工業(yè)建筑中單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王長(zhǎng)征

中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410001

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。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，并且有些建筑層高還很高，比如:棧橋支架、轉(zhuǎn)載站、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，而有些結(jié)構(gòu)還是乙類建筑，在地震作用下可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重災(zāi)害。

單跨框架結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，雖然建設(shè)成本較低，所使用的耗材量也較少，但是抗震性能較差，在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)無(wú)法取得理想效果[1]?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范（附條文說(shuō)明）》中有明確規(guī)定，單跨框架結(jié)構(gòu)不適用于甲類、乙類建筑，以及高度大于24m的丙類建筑中。但是在工業(yè)建筑中，受到環(huán)境、技術(shù)、功能等各方面因素的限制，不可避免地會(huì)用到單跨框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)災(zāi)害來(lái)臨時(shí)就會(huì)造成嚴(yán)重后果[2-3]。因此，應(yīng)引入概念設(shè)計(jì)，深入分析工業(yè)建筑設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，以提升框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性為主要原則，實(shí)現(xiàn)安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的統(tǒng)一。

1 抗震概念設(shè)計(jì)原則

1.1 整體合理性原則

在建筑設(shè)計(jì)正式開(kāi)始之前，需要提前考察建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，將建筑結(jié)構(gòu)的剛硬度和承載能力相結(jié)合。在單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將抗震概念融入其中，在發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，能夠從不同方面將荷載進(jìn)行吸收，減少外力對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶來(lái)的影響?？蓪⒚坎糠纸ㄖ镞M(jìn)行串聯(lián)，將其作為一個(gè)整體對(duì)待，從源頭上解決抗震問(wèn)題[4]。

1.2 建筑設(shè)計(jì)與抗震設(shè)計(jì)的結(jié)合

抗震設(shè)計(jì)是以建筑設(shè)計(jì)作為主要基礎(chǔ)的，在工業(yè)建筑單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可將兩者進(jìn)行有效結(jié)合。例如充分考慮到當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、地形、氣候等因素，合理預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的意外情況，以提升設(shè)計(jì)的合理性。將抗震設(shè)計(jì)理念融入到建筑設(shè)計(jì)中，并非簡(jiǎn)單地加固建筑物外圍，或是利用強(qiáng)度更大的材料，而是要提前做好一切準(zhǔn)備工作，進(jìn)行周全的考慮[5]。

1.3 整體與部分的結(jié)合

在工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的不規(guī)范，都會(huì)引起連鎖反應(yīng)，為后續(xù)工程的順利進(jìn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響。例如部分設(shè)計(jì)為了保留大面積的底部空間，而忽略了抗震墻的設(shè)計(jì)；或是為了美觀性，上層墻體和下層墻體之間無(wú)法進(jìn)行有效對(duì)接，這些都讓建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得不到保障。僅從單跨框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)看，應(yīng)做到整體和部分的結(jié)合，準(zhǔn)確把握結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，關(guān)鍵處的承載結(jié)構(gòu)一定不能省略。

1.4 在單跨施工方向布置少量的剪力墻與柱間支撐

布置剪力墻和柱間支撐的建設(shè)過(guò)程中，調(diào)整整體結(jié)構(gòu)，使其鋼心和質(zhì)心呈重合的狀態(tài)，防止在發(fā)生地震時(shí)該結(jié)構(gòu)被扭轉(zhuǎn)而受到破壞?，F(xiàn)場(chǎng)施工方案的設(shè)計(jì)階段，現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)計(jì)人員應(yīng)配置多道抗震防線，并充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)是否為高烈度區(qū)，以便根據(jù)實(shí)際情況增設(shè)抗震防線，構(gòu)筑完整的抗震體系[6]。平面布設(shè)圖應(yīng)用最為普遍，如圖1所示，其中圖1中（a）表示單跨方向設(shè)少量剪力墻；圖1中（b）表示單跨方向局部加柱間交叉支撐。

圖1 平面布設(shè)示意

2 工業(yè)建筑中單跨框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及方案分析

2.1 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)

要想對(duì)工業(yè)建筑設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，首先要選擇合適的、優(yōu)質(zhì)的建筑材料。這樣可以提高建筑的整體質(zhì)量和穩(wěn)定性。建筑結(jié)構(gòu)需要各種建筑材料的有機(jī)組合，這些材料在性能和質(zhì)量上有很大的差異。只有合理利用這些性能差異，才能充分滿足建筑結(jié)構(gòu)的使用需求，而材料上的差異也會(huì)對(duì)建筑主體的最終效果產(chǎn)生很大的影響[7]。因此，在廠房的建筑方案中，應(yīng)標(biāo)明所需的建筑材料。在采購(gòu)建筑材料時(shí)，要遵守相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)材料的整體質(zhì)量進(jìn)行仔細(xì)的選擇和控制，從而保證建筑的基本質(zhì)量。相關(guān)監(jiān)理人員還應(yīng)按照相關(guān)法律法規(guī)對(duì)設(shè)計(jì)方案和采購(gòu)進(jìn)行控制。不應(yīng)一味追求最高質(zhì)量，應(yīng)綜合選擇性價(jià)比最高的建材，避免資源浪費(fèi)[8]。例如，在防火建筑材料的購(gòu)買，應(yīng)該注意鋼高耐火材料的選擇，但在鋼筋混凝土的選擇不能盲目地追求提高耐火性，應(yīng)該參考實(shí)際的混凝土強(qiáng)度和其他相關(guān)項(xiàng)目的條件，做出性價(jià)比最佳的選擇。建筑材料的優(yōu)化和性價(jià)比的提高應(yīng)被視為建筑創(chuàng)新的重要策略之一。

2.2 在單跨方向設(shè)置少量剪力墻

由于單跨框架結(jié)構(gòu)缺乏冗余的約束，在抗震性能方面嚴(yán)重不足。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)、地形等特點(diǎn)，是否為地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)，以及過(guò)往發(fā)生過(guò)的災(zāi)害的嚴(yán)重程度，根據(jù)實(shí)際情況增設(shè)抗震防線，使得抗震體系更加科學(xué)。在管線設(shè)計(jì)方面，應(yīng)避免和其他結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，保持好相對(duì)距離，確保鋼心和質(zhì)心呈現(xiàn)重合狀態(tài)[9]。

2.3 提升結(jié)構(gòu)豎向剛度分布的均勻性

如果本層側(cè)向剛度小于上層的70%，或是小于以上三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%，就被稱為側(cè)向剛度不規(guī)則，在地震或其他地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，這部分受到的影響最為嚴(yán)重，裂縫、倒塌等問(wèn)題都會(huì)發(fā)生。在單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有關(guān)人員要充分重視結(jié)構(gòu)在豎向剛度分布方面的均勻性，盡可能讓各樓層剛度保持一致，以免在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面出現(xiàn)明顯的缺陷[10]。工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)也要盡可能保證每層的高度都大致相同，防止相差過(guò)大。

2.4 保證結(jié)構(gòu)樓板的連續(xù)性

樓板的設(shè)計(jì)和建設(shè)不應(yīng)斷斷續(xù)續(xù)，而是應(yīng)保證連續(xù)性，樓板厚度控制在100mm以上，從而提升其抗震性以及承載能力。在樓板結(jié)構(gòu)連續(xù)性得到保證的基礎(chǔ)上，建筑框架在地震發(fā)生時(shí)能夠吸收更多作用力，可有效抵御水平作用。在部分工程設(shè)計(jì)中，可能會(huì)遇到開(kāi)大洞的情況，應(yīng)保持有效樓板寬度大于本層樓板寬度的50%，將開(kāi)洞總面積控制在該層樓板的30%以內(nèi)。為了避免出現(xiàn)強(qiáng)度不足的問(wèn)題，可適當(dāng)增加配筋，或布置次梁。

2.5 控制結(jié)構(gòu)的層間形變

從對(duì)以往單跨框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用的分析不難看出，穩(wěn)定性不足是該結(jié)構(gòu)較為突出的問(wèn)題。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要將重點(diǎn)放在提升穩(wěn)定性方面，遵循由低到高的順序，沿著框架柱對(duì)鋼筋進(jìn)行捆扎和加固處理。如此一來(lái)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形變的概率就會(huì)大大降低，即便在柱端出鉸的情況下，單跨框架結(jié)構(gòu)仍然具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2.6 采用性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

通常來(lái)說(shuō)工業(yè)建筑占地面積大，但由于不是主要用于居住使用，在很多項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建設(shè)環(huán)節(jié)或多或少存在一定問(wèn)題。尤其是單跨框架結(jié)構(gòu)本身就有著較為明顯的缺陷，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)以結(jié)構(gòu)高度、抗震等級(jí)分類、抗震設(shè)防烈度等作為主要參考，確保建筑結(jié)構(gòu)即便在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的情況下，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性依然能夠符合要求。

（1）如果單跨框架結(jié)構(gòu)為單層結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防為乙類或丙類，在樓面中并沒(méi)有質(zhì)量較大的工業(yè)設(shè)備，可按多遇地震彈性設(shè)計(jì)為主。可適當(dāng)?shù)靥嵘ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震等級(jí)，以更好應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況，“小震不壞、中震可修、大震不倒”的原則落到實(shí)處。

（2）如果工業(yè)建筑的高度在24m以下，樓層較多，抗震設(shè)防分類為乙類；或是建筑高度在24m以上，抗震設(shè)防分類為丙類，那么單跨框架結(jié)構(gòu)的就按照中震設(shè)計(jì)原則為主。想要進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)主體的性能，應(yīng)將抗彎設(shè)計(jì)、框架梁抗剪設(shè)計(jì)等考慮在內(nèi)。

（3）如果建筑高度在24m以上，且抗震設(shè)防分類為乙類，那么在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就應(yīng)該應(yīng)大震彈性設(shè)計(jì)作為主要原則。可將專家聚集起來(lái)進(jìn)行討論分析，并對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行反復(fù)比對(duì)。

（4）在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，采用 PK 對(duì)單榀框架分析，它不考慮空間的協(xié)同工作，這種計(jì)算方法得到的配筋結(jié)果更為保守，而單跨框架的柱子是重要的豎向受力構(gòu)件，對(duì)此采取 PK 計(jì)算，可獲得更高的抗震能力安全儲(chǔ)備。通過(guò)有限元和PK兩種計(jì)算方法，得出的結(jié)論：在不考慮空間協(xié)同工作的框架柱配筋面積會(huì)增加，而柱的抗剪構(gòu)造配箍無(wú)明顯變化。根據(jù)結(jié)構(gòu)部位的受力復(fù)雜程度，對(duì)結(jié)構(gòu)重要部位進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)是可以提高結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的可靠度，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.7 合理布置樓面次梁

想要提升單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在樓面次梁的布置方面就應(yīng)該改變以往單跨框架承擔(dān)豎向荷載的方式?？蛇m當(dāng)提升框架梁的高度和梁截面高度，并確保在跨度的10%以上。

2.8 發(fā)揮縱橫拉墻結(jié)的主體作用

圈梁會(huì)對(duì)建筑墻體產(chǎn)生拉結(jié)作用，可按照相應(yīng)的要求，將橫墻設(shè)置成凸凹形強(qiáng)力有效的拉結(jié)形式，用于抵消地震時(shí)產(chǎn)生的作用力，同時(shí)做好災(zāi)害發(fā)生時(shí)的搶救工作。

2.9 其他建議

通常來(lái)說(shuō)地震在發(fā)生之后，還會(huì)迎來(lái)多次余震，這也是引起建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量問(wèn)題的關(guān)鍵因素之一。如果工業(yè)建筑的主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，那么不僅要面對(duì)地震的沖擊，還要抵御一次又一次的余震。因此在單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)增設(shè)多條防線，可利用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮其非彈性形變的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，提升工業(yè)建筑抵抗地震和余震的能力。

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

某工業(yè)建筑16m×8m×10.5m（2層），該建筑的抗震設(shè)防等級(jí)設(shè)計(jì)為乙類，抗震設(shè)防烈度每0.1g為7度，Ⅲ類土類別，其結(jié)構(gòu)是單跨框架型，在各種裝置中處于核心地位。根據(jù)所掌握的基本信息，組織單跨框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。

3.2 兩種設(shè)計(jì)方式下的配筋結(jié)果對(duì)比

進(jìn)行常規(guī)和性能化設(shè)計(jì)時(shí)，配筋結(jié)果展開(kāi)對(duì)比分析，具體內(nèi)容見(jiàn)表1、表2。

表1 常規(guī)設(shè)計(jì) 單位：mm

表2 性能化設(shè)計(jì) 單位：mm

結(jié)合表1、表2中內(nèi)容可知：性能化設(shè)計(jì)相較于常規(guī)設(shè)計(jì)的單跨方向框架梁配筋量為3倍左右；而對(duì)于多跨方向框架梁則約為2.5倍。

3.3 抗震處理措施

后期抗震鑒定若不滿足要求，可通過(guò)對(duì)其抗震薄弱位置采取相應(yīng)的加強(qiáng)處理來(lái)提高該類結(jié)構(gòu)的抗震性能：

（1）改變結(jié)構(gòu)體系或降低建筑設(shè)防類別。單跨框架結(jié)構(gòu)抗震性能差，可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)體系來(lái)增強(qiáng)其抗震性能。如增加框架柱，改單跨框架結(jié)構(gòu)為多跨框架結(jié)構(gòu)；增加剪力墻（或支撐），改善原單跨結(jié)構(gòu)體系；或者不改變結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)降低建筑的抗震設(shè)防類別，此時(shí)仍需采用抗震加強(qiáng)措施以提高單跨框架的 抗震性能。

（2）提高抗震承載能力及抗震措施。通過(guò)對(duì)原結(jié)構(gòu)抗震鑒定分析后，找出具體薄弱的框架梁、框架柱，對(duì)薄弱的框架梁、框架柱可采用增大截面法、包鋼法等加固方法提高其抗震承載能力及抗震措施。

4 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)建筑中，單跨框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用十分普遍，但是抗震性能得不到保障，當(dāng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，很容易對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來(lái)嚴(yán)重影響，出現(xiàn)受力不均等問(wèn)題。進(jìn)行加固時(shí)，充分考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，再選用合適的抗震方式，在一般可以通過(guò)控制軸壓比，增加截面，局部置換等方式進(jìn)行，都能夠很好地提升構(gòu)件的荷載能力，能夠提升工業(yè)廠房的抗震性能，避免出現(xiàn)倒塌的情況。為了避免出現(xiàn)這種情況，可采取適當(dāng)?shù)氖侄胃淖兘Y(jié)構(gòu)形式，在單跨方向設(shè)置少量剪力墻，提升結(jié)構(gòu)豎向剛度分布的均勻性，保證結(jié)構(gòu)樓板的連續(xù)性，控制結(jié)構(gòu)的層間形變，采用性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，合理布置樓面次梁，從而充分展現(xiàn)單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的作用，讓其得到更好的應(yīng)用。