糧庫工作塔薄弱層的處理措施

◎ 康民啟，章長玖

（1.鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450053；2.河南豫美建設工程檢測有限公司，河南 鄭州 450000）

在糧倉項目中，許多實現糧食自動化作業的工藝、機電設備都安裝在工作塔內，使得工作塔成為整個糧庫的運行中樞。另外，工作塔也是一個糧庫中最高的構筑物。工作塔的安全性和可靠性對整個糧庫的平穩運行至關重要。

由于工藝布置需要，工作塔平面尺寸較小，而高度卻很高，外觀呈塔狀，高寬比常接近規范限值。工作塔的層高也都不相等，個別層高大于相鄰樓層高度40%多，這樣就在這一層形成了結構薄弱層。薄弱層的出現，將導致本層的剛度比值、位移角、受剪承載力比值等指標超出規范限值。如何調整這些指標，成為結構建模計算的關鍵。筆者根據多年的工作經驗，總結了以下幾個措施，與各位讀者一起學習、探討。

1 減弱上層結構的剛度

JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》中對剛度比值、受剪承載力比值的規定都是指薄弱層與相鄰上一層或相鄰上部3層的比值，所以想方設法減弱相鄰上一層或相鄰上部3層的剛度可以有效地縮小比值[1]。隨著房屋高度的增加，荷載越小，框架柱的軸壓比也越小，所以通過減小上部結構框架柱的剛度可以達到目的。根據框架柱的線剛度公式i=EI/L，減小彈性模量值E和慣性矩I可以降低框架柱的線剛度。

彈性模量E與混凝土的強度有關，混凝土強度等級越高其彈性模量越小。根據GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》統計的彈性模量與混凝土強度關系曲線如圖1所示[2]，圖中縱坐標表示彈性模量（x104N/mm2）。混凝土的強度等級每降低一級，彈性模量減小約3%～6%。但是，在實際應用時，混凝土強度等級減小幅度不宜大于1級，全樓減小次數不宜大于2次。

圖1 彈性模量與混凝土強度關系曲線圖

框架柱的慣性矩I與其界面尺寸有關，根據慣性矩計算公式I=(bh3)/12，通過減小框架柱的截面尺寸，可以大幅度地降低框架柱的線剛度。規范沒有對縮小框架柱尺寸有明確規定，實際應用時一般單側收縮不大于100 mm，雙向都收縮每側50 mm。

減小混凝土強度等級和縮小框架柱截面尺寸兩種方法不應在同一層使用，避免結構側向剛度突變。規范對此也有相應的規定，如GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》第3.4.2條：抗側力構件的平面布置宜規則對稱、側向剛度沿豎向宜均勻變化、豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小、避免側向剛度和承載力突變[3]。JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.5.1條：結構的側向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化[1]。

2 增加薄弱層的結構剛度

受第一種方法的啟發，加大薄弱層的強度等級和框架柱截面尺寸也能夠達到第一種方法的效果。根據框架柱的線剛度公式，減小框架柱的計算長度，同樣可以增大框架柱的線剛度。工作塔薄弱層的原因通常是層高過高造成的（高度一般大于6 m），填充墻按照構造要求需要在中間設置圈梁。若把圈梁換成層間梁，其剛度大大加強，可以對框架柱形成約束；單個框架柱的剛度將增大一倍，對整個薄弱層的剛度提高大有裨益。需要注意的是，在結構建模時層間梁應（通過調整梁頂標高的方式）輸入在薄弱層內，不能將層間梁單獨設置為一個標準層。另外，層間梁應按照實際情況輸入梁上荷載。這樣的結構模型才和實際情況相符，結構計算的指標才貼近實際[4]。

3 采用框架-剪力墻結構

框架和剪力墻這兩類抗側力單元在水平荷載作用下的受力和變性特點各異。剪力墻以彎曲型變形為主，隨樓層的增加，總側移和層間側移增長加快。框架以剪切型變形為主，隨著樓層增加，總側移與層間側移增加減慢。在同一結構中，通過樓板把兩者連在一起，樓板在其自身平面內剛度很大（計算時假定為無限剛性），它迫使框架和剪力墻在各層樓板標高處共同變形，以滿足建筑物的抗側要求。框架-剪力墻變形曲線圖如圖2所示。從圖中可以看出，框架-剪力墻結構的變形曲線呈反S形的彎剪型變形曲線。在框架中局部增加剪力墻可以在對建筑物的使用功能影響不大的情況下，使結構的抗側剛度和承載力都明顯提高，所以這種結構體系兼有框架和剪力墻結構的優點，是一種適用性很廣的結構形式。

圖2 框架-剪力墻變形曲線圖

按照框架部分承受的地震傾覆力矩（Mc）與總地震傾覆力矩（M0）的比例，可將框架-剪力墻分成4種類型：Mc/M0≤10%，少框架的剪力墻體系；10%＜Mc/M0≤50%，典型的框架-剪力墻結構；50%＜Mc/M0≤80%，剪力墻偏少體系；Mc/M0＞80%，剪力墻極少體系。框架-剪力墻結構體系分類如圖3所示。當只是為了增加框架結構的剛度、滿足層間位移角限值的要求時，可采用剪力墻偏少體系和剪力墻極少體系[1]。

圖3 框架-剪力墻結構體系分類圖

上述3條措施就是筆者近年來在處理工作塔薄弱層問題上的經驗總結。工作塔的平面、立面布置是復雜多變的，設計時應具體問題具體分析，選擇相應的技術處理措施解決問題。還要構建多個結構模型進行比較，才能找到最優的解決方案。