談工業(yè)建筑單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐

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摘要:單跨框架結(jié)構(gòu)為沒有冗余約束的空間結(jié)構(gòu)，抗震性能差?；诟拍钤O(shè)計，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、加強(qiáng)構(gòu)造措施及采用性能化設(shè)計方法，提高單跨框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，從而為工業(yè)建筑中單跨框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了一種可行的設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞:單跨框架結(jié)構(gòu)，工業(yè)建筑，概念設(shè)計，抗震設(shè)防分類，性能化設(shè)計

引言

單跨框架結(jié)構(gòu)由于沒有冗余約束，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、乙類建筑及高度大于24m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)，高度不大于24m的丙類建筑，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24m，而有些結(jié)構(gòu)還是乙類建筑，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)計應(yīng)按有關(guān)專門規(guī)定執(zhí)行”，但是嚴(yán)格按規(guī)范條款要求不易實現(xiàn)，也不現(xiàn)實，所以需要進(jìn)行概念設(shè)計，采取一些構(gòu)造措施和計算來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。本文將從以下幾個方面就單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中所采用的一些有效的構(gòu)造措施和計算方法展開論述。

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，和工藝管道專業(yè)協(xié)商，讓設(shè)備和管線避開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樓層側(cè)向剛度平均值的80%時，為側(cè)向剛度不規(guī)則，此時在地震時該層為薄弱層。在地震作用下，該層會產(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)因為冗余約束少，所以在設(shè)計中應(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)計階段需要和工藝管道專業(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100mm可保證其整體剛度，從而使所有框架柱能同時參與抵抗水平作用，以避免形成各個擊破、連續(xù)倒塌。當(dāng)樓板不可避免需要開大洞時，有效樓板寬度不應(yīng)小于該層樓板寬度的50%，且樓板開洞的總面積不應(yīng)大于該層樓板面積的30%。并且需要將開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)，對于單跨框架結(jié)構(gòu)來說更應(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)計中應(yīng)使結(jié)構(gòu)滿足剛重比的要求?？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引起框架的倒塌。

5采取性能化設(shè)計方法

根據(jù)結(jié)構(gòu)的高度、抗震設(shè)防分類及抗震設(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)防分類為丙類或乙類且樓面沒有荷載較大的設(shè)備時，可按多遇地震彈性設(shè)計，但抗震構(gòu)造措施的抗震等級提高一級，以增加結(jié)構(gòu)的延性，改善結(jié)構(gòu)的變形能力，實現(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24m的多層且抗震設(shè)防分類為乙類或高度大于24m、抗震設(shè)防分類為丙類時，結(jié)構(gòu)按中震設(shè)計。按《高規(guī)》抗震性能水準(zhǔn)為2的要求進(jìn)行設(shè)計?？蚣苤辜?、抗彎按彈性設(shè)計;框架梁抗剪按彈性，抗彎按不屈服設(shè)計?？蚣艿目拐鸬燃壎x為四級，抗震構(gòu)造措施的抗震等級定義為比常規(guī)設(shè)計的有關(guān)規(guī)定降低1度采用。3)當(dāng)結(jié)構(gòu)高度大于24m且抗震設(shè)防分類為乙類時，結(jié)構(gòu)框架柱應(yīng)按大震彈性設(shè)計，框架梁應(yīng)按中震彈性設(shè)計，或經(jīng)過專家評審后采取更高的性能目標(biāo)設(shè)計。

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。平面布置示例見圖3。

7工程實例

7．1項目概況

該結(jié)構(gòu)長15m、寬7m，共兩層高11．5m，寬度方向為單跨框架結(jié)構(gòu)，為支撐設(shè)備的構(gòu)筑物，抗震設(shè)防分類為乙類。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，本場地土類別為Ⅲ類。

7．2結(jié)構(gòu)方案布置時加強(qiáng)概念設(shè)計

1)通過和工藝管道專業(yè)溝通，該框架一層沿縱向有管廊通過，所以在短跨方向無法設(shè)置剪力墻或支撐。2)通過和工藝管道專業(yè)溝通，確定第一層層高為6．5m，第二層層高為5m，兩層的樓層高度相近，避免結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則。3)樓層沒有大開洞，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。平面布置見圖4。

7．3性能化設(shè)計要點

該框架抗震設(shè)防分類為乙類，高度為11．5m，小于24m。結(jié)構(gòu)按中震設(shè)計，根據(jù)《高規(guī)》抗震性能水準(zhǔn)為2的要求進(jìn)行設(shè)計。框架柱抗剪、抗彎按彈性設(shè)計;框架梁抗剪按彈性，抗彎按不屈服設(shè)計?？蚣艿目拐鸬燃壎x為四級，抗震構(gòu)造措施的抗震等級定義為三級。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)果對比比較性能化設(shè)計和常規(guī)設(shè)計的配筋結(jié)果，見表1，表2。通過比較發(fā)現(xiàn):1)通過性能化設(shè)計，柱的縱筋配筋量為常規(guī)設(shè)計配筋量的約1．5倍，箍筋由常規(guī)設(shè)計的Ф8變?yōu)樾阅芑O(shè)計后的Ф10。2)通過性能化設(shè)計，單跨方向框架梁的配筋量為常規(guī)設(shè)計配筋量的約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，但滿足《抗規(guī)》限值1/50的要求，保證結(jié)構(gòu)大震不倒?？蚣芙?jīng)過性能化設(shè)計后梁柱縱筋和箍筋配筋量的增加，說明結(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)不會受到很大的影響和在大震作用下不會發(fā)生嚴(yán)重破壞而產(chǎn)生不利的次生災(zāi)害。

8結(jié)語

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)計師的設(shè)計，也經(jīng)常被審圖單位所詬病。這時需要設(shè)計師通過與審圖公司溝通，采取一定的措施進(jìn)行設(shè)計，而設(shè)計總的原則就是加強(qiáng)概念設(shè)計，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，通過性能化設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)各構(gòu)件采取不同性能目標(biāo)的設(shè)計，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

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作者：王曉斌 單位：賽鼎工程有限公司