采用鉸接柱解決疊層電子廠房結(jié)構(gòu)剛度突變

周曉梅

(信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司,四川 成都 610021)

0 引言

近年來(lái),隨著全球及中國(guó)半導(dǎo)體業(yè)的發(fā)展,電子高端制造工業(yè)廠房規(guī)模越來(lái)越大,工業(yè)生產(chǎn)向多個(gè)生產(chǎn)層(即疊層)發(fā)展。工藝上疊層生產(chǎn)的電子廠房,由于其工藝布局上的特殊性,相鄰層高差大,造成結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計(jì)的不合理,出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱層和軟弱層。同時(shí),作為電子高端制造的生產(chǎn)廠房,生產(chǎn)過(guò)程對(duì)廠房建筑的防微振要求極高,為防微振通常需要在樓層增設(shè)防微振柱,但該微振柱不能通過(guò)下層的生產(chǎn)層,則微振柱的存在必然造成了高層廠房豎向構(gòu)件的不連續(xù),加劇了結(jié)構(gòu)豎向的嚴(yán)重不規(guī)則程度;且目前電子高端制造廠房投資巨大,早日建成投產(chǎn)不僅能極大地降低該工程的投資成本,對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)也影響深遠(yuǎn),故通常施工工期要求極短。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須解決生產(chǎn)工藝疊層布局造成的結(jié)構(gòu)及抗震設(shè)計(jì)難題,保障結(jié)構(gòu)主體的安全,滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的同時(shí),在設(shè)計(jì)中采取有利于減少成本、保障施工質(zhì)量、縮短工期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 疊層生產(chǎn)廠房概況

電子廠房工藝上的疊層設(shè)計(jì)就是廠房建筑內(nèi)有兩個(gè)以上的生產(chǎn)層,電子潔凈廠房生產(chǎn)層通常帶有一個(gè)下技術(shù)夾層,生產(chǎn)層的層高由于吊掛的上技術(shù)夾層和生產(chǎn)設(shè)備的需要,一般較高,如12 m以上;下技術(shù)夾層用于上下回風(fēng)、管線(xiàn)敷設(shè)和輔助設(shè)備,層高一般較小,僅6 m左右。當(dāng)?shù)诙€(gè)生產(chǎn)層帶有一個(gè)下夾層時(shí),勢(shì)必造成該下夾層與相鄰的第一生產(chǎn)層的層高差距,帶來(lái)結(jié)構(gòu)樓層的剛度突變。而當(dāng)?shù)诙a(chǎn)層有較高微振等級(jí)要求時(shí),第二下技術(shù)夾層中增加的微振柱,更使層間剛度比嚴(yán)重不滿(mǎn)足規(guī)范,形成軟弱層,結(jié)構(gòu)豎向嚴(yán)重不規(guī)則[1]。大型液晶面板廠房就是這樣的典型。在該類(lèi)廠房建筑中,結(jié)構(gòu)要滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)的需要,首先就要解決豎向嚴(yán)重不規(guī)則的問(wèn)題。

2 常規(guī)方案在實(shí)施過(guò)程中的缺陷分析

在過(guò)往設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)中,通常是在建筑的1層、2層增設(shè)柱間支撐或剪力墻。如GB 51136—2015薄膜晶體管液晶顯示器工廠設(shè)計(jì)規(guī)范也針對(duì)該問(wèn)題,提出典型的處理方式[2],《薄膜晶體管液晶顯示器工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.2.6條有如下描述“工藝為疊層布置,相鄰樓層2層與3層的層高差別在1倍左右,易形成軟弱層,不利于抗震,可通過(guò)設(shè)置鋼筋混凝土墻或柱間支撐調(diào)整層間的剛度,避免出現(xiàn)軟弱層?！眻D1為該條例的條文解釋中配合條文所述設(shè)計(jì)方案的示意圖。

這種處理方式采用增加下層剛度,使整個(gè)建筑的水平剛度和豎向剛度都得到加大,既有利于廠房結(jié)構(gòu)的防微振,也減小了2層與3層的側(cè)向剛度差,通過(guò)支撐數(shù)量和3層框架柱截面的調(diào)整,使建筑2層與3層的剛度比達(dá)到或接近0.7,改善結(jié)構(gòu)抗震性能,滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)樓層剛度比的要求。但這樣的結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際工程中也有難以避免的缺陷。

1)如圖1所示在1層、2層設(shè)置柱間支撐,2層是生產(chǎn)層,往往具有較大的雙向跨度,柱間支撐作為層間的構(gòu)件,設(shè)置于2層必然會(huì)影響工藝生產(chǎn)的布局和生產(chǎn)線(xiàn)的貫通,故柱間支撐只能設(shè)置在生產(chǎn)區(qū)兩端回風(fēng)夾道的位置,而對(duì)于液晶面板生產(chǎn)這樣的大型廠房,可供設(shè)置支撐的兩側(cè)回風(fēng)夾道的間距通常是上百米,支撐間距過(guò)大。在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)中,通過(guò)計(jì)算,支撐幾乎是滿(mǎn)布于回風(fēng)夾道的縱橫向柱間。柱間支撐間距大,支撐和與支撐連接的柱內(nèi)力都會(huì)加大,與支撐相連接的柱斷面及配筋量很大。圖2和圖3分別是實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采用該結(jié)構(gòu)方案的同類(lèi)面板廠房項(xiàng)目中與支撐連接的框架柱配筋,框架柱截面分別為1 600 mm×1 600 mm,1 300 mm×1 300 mm,配筋分別是116根32,84根32?？梢?jiàn)配筋量大,配筋率高,工程造價(jià)高。

2)柱間鋼支撐與鋼筋混凝土柱的連接,支撐內(nèi)力較大,需在鋼筋混凝土柱內(nèi)設(shè)置型鋼芯柱來(lái)與鋼支撐連接。但型鋼芯柱的存在,影響了框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)、鋼筋混凝土柱以及鋼筋混凝土梁內(nèi)的主筋和箍筋貫通。施工前,鋼芯柱需按照加工詳圖準(zhǔn)確預(yù)留孔洞,以實(shí)現(xiàn)混凝土梁柱縱筋與箍筋的貫通,如圖4所示。施工時(shí),需在型鋼芯柱上穿筋和在型鋼芯柱上現(xiàn)場(chǎng)焊接,鋼筋直徑大,實(shí)施較困難。而框架柱自身配筋大,柱縱筋多,尤其是為避讓鋼芯柱靠四角布置后,縱筋集中于四角,豎向上下貫通的柱縱筋與水平向貫通的框架梁縱筋相互交叉,造成節(jié)點(diǎn)處鋼筋密集,施工困難,混凝土澆筑質(zhì)量不能得到保障,圖4及圖5是實(shí)際工程中該梁柱節(jié)點(diǎn)的圖片,可見(jiàn)其鋼筋的密集度及施工澆搗質(zhì)量的隱患。

3)由于本類(lèi)廠房的特點(diǎn),型鋼芯柱梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋量大,配筋較多,鋼筋較密,型鋼芯柱與混凝土梁柱相互干擾,使得節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土施工更加困難,澆筑質(zhì)量難以保證。

4)由于型鋼芯柱和鋼支撐的設(shè)置,現(xiàn)場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)交替施工,施工工序增加且煩瑣,施工工期較長(zhǎng)。

綜上,柱間支撐的設(shè)置雖然一定程度上解決了結(jié)構(gòu)樓層上下層剛度不均勻,及規(guī)范中對(duì)樓層上下層剛度比的限值問(wèn)題,但由此給施工及工期帶來(lái)的影響不可避免:型鋼芯柱要在施工前依照?qǐng)D紙加工并準(zhǔn)確開(kāi)洞且補(bǔ)強(qiáng);施工中鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)交替施工影響施工工期;梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋量大且與型鋼芯柱相互干擾使節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土澆筑質(zhì)量難以保證。實(shí)際工程中這樣的結(jié)構(gòu)形式花費(fèi)巨大,施工節(jié)點(diǎn)復(fù)雜,施工周期延長(zhǎng)。

3 一種新型的結(jié)構(gòu)方案——采用微振柱鉸接

鑒于常規(guī)設(shè)計(jì)方案在工程實(shí)施過(guò)程中難以避免的缺陷和隱患,筆者在實(shí)際工程中探尋了一種新的處理方式:采用鉸接柱解決疊層設(shè)計(jì)電子廠房結(jié)構(gòu)剛度突變[3]。采用這種結(jié)構(gòu)形式,不僅大幅度減少了結(jié)構(gòu)造價(jià),更促進(jìn)了這個(gè)建筑單體面積達(dá)60萬(wàn)m2,建成時(shí)為全國(guó)單體面積最大的高層潔凈廠房單體,僅8個(gè)月就完成結(jié)構(gòu)封頂[4]。

3.1 工程概況

某第8.6代薄膜液晶顯示器件生產(chǎn)線(xiàn)TFT-LCD項(xiàng)目,總投資較大,故工期要求極短,廠房防微振等級(jí)高,潔凈度要求高[5]。其主要建筑為生產(chǎn)廠房,該廠房單體總建筑面積達(dá)到了590 448.79 m2,總長(zhǎng)458.1 m,總寬365.6 m,總高約40 m,為高層工業(yè)廠房。由于廠房的生產(chǎn)工藝要求,核心生產(chǎn)區(qū)不設(shè)縫,該結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)339 m,寬314.6 m。核心生產(chǎn)區(qū)為疊層設(shè)計(jì),有兩個(gè)生產(chǎn)層,每個(gè)生產(chǎn)層下各設(shè)置一個(gè)技術(shù)下夾層,故建筑為4層,層高從1層往上依次為6.1 m+12.7 m+6.5 m+13 m。2層層高約為其相鄰上層3層層高的2倍;由于生產(chǎn)層微振等級(jí)較高,3層需增加設(shè)置微振柱,不僅更加加大了3層的剛度,且該柱不能貫通其下生產(chǎn)層而形成不落地柱。綜上可見(jiàn),該建筑在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)上存在豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù),樓層結(jié)構(gòu)剛度和承載力突變等多項(xiàng)嚴(yán)重不規(guī)則[6-7],造成結(jié)構(gòu)抗震不利,受生產(chǎn)工藝需求的限制,2層、3層較大的層高差和3層增設(shè)的微振柱,使2層形成軟弱層和薄弱層,抗震計(jì)算整體指標(biāo)不能滿(mǎn)足國(guó)家抗震規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超規(guī)超限。

3.2 微振柱鉸接的結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)述

在解決剛度突變的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,本設(shè)計(jì)取消了常規(guī)設(shè)計(jì)中的柱間支撐,將3層(即第二生產(chǎn)層下夾層)的防微振小柱鉸接于上下樓層,結(jié)構(gòu)鉸接柱布置如圖6所示。

4層為生產(chǎn)層,其樓板為750 mm厚鋼筋混凝土華夫板,3層樓層梁因支撐微振柱,承擔(dān)了4層的荷載,故樓層梁截面大,采用3層防微振小柱上下設(shè)鉸于3層和4層樓蓋的方法,使為防微振要求設(shè)置的3層防微振小柱成為結(jié)構(gòu)非抗側(cè)力構(gòu)件,避免了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的不連續(xù),同時(shí)有效地減弱了結(jié)構(gòu)3層的側(cè)向剛度,再經(jīng)過(guò)對(duì)上下層框架柱截面的調(diào)整,使2層、3層樓層剛度比滿(mǎn)足規(guī)范的限值。避免了層高突變及承載力突變形成的結(jié)構(gòu)豎向嚴(yán)重不規(guī)則和軟弱層。層上下剛度比控制在了規(guī)范的限值范圍內(nèi),解決了由于工藝層高差及3層設(shè)置微振柱造成的2層與3層的剛度比過(guò)小,結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不規(guī)則的問(wèn)題,改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能,使該棟建筑的各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求。其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)樓層剛度比和承載力比值計(jì)算結(jié)果

本設(shè)計(jì)微振小柱采用的是現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱,采用上下鉸接節(jié)點(diǎn)。今后實(shí)際工程中,也可以采用預(yù)制柱或鋼柱,同樣實(shí)現(xiàn)柱上下端鉸接,且提前預(yù)制或加工,更能縮短施工工期。

3.3 采用微振柱鉸接的工程效果

由于采用該技術(shù),相較于常規(guī)方案的設(shè)計(jì),不需要在1層,2層增加鋼支撐,取消了框架柱內(nèi)的鋼芯柱,施工工序上不再有鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)的施工工序,不再出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆混凝土施工的交叉,極大的縮短了工期;同時(shí)該結(jié)構(gòu)形式修改常規(guī)增加2層剛度的方式為減少3層剛度的方式,框架柱配筋大量減小,使框架柱及梁柱節(jié)點(diǎn)的鋼筋不再過(guò)多過(guò)密,保障了框架柱和梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的施工質(zhì)量,避免了施工上的復(fù)雜性。

同時(shí),作為該類(lèi)廠房高級(jí)別的微振等級(jí)這個(gè)首要要求,為考量微振柱為鉸接對(duì)該建筑防微振性能的影響,該建筑竣工后以及工藝設(shè)備運(yùn)行階段分別進(jìn)行了微振測(cè)試,測(cè)試結(jié)果仍然滿(mǎn)足VC-C微振等級(jí),目前已竣工投產(chǎn)3年,滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)的要求。

本工程現(xiàn)已竣工投產(chǎn),經(jīng)同類(lèi)項(xiàng)目比較及業(yè)主證實(shí),與類(lèi)似規(guī)模同類(lèi)廠房相比,節(jié)約鋼筋及鋼材量近50%,在這類(lèi)建筑單體巨大的廠房建筑中,可節(jié)省土建成本約上億元,工期縮短3個(gè)月,經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯著。

4 結(jié)語(yǔ)

文章介紹的“采用鉸接柱解決疊層設(shè)計(jì)電子廠房結(jié)構(gòu)剛度突變”的創(chuàng)新解決方案,較之常規(guī)增設(shè)柱間支撐,改增加剛度的方式為減小剛度,可以大大降低土建成本;在疊層生產(chǎn)的電子廠房中采用“微振柱鉸接”新型結(jié)構(gòu)形式,在土建成本和工期上取得了明顯的優(yōu)勢(shì),有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣實(shí)用價(jià)值。其解決思路也可供其他有同樣剛度突變問(wèn)題的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。