m六连跨。1～4轴线为顶棚厂房，5～8轴线为厂房。1～2轴线跨内设有一台中级软钩桥式30T/5T吊车，及一台中级软钩桥式20T/5T吊车；2～3轴线、5～6轴线及6～7轴线跨内设有两台中级软钩电动梁10T吊车；3～4轴线跨内设有两台中级软钩桥式20T/5T吊车；7～8轴线跨内设有一台中级软钩电动单梁10T吊车及一台中级软钩电动单梁5T吊车，牛腿标高均为8.200。顶棚厂房及厂房标高1.200以下为砖墙，顶棚厂房及厂房标高1.200以上均为单层压型钢板；屋面均为单层压型钢板。厂房屋面含有采光及口径为500mm的通风器，具置见建筑施工图，檐口标高为13.000，轴线1，4、5及8设有组织内天沟排水，屋面排水坡度8％。
结构设计
2.1 荷载取值
⑴、屋面恒载： 0.30KN/m2（不含刚架自重）
⑵、屋面活载：0.50KN/m2
⑶、基本风压：0.55KN/m2（n=50）（地面粗糙度为B类）
⑷、基本雪压：0.40KN/m2（n=50）
⑸、详见《山东光明起重机械有限公司》产品样本，其中：（a）、“中级软钩桥式30T/5T”依据“中级软钩桥式32T/5T”；（b）、“中级软钩电动单梁10T、5T吊车”分别依据“中级软钩桥式10T、5T吊车”。
⑹、抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g：第一组。
2.2 结构选型
根据建筑设计和使用要求，此工程的结构安全等级为二级。
㈠、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程――总则》1.0.2本规程适用于主要承重结构为单跨或多跨实腹式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1~A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构的设计、制作和安装。因此本工程1～4轴线处刚架已经超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定，按参照《钢结构设计规范》刚架的规范检验需满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的相关说明，开始方案选型时,①选用格构式钢柱（ 吊车吨位≥50t 时选用）（缀板，缀条及靴梁）用钢量太大、②选用上下阶柱（ 吊车吨位≥20t 时选用）上下阶截面悬殊不大、③采用上下统一的截面，经过比较，采用此种。但是5～8轴线处刚架可仍参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》。
㈡、此工程原方案设计横向180m未设温度伸缩缝，然而参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定：4.3.1门式刚架轻型房屋钢结构的温度区段长度（伸缩缝间距）应符合下列规定：纵向温度区段不大于300m，横向温度区段不大于180m，设置双柱。（详见附图一）
㈢、参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定：4.5.2支撑和刚性系杆的布置宜符合下列规定：7 在设有带驾驶室且起重量大于15t桥式吊车的跨间，应在屋盖边缘设置纵向支撑桁架。（详见附图二）
㈣、在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定：6.5.3刚架柱间支撑的内力，应根据该柱列所受纵向风荷载，吊车纵向制动力及地震水平作用力。（详见附图三）
㈤、在《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定：8.2.5 构件的安装应符合下列规定： 10 刚架和支撑等配件安装就位，并经检测的校核几何尺寸确认无误后，应对柱脚底板和基
础顶面之间的空间采用灌浆料填充。二次灌浆的预留空间，当柱脚铰接时不宜大于50mm，柱脚刚接时不宜大于100mm。（详见附图四）。上述众多说明是《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102：2002与《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS 102：98不同之处。
2.3设计计算
此工程采用PKPM-STS 钢结构设计软件进行分析，该软件经过专家鉴定，目前在众多设计院使用，该软件是安全、可靠的。该程序进行内力和位移的分析、计算，而且许多设计参数要认为设定，除生成结果文件pk11.out但是好多同行仅看配筋包络和钢结构应力比图，往往忽略超限信息输出。
2.4结果分析
由于本工程1～4轴线处刚架已经超出《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的规定，这样在梁应力及挠度满足《钢结构设计规范》，规范检验的前提下，梁柱截面――腹板高厚比，翼缘的宽厚比还应满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010要求。这一点容易引起很多同行的忽视。但是5～8轴线处刚架可仍参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》。
三，结论
通过该工程的设计，可以系统的了解设计过程，并且注意一些容易忽视的细节，让同行引以为鉴，更好的解决设计过程中的一些实际问题。关于设计过程中支撑布置、柱脚设计、屋面次结构设计、吊车梁及车挡等相关构件的设计，因各钢结构教程及设计手册中叙述过多，在此不在累述。
参考文献
主编单位：中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会中国建筑标准设计研究所
门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS 102:2002）。北京：中国计划出版社，2003
中华人民共和国建设部主编，建筑结构荷载规范（GB 50009-2001）。北京：中国建筑工业出版社，2002
中华人民共和国建设部主编，建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）。北京：中国建筑工业出版社，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
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引言
随着国家经济的快速发展，钢结构在建筑领域起到了举足轻重的作用，扮演着越来越重要的角色，无论在工业还是民用建筑中，钢结构以其突出的特点迅速地占领着越来越广的市场。其特点有：其整体刚度和抗震性能好、施工速度快、自重轻、承载力高，在大跨度及超高层建筑中代替了钢筋混凝土结构，但也存在着防火性能差、易腐蚀等缺点，在设计中根据其特点扬长避短才能更好地发挥钢结构的作用，现在就钢结构工业厂房在设计中的几个问题作简单阐述。
1钢材的保温隔热与防火
钢材具有很高的导热性能，其导热系数为50w(m.℃)，当受热达到100℃以上时，其抗拉强度就会降低，塑性增大；温度达到250℃时，钢材抗拉强度会稍提高，但塑性却降低，出现蓝脆现象；温度达到500℃时，钢材强度降至很低，会致使钢结构塌落。所以当钢结构所处环境温度达到150℃以上时，就必须做隔热防火设计。其做法一般为：钢结构外侧包耐火砖、混凝土或硬质防火板材。或者钢结构刷厚涂型防火涂料，厚度按《钢结构防火涂料技术规程》计算。
2结构整体计算
目前的结构计算基本上都采用计算软件来进行，对软件的不理解和不熟悉都会造成设计上的不合理，甚至不安全。这里针对以下几个容易出错的问题进行探讨。
2．1荷载问题
荷载的取值对结构计算影响较大，取小了不安全，取大了不经济，尤其对于大跨度轻型屋面结构。荷载取值应按照《建筑结构荷载规范》进行。一般情况下屋面恒载应按照实际情况计算取值，屋面活荷载可取O．5kN／m：，风荷载、雪荷载和积灰荷载等按规范，其他附加荷载应按实际情况输入。需要说明的是，屋面活荷载和雪荷载在计算时应取二者的大值作为活荷载输入，有积灰的还应考虑积灰荷载。厂房屋面的通风器由于其高度和宽度都较大，计算时应按照实际情况转化为集中载荷输入。在厂房的高低屋面处，还应考虑积雪的堆积影响，防止由此产生的屋面结构的破坏。同样局部风荷载的增大也会使屋面板和檩条的连接被撕坏，从而将屋面板掀起来。
2．2结构计算
目前的钢结构厂房的计算多采用二维软件对其中的―榀钢架进行计算，整体三维分析仍然不够成熟方便。此处对结构计算时的几个问题进行简单分析。
1)屋面梁的平面外计算长度可取隅撑的间距，一般对有托梁体系的小檩距屋面可取两个檩条的间距(约3m)，对无托梁的大檩距屋面可取檩条间距(约4m)。对重型钢结构厂房，柱子的平面外计算长度不应考虑隅撑的作用，尤其是格构式下柱，否则是不安全的。
2)阶形柱的平面内计算长度应该按照《钢结构设计规范》[21确定，按线刚度比来确定会导致部分中柱确定的计算长度系数异常。用PKPM系列软件STS(05版)对某工程进行计算时发现，当柱段中间出现刚接梁(如高低跨情况)，程序就按线刚度比确定柱的计算长度系数，导致该柱的计算长度系数特别异常。新版的PKPM(08版)已改为按照阶形柱的方式来确定柱计算长度系数，但仍可以人工按照线刚度比的结果进行修改。笔者认为，对于阶形柱，按《钢结构设计规范》阶形柱来确定柱平面内计算长度系数更合理一些。
3)用STS软件计算厂房柱，荷载组合中没有单独的恒+活+吊车的组合，有吊车的组合都有风，有时风作用是有利的，因此在吊车荷载与风荷载同时组合时，对于吊车为主的组合，判断了一下风载是有利还是不利的，不利时，考虑与吊车进行组合，有利时可以不考虑风荷载。STS(05版)对是否有利是按M、Ⅳ、y各自分别判断的，因此可能会出现M含有风的组合，Ⅳ则没有风的组合的不合理情况，导致计算结果偏大；STS(08版)改进为：根据组合的吊车主控制项：如吊1的组合为M。主导作用的组合，则判断风载是否不利只根据M项来判断，当为不利时，则同时都把风载肘、Ⅳ、y组合进来，保证是同时发生的，STS(08版)这样组合更合理。
2．3构件的局部稳定
根据《钢结构设计规范》，处理板件局部稳定有两种方式，其一是以屈曲为承载能力的极限状态，并通过对板件宽厚比的限制，使之不在构件整体失效之前屈曲；其二是允许板件在构件整体失效之前屈曲，并利用其屈曲后强度，构件的承载能力由局部屈曲后的有效截面确定。《建筑抗震设计规范》对单层厂房柱、梁的板件宽厚比，较《钢结构设计规范》中的静力弹性设计要求严。对按宽厚比限值设计的梁进行的粗略统计表明，腹板的用钢量占梁整体用钢量的50%―70％。因此有必要采取措施来减少腹板的用钢量。
降低腹板的厚度―般有两种方法。―种是设置合适的加劲肋，加劲肋作为腹板的支承，将腹板分段，以提高临界应力。横向加劲肋能提高腹板的临界应力并作为纵向加劲肋的支承，纵向加劲肋对提高弯曲临界应力特别有效。短加劲肋常用于局部压应力较大的情况。《建筑抗震设计规范》中也提出构件的腹板宽厚比可通过设置纵向加劲肋来减小。
另一种降低构件腹板厚度的方法是适当放松宽厚比限值，并利用腹板屈曲后强度。对多数轻型维护结构的单层钢结构厂房进行设计计算表明，地震组合多数情况下对梁柱受力都不起控制作用，尤其是在地震烈度较低的地区。有文献提出即，可偏于安全地根据偶遇地震组合是否控制刚架构件受力作为选择构件截面板件宽厚比限值的判断准则。实际上根据大多数厂房的设计计算得出，重型钢结构厂房的屋面梁多由挠度控制，厂房柱多由刚度和长细比控制，尤其屋面梁一般应力都比较小。因此对于地震组合不起控制作用时，采用《钢结构设计规范》中弹性阶段设计的板件宽厚比限值也是可行的。
实际工程设计时，当地震组合不起控制作用时，建议按钢结构规范进行设计，并考虑屈曲后强度的利用，可不遵守《建筑抗震设计规范》中单层钢结构厂房板件宽厚比限值的要求。当地震组合起控制作用时，可根据设置合适的加劲肋来减小腹板厚度，有时也能起到很好的经济效益。
3温度伸缩缝的设置
温度变化将引起钢结构厂房的变形，使结构产生温度应力，当厂房平面尺度较大时，为避免产生较大的温度应力，应在厂房纵横两个方向设置温度伸缩缝，区段的长度可以根据钢结构规范来执行。温度伸缩缝一般采用设置双柱的方法来处理，对纵向温度伸缩缝可在屋架支座处设置滚动支座。
4屋面支撑系统及屋面设计
屋盖支撑系统的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车吨位和所在地区的抗震设防烈度等条件来决定。一般情况下无论有檩或无檩体系的屋盖结构均应设置垂直支撑；在无檩体系中，大型屋面板有三点和屋架焊接，可起到上弦支撑作用，但考虑到施工条件的限制和安装需要。无论有檩或无檩体系屋盖均应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。对于屋架间距不小于12m的厂房或厂房内设有特重级桥式吊车或厂房内有较大振动设备的均应设置纵向水平支撑。
屋面的排水及防水设计在屋面设计中需重点考虑，根据《屋面工程技术规范》的规定，屋面坡度最小为5％，在积雪较大的地区，坡度应适当加大。单坡屋面的长度主要取决于所在地区的温差以及降雨所形成的最大水头高度。根据工程设计经验，单坡屋面长度宜控制在70m以内。
目前，市场上钢结构屋面的做法常用的有两种：①刚性屋面：双层彩色压型钢板内夹保温棉；②复合柔性屋面：由屋面彩钢板内板、隔气层、保温层、卷材防水层组成。
5立面设计
轻钢结构的建筑主要有把握以下4个方面的特征：规模、线条、色彩、变化。
钢结构厂房的立面主要由工艺布置来决定，在满足工艺的要求下力求立面简洁恢宏同时使节点尽量简单统一。彩色压型钢板使得轻钢厂房的建筑表现得体形轻盈色彩丰富，明显优于传统钢筋混凝土结构的沉重单一。在轻钢厂房的设计中常采用跳跃性色彩和冷色调，重点突出主要出入口、外天沟、收边泛水等地方，既体现了现代化厂房的恢宏气势，又丰富了立面效果。
传统的钢筋混凝土结构厂房，外墙维护为砖砌体，外装修为涂料或面砖，辅以色带，由于混凝土屋面设置采光窗效果不理想，设计时通常在墙面设置大量的采光窗。但对于维护墙为彩色压型钢板的钢结构厂房来说则不然。线条是表现轻钢结构建筑风格最独特的特征，均匀的线条或横或竖，使得轻钢结构建筑富有流畅的金属质感，体现了强烈的现代工业气息。若在墙面设置大量采光窗，则破坏了墙面的线条造型，同时，轻钢结构屋面可以大量使用屋面采光板，采光均匀，同时兼可解决厂房通风问题。
6防锈处理
钢结构表面直接暴露在大气中就会锈蚀，当钢结构厂房空气中有侵蚀性介质或钢结构处在潮湿环境中时，钢结构厂房锈蚀就会更加明显和严重。钢结构的锈蚀不仅会使构件截面减小，还会使钢构件表层局部产生锈坑，当构件受力时将引起应力集中现象，使结构过早破坏。因此，对钢结构厂房构件的防锈蚀问题应予以足够的重视，并应根据厂房侵蚀介质情况和环境条件在总图布置、工艺布置、材料选择等方面采取相应对策和措施，以确保厂房结构的安全。一般钢结构的防腐常采用防锈底漆和面漆，涂装层数及厚度常根据其使用环境和涂层性质来决定。一般室内钢结构在自然大气介质作用下，要求涂层厚度100μm，即底漆两道，面漆两道。露天钢结构或在工业大气介质作用下的钢结构，要求漆膜总厚度为150μm～200μm。且在酸环境中的钢结构要求使用氯磺化防酸漆。钢柱柱脚在地面以下部分要用不低于C20的混凝土包裹，其保护层厚度不小于50mm。
结束语
总之，钢结构厂房在满足工艺布置的前提下，选择合适的结构体系能使结构受力合理、安全可靠，且能有效降低结构造价。
参考文献：
【1】GB50009-2001建筑结构荷载规范(2006年版)【S】．
【2】GB50017―2003钢结构设计规范【S】．
前言
轻型钢结构是近半个世纪来，国内外应用与发展速度最快、使用最多的新型钢结构形式，被广泛应用于工业、民用和较大空间的公共建筑，除了具有传统钢结构的施工速度快、结构空间大等优点外，还具有钢材用量更少、建筑类型更自由、造价低廉等更大的综合优势。特别是近年来，钢结构在我国的迅猛发展，使得门式刚架结构体系作为一种有较大优势的轻型钢结构，在我国更是大量的设计和使用。近十几年来，我国彩色钢板的产量大大增加，与此同时焊接H型钢从出现，到广为使用，也不过十几年，这都为门式刚架的大量使用创造了客观的物质条件，目前，我国建成门式刚架结构工程已达上千万平方米，据不完全统计每年还在以几百万平方米的速度增加。
1、 屋面活荷载的确定
《钢结构设计规范》 （GB50017）作为门式刚架结构设计的主要依据，根据《钢结构设计规范》可知：不上人屋面的活荷载为0. 5kN/m2,如果构件的承受荷载面积大于60m2时，可以取面积折减系数0. 6，门式刚架上部的承载面积一般都大于60m2，基本都满足此条件，故设计时活荷载可取值为0.3 kN /m2，此种取值对于刚架的设计应该是没有问题的，但是全面考虑整个屋面结构，包括屋面檩条和屋面板，如果全部设计都按照0.3kN /m2取值，偏于冒险，我们参考了国外相关规范考虑到0.15kN/m2~0.60kN/m2的附加荷载。而笔者查阅相关的规范，包括：《钢结构设计规范》（GB50017）、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018）和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102：2002）都未对此问题作出规定，据笔者所见现在有的框架梁过细，檩条过小，有明显克扣荷载的现象，如果遇到特殊的超载情况例如大风、大雪或其他原因，整个结构就会出现安全隐患，所以笔者还是建议活荷载取0. 5kN /m2。
2、结构力学设计方法及考虑抗震影响的设计
门式刚架由于其受力情况，一般都采用变截面结构设计，而变截面结构必须采用弹性分析方法确定各种内力（《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》要求），弹塑性分析方法仅在结构均为等截面构件时才使用。变截面门式刚架一般均采用平面结构分析内力，而不考虑应力蒙皮效应。由于单层门式刚架结构自重小，承载力一般不考虑地震作用效应组合，所以我们既可以认为不需进行抗震计算。但按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定，对于宽度较大的刚架或竖向高度很大的刚架，或长度很大的纵向刚架，包括有夹层、吊重、桥式吊车等结构情况，则必须考虑地震作用效应，必须进行包括地震荷载作用的组合验算。笔者对不同情况进行了计算分析可知，对于单层门式刚架（无吊车），地震烈度考虑为6度至7度时，地震作用对门式刚架的设计没有任何影响；对于地震烈度为8度或更大时，同时考虑刚架的跨高比大于3.5，地震作用对门式刚架结构设计仍然没有任何影响；当刚架的跨高比设定为1.5~3.5时，地震作用对门式刚架的设计起到较大作用，且跨高比为 1.5 时，地震作用的影响最大。
3、结构的优化设计
设计过程除了保证正常使用的安全外，还要最大可能的发挥出门式刚架轻型房屋结构的长处和优点。由于轻型钢结构构件在生产过程中任意性较大，轻质屋（墙）面的布置十分灵活。上述优点保证了门式刚架轻型房屋的生产和施工基本可以做到量体裁衣。也就为我们设计者提出了保证设计合理化、结构安全化、降低投资造价等优化要求。
3.1.结构跨度的确定
厂房跨度往往由生产工艺流程和厂房使用功能等因素决定着，大部分投资方都会要求设计者按照自己的使用需要，确定经济合理的结构跨度。在满足使用者的生产工艺和使用功能的基础上，结构的高度是确定结构的跨度的较大影响因素。经过笔者比对演算，如果确定柱高及上部荷载，适当加大结构跨度，整体结构的用钢量并无较大程度增加，但是加大了可利用空间，降低了基础造价，取得了较大的综合效益。
经验算可知，设定檐高为6m、柱距为7.5m，且荷载情况完全相同时，跨度在18~30m范围内的刚架，单位面积用钢量（Q235B）为18~28kg/m2，当跨度在 21~48m范围内的刚架，单位用钢量为25~40kg/m2。但是，一旦跨度超过48m时尽量采用多跨刚架（且中间必须设置摇摆柱），其用钢量与单跨刚架比较，节约 18%左右，因此设计门式刚架时，必须根据具体情况、投资者的要求来选择合理跨度的刚架，而不宜盲目追求大空间、大跨度。
3.2.结构最优柱距的确定
刚架柱距的选择需考虑如下因素：1、刚架的跨度2、屋面荷载3、檩条形式，如果要求为较小刚架跨度，而选用了较大的柱距，会增加檩条使用量，加大了用钢量，这对业主而言是不负责任的。门式刚架存在着最优柱距范围，即门式刚架的柱距应设定在6m~9m之间，超过9m时屋面檩条与墙梁体系的用钢量增加过多，没有达到减少造价的目的。
4、结构设计应给予重视的几种情况
4.1. 柱脚螺栓抗剪及抗拔
近年来，各地出现多起使用中的门式刚架轻钢房屋被大风将锚栓拔起，造成较严重的事故，所以《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》明确规定，必须进行柱脚锚栓的抗拔验算。柱脚锚栓不能参加抗剪，水力应由底板与混凝土基础间的摩擦力承受，超出时应设置抗剪键。
4.2. 隅撑设置
隅撑的作用是保证刚架在斜梁受压下翼缘和刚架柱受压翼缘出平面外稳定，是重要的控制构件稳定性的构件。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定“在檐口位置，刚架斜梁与柱内翼缘交接点附近的檩条和墙梁处各设一道隅撑”，就是为了保证该处的稳定性。部分柱也应该设置隅撑，必须根据实际情况计算后设置，而当遇到较高柱时，必须分段后，验算平面外的稳定性。
4.3.柱间纵向支撑设置
部分多跨门式刚架轻钢房屋，往往只在边跨设置柱间支撑，却没有在中间柱列设置柱间支撑。为了保证使用的安全性，建议如果不能设置中跨柱间交叉支撑时，可设置人字支撑等其他形式的支撑，或采用纵向支撑。
5、结语
由于我国轻钢结构起步较晚，在理论和实践中与世界先进水平仍有较大差距，所以建议在设计中，对于门式刚架构件的截面尺寸需经多次试算才可确定。目前部分钢结构设计人员的设计经验还很少，选择的截面形式容易造成结构整体的应力不均，且经济指标不合理，甚至影响整体结构的安全度。因此为了保证安全、增加经济效益，必须要求相关设计人员进一步扭转我们的设计观念，以工程的设计质量为先，推动我国门式刚架轻型钢结构的向前发展。
参考文献：
[1]徐永明。浅谈轻型门式刚架结构设计[J]；工业建筑， 2008，38卷
[2]JTG D30-2004 GB50017-2003钢结构设计规范[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
中图分类号：TU375 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）02-
门式刚架结构以其自重轻、跨度大、施工周期短等优点，早已成为建筑结构中应用最广泛的类型之一。近年来，由于防腐防火处理、后期维护等多方面的原因，一些业主提出采用混凝土柱代替门式刚架中的钢柱。于是，这种混凝土柱钢梁新型结构形式也得到越来越多的应用。
但是，对于设计人员而言，这种结构类型目前还没有相应的规范、标准可以参照，这给设计工作带来了很多麻烦，特别是对设计经验不丰富的新手，如果对这种结构体系认识不清楚，盲目着手设计，可能会使结构存在很多安全隐患，甚至造成结构倾覆、垮塌等工程事故。
1、工程概况
本工程为一个成品存储仓库，长90m，宽30m，位于8度地震区，业主希望采用混凝土柱---轻钢屋盖结构，檐口高5m，围护墙为砖墙。
建筑方案初步定为：现浇混凝土柱，纵向柱距7.5m，柱外侧贴砌240mm砖墙，钢梁屋架，彩钢板夹聚苯乙烯保温板屋面，坡度1:10。
2、结构平面布置
因仓库长度为90m，依据《混凝土结构设计规范》大于55m需设置伸缩缝，而依据《钢结构设计规范》，屋盖伸缩缝的最小间距也可达120m，不需要设置。针对这一矛盾，有两种方法解决：一是在纵向柱间设型钢支撑，杆件连接的螺栓孔处理成长圆孔来消化温度变形；二是设置双柱，并在双柱两侧屋盖设置横向水平支撑。
从保证仓库整体性和施工方便性角度考虑，确定选用方案一。
3、屋面梁选形
这类混合结构屋面梁的常见形式有两种：梁底面接近水平的变截面实腹钢梁和等截面人字形实腹钢梁。
底平变截面实腹钢梁结构在竖向荷载作用下，柱顶不产生水平推力及由水平推力产生的柱顶水平位移，柱底也无弯矩，柱子受力简单，内力较小，基础面积也较小，但钢梁在跨中屋脊处挠度较大，需增大梁截面，这给钢梁焊接和施工增加了难度，同时也提高了造价。
等截面人字形实腹钢梁结构在竖向荷载作用下，柱顶会产生一定的推力和水平位移，在计算和分析时比较复杂，但结构形式比较简单，制作和施工难度小，工程造价也相对较低。
结合本工程的特点及业主的要求，确定采用等截面人字形实腹钢梁。
4、梁柱节点设计
排架柱采用现浇混凝土柱，柱底刚接。
柱顶与钢梁的节点连接形式主要有刚接和铰接两种形式。
由于混凝土柱属于脆性材料，钢梁属于弹性材料，即使通过加强配筋来提高柱顶的抗弯剪能力，两者的连接也很难达到刚接要求，且节点设计和施工都比较复杂，故一般不采用刚接，而使用铰接形式。
按铰接形式设计时，人字形钢梁相当于两端铰接的折线拱，应按拱的受力特点进行计算。钢梁与柱顶一般采用锚栓连接，螺栓不传递剪力，剪力由焊接于节点板底的抗剪键承担，也有采用柱顶埋设预埋钢板的方法与钢梁拱脚连接。
对于较大跨度结构，柱顶水平推力较大，会导致柱底弯矩和柱配筋很大，基础面积也会偏大，提高了工程造价。本工程中仓库的跨度为30m，属于较大跨度结构，按1:10的坡度计算，屋脊处的矢高达1.5m，跨中弯矩和挠度都会很大，由水平推力产生的柱底弯矩也非常大。
为解决这一问题，考虑在钢梁底部增设拉杆来承受其产生的水平推力。梁柱节点采用4M30锚栓铰接，拉杆可采用圆钢或油浸钢绞线。
5、建模计算和规范选择
这类结构的设计仍可采用PKPM软件进行。用STS门式刚架的程序建模，顺序跟设计门式刚架一样，钢梁与混凝土柱的连接连接形式改为铰接，由于连接形式的不同，致使这种体系单榀刚架的受力与一般的门式刚架不同，设计时不能简单的把门式刚架的钢柱替换为混凝土柱，应采用混凝土柱与钢梁整体建模分析，并以整体分析的结果来设计基础、混凝土柱的配筋与钢梁。若把混凝土柱和钢梁分开进行设计时，往往给设计结果带来安全隐患。
在目前版本的STS中，可以考虑混凝土柱与钢梁的整体建模，整体分析，程序会自动根据整体分析的结果，按照《混凝土结构设计规范》进行混凝土柱配筋、验算，按照选定的钢梁构件验算规范进行钢梁的验算，在布置基础的情况下，也能同时根据整体分析柱底力完成基础的计算。
这类结构已经超出门规的使用范围，参数设置时，应将结构类型选择为“单层钢结构厂房”，本工程位于8度地震区，选择“考虑地震作用计算”，程序会自动按照抗震规范的规定进行控制。混凝土柱应按《混凝土结构设计规范》进行设计，满足其相应要求，钢梁应满足《钢结构设计规范》相关要求。
在挠度控制方面，考虑到所采用的轻型屋面体系对钢梁挠度不敏感，所以此处可较钢结构设计规范的挠度控制指标（L/400）适当放宽到L/250。
6、支撑布置
为保证纵向的结构整体刚度，并考虑到仓库长90m，抗震设防烈度为8度，在仓库纵向两端第二开间和中部1/3区段设置两道柱间支撑，支撑杆件连接的螺栓孔处理成长圆孔。柱间支撑设置开间同时设置屋盖横向水平支撑，在两端第一开间设置刚性系杆。两端山墙处也要设置钢梁，不能将屋面直接采用山墙承重。
7、围护墙、隔墙设计
本工程位于8度区，有抗震设防要求，围护墙和隔墙应符合下列要求：
⑴砌体隔墙与柱宜脱开或柔性连接，并采取措施使墙体稳定，隔墙顶部设现浇钢筋混凝土压顶梁。
⑵砌体围护墙采用外贴式并与柱可靠拉结。
⑶砌体围护墙在门洞口上设一道圈梁，当圈梁被门窗洞口截断时，在洞口上部增设相同截面的附加圈梁。附加圈梁与圈梁的搭接长度不应小于其中到中垂直间距的二倍，且不得小于1m；圈梁兼作过梁时按相关构造要求在梁底加筋。
⑷山墙沿屋面应设钢筋混凝土卧梁，并与屋架端部上弦标高处的圈梁连接。
⑸圈梁的构造应符合下列规定：
①采用闭合式圈梁，圈梁截面宽度与墙厚相同，截面高度不小于180mm；圈梁的纵筋采用4φ12。
②转角处柱顶圈梁在端开间范围内的纵筋采用4φ14，转角两侧各lm范围内的箍筋采用φ8@ l00；圈梁转角处增设3根直径与纵筋相同的水平斜筋。
③圈梁与柱或屋架牢固连接，山墙卧梁应与屋面板拉结；顶部圈梁与柱或屋架连接的锚拉钢筋采用4φ12，且锚固长度不宜少于35倍钢筋直径。
8、结语
虽然这类混凝土柱钢梁的结构形式越来越多见，但所有规范均未明确规定其设计方法和构造要求，设计中也一直存在很多有争议的问题，本文中的一些处理方法，也只针对该工程中涉及的问题，供同行参考。
参考文献：
[1] GB50017-2003，钢结构设计规范，中国建筑工业出版社，2003
[2] GB50010-2010，混凝土结构设计规范，中国建筑工业出版社，2010
[3] GB50011-2010，建筑抗震设计规范，中国建筑工业出版社，2010
[4] CECS102：2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程，中国计划出版社，2003
中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：
引言
钢结构建筑有着施工周期短、结构荷载较小、抗震性强等优点在厂房建设中被广泛应用，文中根据现行《钢结构设计规范》GB50017-2003的规定，对钢结构设计常见问题进行分析。
一、钢结构的稳定设计的重要性
钢结构的稳定性是钢结构设计中常见的问题，在各种类型建筑的钢结构设计中稳定性都摆在首位，钢结构的稳定问题是钢结构设计中主要的问题之一。如果一旦出现钢结构稳定性问题，就会造成严重的经济损失，甚至会造成人员伤亡。所以我们必须把握好钢结构设计的质量，目前钢结构失稳事故频发，主要原因来源于设计问题，所对钢结构各部位构件的问题性必须清晰，尤其对钢结构中需要进行稳定加固的部位进行针对性设计，所以在设计中必须明确钢结构稳定性的定义，只有这样才能更好保证钢结构的稳定性。
二、钢结构设计中的常见问题及解决方式
稳定问题和强度问题都和建筑的变形有着实质的关系。当柱在荷载过大情况下，容易产生失稳状况，这时侧向挠度会加大柱的弯矩，在柱受到破坏荷载的情况下，柱的强度就会低于轴压强度。钢结构在设计中要保证稳定性就要遵守如下的原则；
1.结构的整体布置要保证整体和各部分都达到稳定性。结构大多数设计要按照平面体系进行设计。例如框架、横梁，这样可以保证平面结构不出现失稳状况，所以在结构的布置上考虑。要在关键节点设置支撑构件，保证结构的平面体系的两侧都必须与结构布置相同。
2.结构的受力计算要和实际计算方法相同，在单层和多层框架结构设计时，会忽略框架稳定性分析，而直接对框架、柱使用稳定计算来代替。在这种情况下计算框架稳定时的柱计算长度系数要通过框架的稳定分析得出，这样才能使柱稳定计算和框架计算相同。但是在实际框架中结构样式繁多，在设计中就会对结构计算进行简算。所以需要设定特殊条件，根据这些假定，框架各柱的稳定参数和杆件稳定计算常用的方法就会根据简化的假定情况得出，在设计过程中必须明确设计的结构符合设定条件时才能应用。
3.结构在稳定计算中必须加强对细部构件的计算。保证细部构件和构件之间的稳定计算一致，结构和设计相互符合。结构设计中对结构结算和构造设计必须提高关注。
4.在进行弯矩传递和非弯矩传递的节点连接中，必须包含足够的刚度和柔度，并对桁架节点减少杆件的偏心设计，这些都是在细部设计中最需要考虑的。但是涉及到稳定性时，建筑在构造要求中必须保证不同的强度要求，还要对特殊情况进行考虑。在对整体梁的处理要严格要求，并且支座还必须有一定的阻扭性，同时要保证梁在平面转动和梁端截面自由移动，以满足边界稳定的条件。GB50017-2003《钢结构设计规范》第4.2.5条已经在对梁的支座采取相应的措施，以保证梁截面稳定。
5.在围护结构中要加强对檀条的设计系数。并按GB50017-2003《钢结构设计规范》和CECS102-2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（简称“轻钢结构规程”）相关条文的要求进行平面内及平面外强度、稳定、变形等计算，但对檩条平面外计算长度起决定作用的拉条、斜拉条、撑杆的布置概念较为模糊，特别是斜拉条如何设置、在何处设置撑杆等不十分明确。如《轻钢结构规程》第6.3.5条已明确规定当檩条跨度大于6m时，应在檩条跨度三分点各设一道拉条（或撑杆），斜拉条应与刚性檩条连接。对于前者一般能做到，而对于斜拉条的连接及撑杆的设置往往被设计者所忽视。曾经有设计者将斜拉条上端固定在柔性檩条上，且最上端两根檩条间的拉条仍设置为柔性拉条。对于对称屋面的檩条布置是有条件的，就是屋脊处两边的两根檩条必须连在一起，考虑两侧檩条的拉力平衡；但对于不对称的屋面来说，由于两侧拉力不可能平衡，无论从受力还是传力角度来说这样的布置显然是错误的。所以决定檩条侧向计算长度的拉条、斜拉条、撑杆的布置必须具体分析，并于计算假定相一致。《轻钢结构规程》第6.4.3条非常明确地规定在最上层墙架处宜设斜拉条，将拉力传至承重柱或墙架柱上。
6.在实际工程设计中有些设计者对屋面或墙架最上端檩条的侧向支撑，如拉条、斜拉条、撑杆能正确设置，但对中间墙面或屋面，如门窗洞口、屋面风机开孔处、屋面天窗（采光窗）等处，经常只设拉条，而漏设斜拉条和撑杆等，根本无法将拉条上的拉力传至承重结构上。
最根本的原因是对拉条和撑杆等构件作用不清晰，造成误解。设计者对条文规范不清晰就会为围护结构在设计上带来钢结构的安全隐患，因为这时钢构件的抗扭力对钢结构的受力很大，同时由于其抗扭力脆弱，造成截面面中工字钢和箱形的截面扭转常数为1：500，最大的扭转剪力会高达30：1，同时受扭构件的受力状态十分复杂，除了因弯矩所产生的扭曲正应力和剪应力还要承受因扭转所产生的正应力和剪力，这时就造成了处理复杂受力状况下的构件处理困难的情况。所以在实际的建筑结构设计中，会在结构布置的问题上最大限度的避免构件受到不规律扭力，并制定有效的防止措施对其保护，如果无法对扭力进行抵抗就需要放弃工字钢梁，而采取闭合箱式梁。
7.在XX电厂的厂房楼结构设计中采用了大量的工字钢梁和宽翼梁。但是由于室内设备工艺和装饰要求，都要在钢梁下悬挂设备，这就造成了吊重荷载力的产生，所以在设计中我们必须考虑到采用有效措施对水平力和结构构件的扭矩影响。我们在一般情况下会采用密铺楼盖或现浇楼板将上翼缘的水平力传导至框架主体上，来达到消除结构梁所产生的扭矩影响。但是当有其他水平力作用在钢梁下部时，梁的实际受力就会受多方面的影响，其中钢梁上翼缘无密铺楼盖或现浇楼板，梁将受到双向弯曲且受扭曲状态；另一种为钢梁上翼缘有密铺楼盖或现浇楼板，可以阻止梁上翼缘的受扭，钢梁仅局部受扭。
三、结束语
钢结构在设计中必须保证结构的稳定性，这是钢结构质量保证根本条件，另外进行结构的受力计算要和实际计算方法相同，以保证设计的合理性。我们在设计中要注意对构造件尺寸的设计，必须符合实际施工要求，对大型结构件的设计必须控制，以提高施工中的效率，保证设计的最优化。
参考文献：
[1]唐群；高层钢结构框架整体稳定性分析[D]；辽宁工程技术大学；2009年.
