糧庫(kù)工作塔薄弱層的處理措施

◎ 康民啟，章長(zhǎng)玖

（1.鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450053；2.河南豫美建設(shè)工程檢測(cè)有限公司，河南 鄭州 450000）

在糧倉(cāng)項(xiàng)目中，許多實(shí)現(xiàn)糧食自動(dòng)化作業(yè)的工藝、機(jī)電設(shè)備都安裝在工作塔內(nèi)，使得工作塔成為整個(gè)糧庫(kù)的運(yùn)行中樞。另外，工作塔也是一個(gè)糧庫(kù)中最高的構(gòu)筑物。工作塔的安全性和可靠性對(duì)整個(gè)糧庫(kù)的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

由于工藝布置需要，工作塔平面尺寸較小，而高度卻很高，外觀呈塔狀，高寬比常接近規(guī)范限值。工作塔的層高也都不相等，個(gè)別層高大于相鄰樓層高度40%多，這樣就在這一層形成了結(jié)構(gòu)薄弱層。薄弱層的出現(xiàn)，將導(dǎo)致本層的剛度比值、位移角、受剪承載力比值等指標(biāo)超出規(guī)范限值。如何調(diào)整這些指標(biāo)，成為結(jié)構(gòu)建模計(jì)算的關(guān)鍵。筆者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了以下幾個(gè)措施，與各位讀者一起學(xué)習(xí)、探討。

1 減弱上層結(jié)構(gòu)的剛度

JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對(duì)剛度比值、受剪承載力比值的規(guī)定都是指薄弱層與相鄰上一層或相鄰上部3層的比值，所以想方設(shè)法減弱相鄰上一層或相鄰上部3層的剛度可以有效地縮小比值[1]。隨著房屋高度的增加，荷載越小，框架柱的軸壓比也越小，所以通過(guò)減小上部結(jié)構(gòu)框架柱的剛度可以達(dá)到目的。根據(jù)框架柱的線剛度公式i=EI/L，減小彈性模量值E和慣性矩I可以降低框架柱的線剛度。

彈性模量E與混凝土的強(qiáng)度有關(guān)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高其彈性模量越小。根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》統(tǒng)計(jì)的彈性模量與混凝土強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖1所示[2]，圖中縱坐標(biāo)表示彈性模量（x104N/mm2）。混凝土的強(qiáng)度等級(jí)每降低一級(jí)，彈性模量減小約3%～6%。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)減小幅度不宜大于1級(jí)，全樓減小次數(shù)不宜大于2次。

圖1 彈性模量與混凝土強(qiáng)度關(guān)系曲線圖

框架柱的慣性矩I與其界面尺寸有關(guān)，根據(jù)慣性矩計(jì)算公式I=(bh3)/12，通過(guò)減小框架柱的截面尺寸，可以大幅度地降低框架柱的線剛度。規(guī)范沒(méi)有對(duì)縮小框架柱尺寸有明確規(guī)定，實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般單側(cè)收縮不大于100 mm，雙向都收縮每側(cè)50 mm。

減小混凝土強(qiáng)度等級(jí)和縮小框架柱截面尺寸兩種方法不應(yīng)在同一層使用，避免結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度突變。規(guī)范對(duì)此也有相應(yīng)的規(guī)定，如GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.2條：抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則對(duì)稱、側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小、避免側(cè)向剛度和承載力突變[3]。JGJ3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.5.1條：結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化[1]。

2 增加薄弱層的結(jié)構(gòu)剛度

受第一種方法的啟發(fā)，加大薄弱層的強(qiáng)度等級(jí)和框架柱截面尺寸也能夠達(dá)到第一種方法的效果。根據(jù)框架柱的線剛度公式，減小框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度，同樣可以增大框架柱的線剛度。工作塔薄弱層的原因通常是層高過(guò)高造成的（高度一般大于6 m），填充墻按照構(gòu)造要求需要在中間設(shè)置圈梁。若把圈梁換成層間梁，其剛度大大加強(qiáng)，可以對(duì)框架柱形成約束；單個(gè)框架柱的剛度將增大一倍，對(duì)整個(gè)薄弱層的剛度提高大有裨益。需要注意的是，在結(jié)構(gòu)建模時(shí)層間梁應(yīng)（通過(guò)調(diào)整梁頂標(biāo)高的方式）輸入在薄弱層內(nèi)，不能將層間梁?jiǎn)为?dú)設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層。另外，層間梁應(yīng)按照實(shí)際情況輸入梁上荷載。這樣的結(jié)構(gòu)模型才和實(shí)際情況相符，結(jié)構(gòu)計(jì)算的指標(biāo)才貼近實(shí)際[4]。

3 采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

框架和剪力墻這兩類抗側(cè)力單元在水平荷載作用下的受力和變性特點(diǎn)各異。剪力墻以彎曲型變形為主，隨樓層的增加，總側(cè)移和層間側(cè)移增長(zhǎng)加快。框架以剪切型變形為主，隨著樓層增加，總側(cè)移與層間側(cè)移增加減慢。在同一結(jié)構(gòu)中，通過(guò)樓板把兩者連在一起，樓板在其自身平面內(nèi)剛度很大（計(jì)算時(shí)假定為無(wú)限剛性），它迫使框架和剪力墻在各層樓板標(biāo)高處共同變形，以滿足建筑物的抗側(cè)要求?？蚣?剪力墻變形曲線圖如圖2所示。從圖中可以看出，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的變形曲線呈反S形的彎剪型變形曲線。在框架中局部增加剪力墻可以在對(duì)建筑物的使用功能影響不大的情況下，使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和承載力都明顯提高，所以這種結(jié)構(gòu)體系兼有框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是一種適用性很廣的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 框架-剪力墻變形曲線圖

按照框架部分承受的地震傾覆力矩（Mc）與總地震傾覆力矩（M0）的比例，可將框架-剪力墻分成4種類型：Mc/M0≤10%，少框架的剪力墻體系；10%＜Mc/M0≤50%，典型的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；50%＜Mc/M0≤80%，剪力墻偏少體系；Mc/M0＞80%，剪力墻極少體系?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)體系分類如圖3所示。當(dāng)只是為了增加框架結(jié)構(gòu)的剛度、滿足層間位移角限值的要求時(shí)，可采用剪力墻偏少體系和剪力墻極少體系[1]。

圖3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系分類圖

上述3條措施就是筆者近年來(lái)在處理工作塔薄弱層問(wèn)題上的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。工作塔的平面、立面布置是復(fù)雜多變的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，選擇相應(yīng)的技術(shù)處理措施解決問(wèn)題。還要構(gòu)建多個(gè)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行比較，才能找到最優(yōu)的解決方案。