頂層單跨大空間結構設計探討

康 勇 薛征宇

中國天辰工程有限公司 天津 300400

框架結構空間分隔靈活，對于多跨框架結構通過合理布置跨度能夠達到功能性與經濟性的協調統一，因此在工程實踐中有廣泛的應用。在使用上，像會議室、活動室等往往需要更大的空間以滿足使用功能要求。對于工業建筑，框架結構頂層也常常通過抽掉中間柱設計成單跨大空間來滿足設備和管線布置等建筑功能需要。本文通過對頂層為單跨底層為多跨的框架結構進行研究，總結探討了頂層單跨框架在現行規范意義的可行性，分析闡述了頂層單跨框架的加強措施，最后提出了鋼屋架與混凝土柱剛接連接的建議施工方法。

1.頂層單跨框架在規范意義的可行性

1.1 規范對單跨框架結構的限制

單跨框架結構屬于抗震不利的結構，現行規范對于單跨框架結構的使用有明確的限制。

《抗規》混凝土部分6.1 .5 條：甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應采用單跨框架結構；高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構。《抗規》 鋼結構部分8.1 .5 條對鋼框架有同樣的規定。《高規》6.1 .2 條同樣規定：抗震設計的框架結構不應采用單跨框架。

1.2 單跨框架結構的定義

然而，《抗規》條文說明解釋，從2008年局部修訂時開始增加控制單跨框架結構適用范圍的要求。框架結構中某個主軸方向均為單跨，也屬于單跨框架結構;某個主軸方向有局部的單跨框架，可不作為單跨框架結構對待。《高規》6.1 .2 條文說明解釋，單跨框架結構是指整棟建筑全部或絕大部分采用單跨框架的結構，不包括僅局部為單跨框架的框架結構。

所以本文認為底層多跨而頂層單跨的結構不屬于單跨框架結構。

Figure 1頂層單跨的框架結構（a） 單跨框架結構（b）

2.頂層單跨框架的加強措施

2.1 地震作用下單跨框架的破壞分析

單跨框架的抗側剛度小，結構超靜定次數少，耗能能力弱，不能形成多道抗震防線。對框架結構而言，一旦框架出現塑性鉸，結構發生連續垮塌的可能性較大。震害調查表明，單跨框架結構尤其是層數較多的高層建筑震害尤為嚴重。頂層單跨、下層多跨的框架雖然不屬于單跨框架結構體系，但是框架頂層的柱和梁同樣存在冗余度低的缺點。當必須采用單跨框架時，應對薄弱部位加強，延遲構件塑性鉸的出現，以提高抗震能力。

2.2 抗震性能化設計

建筑抗震性能化設計，就是根據工程的具體情況，確定合理的抗震性能目標、采取恰當的計算和抗震措施，以實現抗震性能目標的要求。

對頂層單跨的框架結構采用性能化設計時，需要加強與單跨框架相關的柱（從基礎開始）和屋面梁，確保頂層在整個結構屈服后期才出現塑性鉸。

以SATWE或YJK設計軟件為例，在參數輸入菜單中的性能設計部分定義性能設計，根據工程要求選擇正截面和斜截面中震彈性或更高目標。然后在軟件性能目標菜單中選擇需要進行性能設計的構件。通過合理地提高地震作用或抗震措施，改善結構的抗震性能。

2.3 連接形式加強

根據頂層單跨冗余度低的特點，屋面梁或屋架與柱連接建議優先考慮剛接節點而不應采用鉸接。

為保持結構的連續性，頂層柱應與下柱采用相同結構形式。當柱為鋼柱時，屋面梁可以采用鋼梁或兩端剛接鋼桁架；當柱為混凝土柱時，可采用混凝土梁或預應力混凝土梁。

3.混凝土柱與鋼屋架連接施工

對于混凝土柱大跨度情況，為減輕自重或考慮施工方便，經常采用鋼梁或鋼桁架。實現混凝土柱與鋼梁的剛接成為提高結構冗余度的關鍵點。鋼梁或鋼桁架與混凝土柱連接節點宜采用預埋構造型鋼的方式，梁柱剛接節點示意如下：

Figure 2 混凝土柱與鋼梁剛接節點

Figure 3混凝土柱與鋼梁剛桁架剛接節點

鋼梁或鋼桁架端部設置構造型鋼埋于混凝土柱中。混凝土柱在構造型鋼底板下50mm處設施工縫。型鋼上設置適量焊釘增強與混凝土連接。底板預埋螺栓兼做安裝調平用。待鋼梁或鋼桁架和構造型鋼安裝完畢，底板二次灌漿后，再澆筑剩余柱混凝土。如在混凝土柱側設置拼接節點，待構造型鋼就位，混凝土柱澆筑完畢后再安裝鋼梁或鋼桁架，容易因為誤差而造成施工困難。故可在大跨鋼梁或鋼桁架其他位置設置拼接點，而不是在混凝土柱側拼接。

鋼梁或鋼桁架伸入混凝土柱與構造型鋼連接。另一方向也有系桿和柱間支撐通過節點與構造型鋼相連。梁柱剛接節點范圍類似型鋼混凝土，柱中縱向鋼筋或箍筋避不開鋼構件時，參照型鋼混凝土在鋼構件上開孔。

4.結語

單跨框架由于缺少必的冗余度，不符合抗震體系宜有多道抗震防線的要求，設計中應避免采用。多層框架結構頂層通過抽柱形成頂部單跨大空間，這種結構不屬于《抗規》禁止的單跨結構。當設計必須采用單跨框架時需要對結構進行加強，使結構具有必要的抗震承載力。