一轻钢结构由于其具有重量轻、跨度大、抗震性能好、温差适应能力强、施工方便快捷、投入成本相对(混凝土结构或钢网架)低等优点,不仅广泛应用于厂房结构,而且已开始大量应用于新建钢筋混凝土框架结构房屋的屋盖、已建钢筋混凝土结构房屋的加层、或跨越相邻两建筑物的有盖通道等。这种钢筋混凝土框架结构与轻钢结构通过有机结合组成的联合框架结构(以下统称为“联合结构”)。位于“联合结构”顶层的轻钢结构一般可分为:钢柱—轻钢结构(以下简称“全钢刚架”)、钢筋混凝土柱—轻钢结构(以下简称“混钢刚架”)两大类。

前者主要用于原钢筋混凝土框架结构房屋的加层改造,后者主要用于新建钢筋混凝土框架结构房屋顶层形成大空间。联合结构的设计分为底部框架结构及顶层轻钢结构两个方面。因轻型钢屋盖的平面整体刚度离结构整体计算要求的“平面无限刚度”假定差距大等原因,联合结构上部的“刚架”部分往往不能作为一个整体,连同下部框架结构一起上机进行整体空间内力分析。

所以在实际工程设计中,常按“平框”模式先将上部“混钢刚架”分离出来单独进行计算,而后将计算所得的柱底内力当作外加荷载反作用在下层框架相应节点处,再由电算程序进行整体计算及设计。可以看出:联合结构的设计关键就是如何选择上部“刚架”结构的计算模式问题。

二.“混钢刚架”计算模式探讨

联合结构的“平框”模式应既要方便于顶层“混钢刚架”的计算,又要便于下层混凝土结构的整体计算;虽然取整个“平框”可以较准确地计算出上部刚架的内力,但却给下部结构的整体计算复杂化。用以下两种“平框”基本模式计算联合结构“混钢刚架”,一般可将计算出的柱底内力结果仅反作用于柱底框架结构节点,对其下结构进行整体计算。

模式一:忽略下部框架结构受力变形对上层“混钢刚架”内力的影响,相当于在其柱脚节点,加一刚臂及水平链杆,形成下端固定的单层刚架进行计算;而后将求得的柱底内力反作用在下部与之相连的钢混框架节点上,再利用程序进行下部结构的整体分析计算。

模式二:考虑“混钢刚架”柱脚框架节点的转动对上部“混钢刚架”内力的影响,即在“混钢刚架”柱脚的相邻节点加一刚臂及水平链杆,将多层“联合结构”转化成下端固定的有局部二层的“联合结构”进行计算;而后将“模式一”求得的柱底内力反作用在下部与之相连的钢混框架节点上,再利用程序进行下部结构的整体分析计算。

显然,“模式一”与“模式二”的主要区别是:后者将柱底不平衡弯矩在柱根节点进行了一次分配,同时忽略了下层楼面荷载对上部结构的影响。所以“模式二”的计算假定与实际比较接近。但“模式二”计算比较复杂,尤其对下端固定的“全钢刚架”,选择“模式二”将不能直接采用现有的门式刚架软件进行计算分析。以下就通过实例来讨论“模式一”与“模式二”的相对误差以及实际应用问题。