工業(yè)建筑中的單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐探討

王 曉 斌

(賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

單跨框架結(jié)構(gòu)由于沒(méi)有冗余約束，抗震設(shè)防起不到多道防線設(shè)防的要求，往往在地震作用下破壞嚴(yán)重。根據(jù)《抗規(guī)》規(guī)定：甲、乙類(lèi)建筑及高度大于24 m的丙類(lèi)建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)，高度不大于24 m的丙類(lèi)建筑，不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)。

但是在工業(yè)建筑中，由于工藝條件的限制及使用功能的要求，單跨框架結(jié)構(gòu)的使用不可避免，而且層高很大，比如：棧橋支架、轉(zhuǎn)運(yùn)站、拉緊裝置、支撐設(shè)備的支架等，這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用單跨框架結(jié)構(gòu)的形式，并且往往高度超過(guò)24 m，而有些結(jié)構(gòu)還是乙類(lèi)建筑，在地震作用下可能導(dǎo)致有毒氣體和液體的泄露，產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害。

使用單跨框架結(jié)構(gòu)既然不可避免，雖然《抗規(guī)》有規(guī)定“特殊要求的工業(yè)建筑其抗震設(shè)計(jì)應(yīng)按有關(guān)專(zhuān)門(mén)規(guī)定執(zhí)行”，但是嚴(yán)格按規(guī)范條款要求不易實(shí)現(xiàn)，也不現(xiàn)實(shí)，所以需要進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，采取一些構(gòu)造措施和計(jì)算來(lái)保證工程中所使用的單跨框架結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。本文將從以下幾個(gè)方面就單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所采用的一些有效的構(gòu)造措施和計(jì)算方法展開(kāi)論述。

1 盡量在單跨方向設(shè)置少量剪力墻或交叉柱間支撐

特別是在高烈度區(qū)，最好在方案階段讓結(jié)構(gòu)形成多道抗震防線。接收條件時(shí)，和工藝管道專(zhuān)業(yè)協(xié)商，讓設(shè)備和管線避開(kāi)需要布置剪力墻及支撐的軸線處，避免空間碰撞。剪力墻或支撐的布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心盡量重合，以減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)破壞。典型的平面布置示例見(jiàn)圖1，圖2。

2 保證結(jié)構(gòu)豎向剛度的均勻性

根據(jù)《抗規(guī)》對(duì)結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的定義，當(dāng)該層側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%時(shí)，為側(cè)向剛度不規(guī)則，此時(shí)在地震時(shí)該層為薄弱層。在地震作用下，該層會(huì)產(chǎn)生集中變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌。

單跨框架結(jié)構(gòu)因?yàn)槿哂嗉s束少，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取更為嚴(yán)格的豎向剛度控制，盡量做到各樓層的側(cè)向剛度相近，避免形成薄弱層的集中變形破壞。在方案設(shè)計(jì)階段需要和工藝管道專(zhuān)業(yè)溝通確定各樓層的高度，使每層的層高相接近。

3 保證結(jié)構(gòu)樓板連續(xù)性

樓板整體連續(xù)且保證板厚不小于100 mm可保證其整體剛度，從而使所有框架柱能同時(shí)參與抵抗水平作用，以避免形成各個(gè)擊破、連續(xù)倒塌。當(dāng)樓板不可避免需要開(kāi)大洞時(shí)，有效樓板寬度不應(yīng)小于該層樓板寬度的50%，且樓板開(kāi)洞的總面積不應(yīng)大于該層樓板面積的30%。并且需要將開(kāi)洞處樓板加厚且加強(qiáng)配筋或在洞口周邊布置次梁從而增加樓板的剛度。

4 嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的層間變形，且保證框架柱有較大的變形能力

失穩(wěn)的根源是二階P—Δ效應(yīng)，對(duì)于單跨框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)更應(yīng)盡量避免產(chǎn)生二階P—Δ效應(yīng)，特別在地震作用下單跨框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)產(chǎn)生P—Δ效應(yīng)，這樣可增大框架的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)倒塌。在設(shè)計(jì)中應(yīng)使結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足剛重比的要求?？蚣苤慕孛娉叽绮粦?yīng)小于500×500，控制柱軸壓比小于0.15，且柱箍筋沿柱全高加密，箍筋直徑不小于10，保證框架柱具有比較大的變形能力，這樣即使在地震作用下柱端出鉸也不會(huì)引起框架的倒塌。

5 采取性能化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)結(jié)構(gòu)的高度、抗震設(shè)防分類(lèi)及抗震設(shè)防烈度的大小盡可能的提高性能目標(biāo)，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全可靠。

1)當(dāng)結(jié)構(gòu)為單層、抗震設(shè)防分類(lèi)為丙類(lèi)或乙類(lèi)且樓面沒(méi)有荷載較大的設(shè)備時(shí)，可按多遇地震彈性設(shè)計(jì)，但抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)提高一級(jí)，以增加結(jié)構(gòu)的延性，改善結(jié)構(gòu)的變形能力，實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的性能目標(biāo)。

2)當(dāng)結(jié)構(gòu)為高度小于24 m的多層且抗震設(shè)防分類(lèi)為乙類(lèi)或高度大于24 m、抗震設(shè)防分類(lèi)為丙類(lèi)時(shí)，結(jié)構(gòu)按中震設(shè)計(jì)。按《高規(guī)》抗震性能水準(zhǔn)為2的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。框架柱抗剪、抗彎按彈性設(shè)計(jì)；框架梁抗剪按彈性，抗彎按不屈服設(shè)計(jì)?？蚣艿目拐鸬燃?jí)定義為四級(jí)，抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)定義為比常規(guī)設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定降低1度采用。

3)當(dāng)結(jié)構(gòu)高度大于24 m且抗震設(shè)防分類(lèi)為乙類(lèi)時(shí)，結(jié)構(gòu)框架柱應(yīng)按大震彈性設(shè)計(jì)，框架梁應(yīng)按中震彈性設(shè)計(jì)，或經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)審后采取更高的性能目標(biāo)設(shè)計(jì)。

6 合理布置樓面次梁

在樓面次梁的布置上，采取盡量避免單跨框架承擔(dān)豎向荷載的布置方式，這樣可減小框架柱在單跨方向上的彎矩，從而減小框架柱的破壞。此時(shí)單跨框架方向上的框架梁受力較小、需要的承載力較小，但在設(shè)計(jì)中需要保證框架梁具有足夠剛度，梁截面高度取不小于跨度的1/10。平面布置示例見(jiàn)圖3。

7 工程實(shí)例

7.1 項(xiàng)目概況

該結(jié)構(gòu)長(zhǎng)15 m、寬7 m，共兩層高11.5 m，寬度方向?yàn)閱慰缈蚣芙Y(jié)構(gòu)，為支撐設(shè)備的構(gòu)筑物，抗震設(shè)防分類(lèi)為乙類(lèi)。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，設(shè)防地震分組為第三組，本場(chǎng)地土類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。

7.2 結(jié)構(gòu)方案布置時(shí)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)

1)通過(guò)和工藝管道專(zhuān)業(yè)溝通，該框架一層沿縱向有管廊通過(guò)，所以在短跨方向無(wú)法設(shè)置剪力墻或支撐。

2)通過(guò)和工藝管道專(zhuān)業(yè)溝通，確定第一層層高為6.5 m，第二層層高為5 m，兩層的樓層高度相近，避免結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則。

3)樓層沒(méi)有大開(kāi)洞，能保證樓板的整體剛度。

4)次梁布置使單跨方向框架不承受設(shè)備荷載。

5)框架柱截面尺寸為650×700，框架梁截面尺寸為350×700。

平面布置見(jiàn)圖4。

7.3 性能化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

該框架抗震設(shè)防分類(lèi)為乙類(lèi)，高度為11.5 m，小于24 m。

結(jié)構(gòu)按中震設(shè)計(jì)，根據(jù)《高規(guī)》抗震性能水準(zhǔn)為2的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)?？蚣苤辜?、抗彎按彈性設(shè)計(jì)；框架梁抗剪按彈性，抗彎按不屈服設(shè)計(jì)?？蚣艿目拐鸬燃?jí)定義為四級(jí)，抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)定義為三級(jí)。中震地震影響系數(shù)最大值取0.23，結(jié)構(gòu)阻尼比取5%。

7.4 配筋結(jié)果對(duì)比

比較性能化設(shè)計(jì)和常規(guī)設(shè)計(jì)的配筋結(jié)果，見(jiàn)表1，表2。

表1 常規(guī)設(shè)計(jì)

表2 性能化設(shè)計(jì)

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：

1)通過(guò)性能化設(shè)計(jì)，柱的縱筋配筋量為常規(guī)設(shè)計(jì)配筋量的約1.5倍，箍筋由常規(guī)設(shè)計(jì)的Ф8變?yōu)樾阅芑O(shè)計(jì)后的Ф10。

2)通過(guò)性能化設(shè)計(jì)，單跨方向框架梁的配筋量為常規(guī)設(shè)計(jì)配筋量的約3倍，多跨方向框架梁的配筋量為常規(guī)設(shè)計(jì)配筋量的約2.5倍。

7.5 結(jié)構(gòu)位移結(jié)果分析

中震下結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為1/510，結(jié)構(gòu)基本完好，變形略大于彈性位移限制；大震下彈塑性層間位移角最大值為1/165,結(jié)構(gòu)有明顯塑性變形，但滿(mǎn)足《抗規(guī)》限值1/50的要求，保證結(jié)構(gòu)大震不倒。

框架經(jīng)過(guò)性能化設(shè)計(jì)后梁柱縱筋和箍筋配筋量的增加，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的延性和承載力都得到了較大的提高，能保證結(jié)構(gòu)在中震作用下工藝生產(chǎn)不會(huì)受到很大的影響和在大震作用下不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞而產(chǎn)生不利的次生災(zāi)害。

8 結(jié)語(yǔ)

單跨框架結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中是非常普遍的結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)常困擾設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)，也經(jīng)常被審圖單位所詬病。這時(shí)需要設(shè)計(jì)師通過(guò)與審圖公司溝通，采取一定的措施進(jìn)行設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)總的原則就是加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)布置均勻、規(guī)則、整體性好、延性高。并且根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、結(jié)構(gòu)高度和結(jié)構(gòu)在大震作用下產(chǎn)生次生災(zāi)害的嚴(yán)重性，通過(guò)性能化設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件采取不同性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。