工業建筑中的單跨框架結構設計實踐探討

王 曉 斌

(賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

單跨框架結構由于沒有冗余約束，抗震設防起不到多道防線設防的要求，往往在地震作用下破壞嚴重。根據《抗規》規定：甲、乙類建筑及高度大于24 m的丙類建筑，不應采用單跨框架結構，高度不大于24 m的丙類建筑，不宜采用單跨框架結構。

但是在工業建筑中，由于工藝條件的限制及使用功能的要求，單跨框架結構的使用不可避免，而且層高很大，比如：棧橋支架、轉運站、拉緊裝置、支撐設備的支架等，這些結構經常采用單跨框架結構的形式，并且往往高度超過24 m，而有些結構還是乙類建筑，在地震作用下可能導致有毒氣體和液體的泄露，產生嚴重的次生災害。

使用單跨框架結構既然不可避免，雖然《抗規》有規定“特殊要求的工業建筑其抗震設計應按有關專門規定執行”，但是嚴格按規范條款要求不易實現，也不現實，所以需要進行概念設計，采取一些構造措施和計算來保證工程中所使用的單跨框架結構安全可靠、經濟合理。本文將從以下幾個方面就單跨框架結構設計中所采用的一些有效的構造措施和計算方法展開論述。

1 盡量在單跨方向設置少量剪力墻或交叉柱間支撐

特別是在高烈度區，最好在方案階段讓結構形成多道抗震防線。接收條件時，和工藝管道專業協商，讓設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使結構的剛心和質心盡量重合，以減小結構在地震作用下的扭轉破壞。典型的平面布置示例見圖1，圖2。

2 保證結構豎向剛度的均勻性

根據《抗規》對結構豎向不規則的定義，當該層側向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個樓層側向剛度平均值的80%時，為側向剛度不規則，此時在地震時該層為薄弱層。在地震作用下，該層會產生集中變形，導致結構破壞甚至倒塌。

單跨框架結構因為冗余約束少，所以在設計中應采取更為嚴格的豎向剛度控制，盡量做到各樓層的側向剛度相近，避免形成薄弱層的集中變形破壞。在方案設計階段需要和工藝管道專業溝通確定各樓層的高度，使每層的層高相接近。

3 保證結構樓板連續性

樓板整體連續且保證板厚不小于100 mm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、連續倒塌。當樓板不可避免需要開大洞時，有效樓板寬度不應小于該層樓板寬度的50%，且樓板開洞的總面積不應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配筋或在洞口周邊布置次梁從而增加樓板的剛度。

4 嚴格控制結構的層間變形，且保證框架柱有較大的變形能力

失穩的根源是二階P—Δ效應，對于單跨框架結構來說更應盡量避免產生二階P—Δ效應，特別在地震作用下單跨框架結構不應產生P—Δ效應，這樣可增大框架的穩定性，避免結構倒塌。在設計中應使結構滿足剛重比的要求。框架柱的截面尺寸不應小于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 采取性能化設計方法

根據結構的高度、抗震設防分類及抗震設防烈度的大小盡可能的提高性能目標，確保結構在地震作用下的安全可靠。

1)當結構為單層、抗震設防分類為丙類或乙類且樓面沒有荷載較大的設備時，可按多遇地震彈性設計，但抗震構造措施的抗震等級提高一級，以增加結構的延性，改善結構的變形能力，實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的性能目標。

2)當結構為高度小于24 m的多層且抗震設防分類為乙類或高度大于24 m、抗震設防分類為丙類時，結構按中震設計。按《高規》抗震性能水準為2的要求進行設計。框架柱抗剪、抗彎按彈性設計；框架梁抗剪按彈性，抗彎按不屈服設計。框架的抗震等級定義為四級，抗震構造措施的抗震等級定義為比常規設計的有關規定降低1度采用。

3)當結構高度大于24 m且抗震設防分類為乙類時，結構框架柱應按大震彈性設計，框架梁應按中震彈性設計，或經過專家評審后采取更高的性能目標設計。

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

該結構長15 m、寬7 m，共兩層高11.5 m，寬度方向為單跨框架結構，為支撐設備的構筑物，抗震設防分類為乙類。本地區抗震設防烈度為7度(0.1g)，設防地震分組為第三組，本場地土類別為Ⅲ類。

7.2 結構方案布置時加強概念設計

1)通過和工藝管道專業溝通，該框架一層沿縱向有管廊通過，所以在短跨方向無法設置剪力墻或支撐。

2)通過和工藝管道專業溝通，確定第一層層高為6.5 m，第二層層高為5 m，兩層的樓層高度相近，避免結構豎向不規則。

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 性能化設計要點

該框架抗震設防分類為乙類，高度為11.5 m，小于24 m。

結構按中震設計，根據《高規》抗震性能水準為2的要求進行設計。框架柱抗剪、抗彎按彈性設計；框架梁抗剪按彈性，抗彎按不屈服設計。框架的抗震等級定義為四級，抗震構造措施的抗震等級定義為三級。中震地震影響系數最大值取0.23，結構阻尼比取5%。

7.4 配筋結果對比

比較性能化設計和常規設計的配筋結果，見表1，表2。

表1 常規設計

表2 性能化設計

通過比較發現：

1)通過性能化設計，柱的縱筋配筋量為常規設計配筋量的約1.5倍，箍筋由常規設計的Ф8變為性能化設計后的Ф10。

2)通過性能化設計，單跨方向框架梁的配筋量為常規設計配筋量的約3倍，多跨方向框架梁的配筋量為常規設計配筋量的約2.5倍。

7.5 結構位移結果分析

中震下結構層間位移角最大值為1/510，結構基本完好，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,結構有明顯塑性變形，但滿足《抗規》限值1/50的要求，保證結構大震不倒。

框架經過性能化設計后梁柱縱筋和箍筋配筋量的增加，說明結構的延性和承載力都得到了較大的提高，能保證結構在中震作用下工藝生產不會受到很大的影響和在大震作用下不會發生嚴重破壞而產生不利的次生災害。

8 結語

單跨框架結構在工業建筑中是非常普遍的結構形式，經常困擾設計師的設計，也經常被審圖單位所詬病。這時需要設計師通過與審圖公司溝通，采取一定的措施進行設計，而設計總的原則就是加強概念設計，使結構布置均勻、規則、整體性好、延性高。并且根據結構的重要性、結構高度和結構在大震作用下產生次生災害的嚴重性，通過性能化設計方法對結構各構件采取不同性能目標的設計，以實現結構的安全可靠、經濟合理。