煤礦工業(yè)建筑中框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點分析

彭文清

（中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，西安710054）

1 框架結(jié)構(gòu)的特點

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是由梁、柱組成并同時承受豎向和水平荷載的結(jié)構(gòu)體系，適用于體型規(guī)則、剛度均勻的建筑物。該結(jié)構(gòu)空間分隔靈活，可以形成較大的使用空間；整體性好，設(shè)計合理，具有良好的抗震、抗風(fēng)、抗爆、抗撞擊和抗振動性能；與鋼結(jié)構(gòu)相比具有較好的耐久性和耐火性；與砌體結(jié)構(gòu)相比自重較輕；且可模性較好，也便于就地取材。因此，在煤礦工業(yè)建筑中應(yīng)用十分廣泛[1]。

2 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要原則

2.1 抗震設(shè)計

相關(guān)規(guī)范要求以“小震不壞，中震可修，大震不倒”為抗震設(shè)防目標(biāo)，并通過二階段設(shè)計（承載力驗算和彈塑性變形驗算）實現(xiàn)設(shè)防要求。因此，框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的總原則是允許出現(xiàn)局部損壞，但應(yīng)從各方面提高結(jié)構(gòu)整體的變形能力，防止倒塌。抗震設(shè)計的主要內(nèi)容包括概念設(shè)計、計算設(shè)計（抗震計算）和構(gòu)造設(shè)計（構(gòu)造措施）。概念設(shè)計是結(jié)合地震及其影響的不確定性與規(guī)律性，依據(jù)框架結(jié)構(gòu)對地震的總體反應(yīng)，按照結(jié)構(gòu)的破壞機制和過程靈活運用抗震設(shè)計準(zhǔn)則，從一開始就全面把握結(jié)構(gòu)的整體性能（承載力、變形、耗能），合理確定結(jié)構(gòu)的總體布置和細(xì)部構(gòu)造，力求消除結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)；抗震計算包括地震作用和抗力計算，是對地震作用進行定量分析，為抗震設(shè)計提供定量控制的手段；抗震構(gòu)造措施是指采用抗震計算以外的措施，以保證抗震計算結(jié)果的有效性[2]。

2.2 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

框架結(jié)構(gòu)的總體布置是否規(guī)則直接影響其抗震性能。平面布置必須有利于抵抗水平力和豎向荷載，平面形狀和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的分布應(yīng)簡單規(guī)則，均勻?qū)ΨQ，并減少扭轉(zhuǎn)的影響；豎向布置盡量使結(jié)構(gòu)的承載力和豎向剛度自下而上逐漸減少，變化均勻、連續(xù)、不發(fā)生突變。煤礦工業(yè)建筑的框架結(jié)構(gòu)布置應(yīng)以滿足工藝要求為前提，盡量避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的不規(guī)則；必須出現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采取相應(yīng)措施減少不規(guī)則的數(shù)量和程度，特別不規(guī)則時，應(yīng)進行專門研究和論證，嚴(yán)重不規(guī)則的禁止采用。

2.3 適用高度

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)適用的最大高度：抗震設(shè)防烈度為6度、7度、8度（0.2g）、8度（0.3g）、9度時，分別為60m、50m、40m、35m、24m；結(jié)構(gòu)平面和豎向均不規(guī)則時宜降低約10%；甲類建筑，抗震設(shè)防烈度為6度、7度、8度時，宜提高1度后確定，9度時應(yīng)專門研究[3]。

2.4 結(jié)構(gòu)布置的要求

框架結(jié)構(gòu)應(yīng)受力明確，傳力合理、直接，有明確的計算簡圖，結(jié)構(gòu)剛度和承載力分布均勻適當(dāng)；應(yīng)具備必要的抗震承載力、良好的變形和消耗地震能量的能力，宜有多道抗震防線；應(yīng)設(shè)計成雙向梁柱抗側(cè)力體系，縱、橫兩主軸方向的動力特性（周期和振型）相差宜在20%以內(nèi)；甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑不應(yīng)采用單跨框架，高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架。

2.5 延性框架

為增強建筑在遭遇強烈地震時的抗倒塌能力，框架結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較強的延性。規(guī)范通過抗震設(shè)防類別、烈度、房屋高度劃分成不同的抗震等級，以內(nèi)力調(diào)整和構(gòu)造措施來控制框架結(jié)構(gòu)的延性，即以強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱桿件等原則，有意識地提高結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件以及某些構(gòu)件中關(guān)鍵部位的延性。具體措施包括：提高構(gòu)件的受剪承載力，避免剪切破壞先于彎曲破壞；避免框架柱小偏心破壞，實現(xiàn)大偏心破壞；減小框架柱的軸壓比；減少框架梁的受壓區(qū)高度；加強箍筋，避免混凝土的壓潰先于縱筋的屈服；加強鋼筋錨固，避免鋼筋的錨固黏結(jié)破壞先于構(gòu)件破壞；加強節(jié)點，避免節(jié)點破壞先于構(gòu)件破壞。

3 煤礦工業(yè)建筑中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 建造場地

場地條件是決定地震作用的重要因素，選擇合適的場地是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中一項十分有效、可靠又經(jīng)濟的抗震措施。煤礦工業(yè)場地選址及前期的總平面布局及方案設(shè)計時，應(yīng)及時掌握場地地形、地質(zhì)構(gòu)造、地基土質(zhì)等信息，并與總圖、工藝等專業(yè)溝通協(xié)調(diào)，盡量確保甲、乙類和較重要的丙類建筑所處場地為對抗震有利或一般地段，避開不利地段，嚴(yán)禁危險地段。

3.2 地基和基礎(chǔ)設(shè)計

地震時，地面震動與上部框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震力是通過基礎(chǔ)相互傳遞的。因此，地基和上部結(jié)構(gòu)的承載力與剛度要相適應(yīng)，基礎(chǔ)底面最好設(shè)計為同一標(biāo)高，且同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基上，也不宜部分采用天然地基，部分采用樁基，否則會因傳遞的差異而造成震害。基礎(chǔ)形式、埋深及底面面積的選擇，應(yīng)充分利用地基土的承載力，并減小基礎(chǔ)偏心；優(yōu)先采用天然地基上的淺基礎(chǔ)，當(dāng)淺層土質(zhì)無法滿足強度、變形、穩(wěn)定性等要求時，可選擇深基礎(chǔ)；應(yīng)采取相應(yīng)措施減輕液化土、軟弱黏性土、新近填土等在地震時使地基產(chǎn)生的不均勻沉降或其他不利影響。

3.3 柱的設(shè)計

設(shè)計柱網(wǎng)時，要明確結(jié)構(gòu)傳力體系，滿足結(jié)構(gòu)受力要求，保證間距規(guī)則、適中、整齊；要避免柱網(wǎng)影響煤礦工業(yè)建筑的使用功能，同時應(yīng)綜合考慮施工的便利性和構(gòu)件尺寸的模數(shù)化與標(biāo)準(zhǔn)化，盡量做到模型簡單化。同一樓層框架柱的截面尺寸不宜相差過大，宜具有相同的承載力、剛度和延性，以保證能夠共同受力，避免在地震中因受力懸殊而被各個擊破，一般可沿豎向分段改變框架柱的截面尺寸與材料強度，尺寸減小與強度降低宜錯開樓層，避免同層同時改變。短柱宜發(fā)生脆性破壞，應(yīng)盡量避免，當(dāng)因工藝布置需要使結(jié)構(gòu)錯層或因布置樓梯形成短柱時，箍筋應(yīng)全高加密，且應(yīng)控制縱筋不宜過大。

3.4 梁、板的設(shè)計

煤礦工業(yè)建筑的樓層上通常會布置各類設(shè)備和洞口，應(yīng)在振動篩、破碎機、斗子提升機、帶式輸送機機頭等振動較大的設(shè)備下設(shè)梁，單個設(shè)備荷載較大時也應(yīng)設(shè)次梁或局部加厚混凝土板帶，梁的截面尺寸應(yīng)滿足預(yù)埋鋼板、預(yù)埋螺栓對錨固長度、邊緣距離等的構(gòu)造要求。樓板預(yù)留洞口短邊尺寸（或直徑）大于0.3m，且洞邊有集中荷載，或洞口寬度（或直徑）大于1.0m時，應(yīng)在洞口邊緣設(shè)置邊梁或暗梁；樓板被大洞口削弱時，應(yīng)加厚洞口附近樓板，提高樓板配筋率且采用雙層雙向配筋，并在洞口角部集中配置斜向鋼筋。

3.5 樓梯的設(shè)計

樓梯間的布置應(yīng)盡量減小其造成結(jié)構(gòu)平面的不規(guī)則和對主體結(jié)構(gòu)的影響，宜采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓梯；當(dāng)鋼筋混凝土樓梯與框架結(jié)構(gòu)整體連接時，樓梯應(yīng)參與結(jié)構(gòu)整體的抗震計算，并應(yīng)對樓梯構(gòu)件進行抗震承載力驗算。

3.6 防震縫

合理地設(shè)置防震縫可使體型復(fù)雜的框架結(jié)構(gòu)劃分為規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元，可降低結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的難度，但由于縫兩側(cè)均須設(shè)置框架柱使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、基礎(chǔ)處理困難，同時還會影響建筑的使用和立面，且地震時若縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)進入彈塑性狀態(tài)，位移急劇增大而發(fā)生互相碰撞，產(chǎn)生嚴(yán)重震害。因此，體型復(fù)雜時不提倡設(shè)置防震縫，應(yīng)根據(jù)不同建筑的特點，調(diào)整平面尺寸和結(jié)構(gòu)布置，采取有效的構(gòu)造措施和施工措施，盡量不設(shè)或少設(shè)縫。

4 結(jié)語

對于框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，應(yīng)結(jié)合必要的抗震計算分析和構(gòu)造措施，才能使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能和抗震可靠度，確保框架結(jié)構(gòu)的安全，從而滿足煤礦工業(yè)建筑的使用功能。