煤礦工業建筑中鋼筋混凝土框架結構的設計要點探析

王 鑫

(霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031400)

1 框架結構的特點

鋼筋混凝土框架結構主要是由鋼筋圈梁和混凝土柱共同組成，不僅可以承受豎向荷載，同時還可以承受水平荷載，其主要運用于剛度均勻、外形規則的建筑物。該框架結構可以通過靈活分隔空間，將空間利用率達到最大，整體性能穩定，結構設計合理，無論是在抗爆、抗震方面，還是在抗撞擊、抗震動方面都具有良好的性能。鋼筋混凝土框架結構與傳統鋼結構相比擁有更好的防火耐燒優勢，和傳統磚墻結構相比擁有更好的自身重量優勢，且在原材料方面可以就地取材，具有成本造價低的優勢。因此，在各大煤礦建筑中被廣泛應用。

2 框架結構設計的主要原則

2.1 抗震設計

根據相關規定要求，該框架結構必須達到“小震不損壞，中震可維修，大震不傾倒”的預防抗震目標，并通過相關力學計算來對設防要求進行實現。因此，在設計框架結構時是可以出現局部損壞的，但是不允許出現整體變形和倒塌。根據要求，框架結構抗震設計內容主要包含如下三個方面：第一方面是抗震概念設計；第二方面是抗震計算設計；第三方面是抗震構造設計。抗震概念設計就是根據地震對框架結構的破壞程度靈活采取抗震措施，從設計初期就對框架結構的抗震性能進行全面把握，從而能夠制定出更加合理的結構設計，以此來消除抗震結構中的薄弱部分；抗震計算設計主要包含兩部分：一部分是地震作用，另一部分是抗力計算，其主要作用就是通過定量分析來為結構合理化設計提供保障；抗震構造設計主要是通過其他方式，來對抗震計算的有效性進行驗證。

2.2 結構的規則性

在總體布置框架結構時其是否規則會對抗震性能產生直接影響。采用平面布置方式時一定要對抵抗豎向、水平方向的荷載有利。與此同時，無論是平面形狀結構，還是抗側力結構在設計時都應該按照均勻對稱的簡單規格進行布置，以此來降低扭轉影響。采用豎向布置方式可以讓結構的豎向剛度和承載力逐漸減小，從而使得結構穩定不容易發生突變。因此，在工藝要求允許情況下應盡量減少不規則結構的出現。如果一定要有不規則結構出現時，應盡量采取有效措施對不規則結構的數量進行降低，假如遇到非常不規則的結構時，應該對其進行專門討論和研究。

2.3 適用高度

鋼筋混凝土框架結構最大使用高度如下所示：當抗震設防烈度等級為6度時，其最大高度為60m；當抗震設防烈度等級為7度時,其最大高度為50m；當抗震設防烈度等級為8(0.2g)度時，其最大高度為40m；當抗震設防烈度等級為8(0.3g)度時，其最大高度為30m；當抗震設防烈度等級為9度時，其最大高度為24m；假如框架中存在不規格結構需要對其高度進行降低。

2.4 結構布置的要求

框架結構在設計方面應該受力明確，結構合理，有簡潔的計算簡圖，同時承載力和結構剛度也應該均勻分布，應具備較強的抗震設防能力和地震能量緩沖能力。同時，應按照雙向梁柱方式進行抗側力系統設計，將縱、橫這兩個方向上的動力特性誤差控制在20%左右。當高度超過24m時，甲類和乙類建筑都不允許進行單跨結構設計。

2.5 延性框架

為了讓建筑物在地震時擁有更強的抗倒塌能力，應該對框架結構的延性進行增加。嚴格按照國家規范對抗設防烈度、類別以及建筑物高度進行不同等級抗震劃分，通過內力調整等措施來對其結構延性進行控制，換而言之就是按照弱梁配強柱、弱彎配強剪等原則，有效提高結構部件的延性。其加強措施如下：一是提高結構部件的抗剪切力，以避免結構不佳被剪切破壞；二是對框架支柱的軸壓比進行有效減小；三是對框架結構梁的高度進行降低；四是對框架鋼筋進行加強，增大混凝土的屈服強度；五是對節點進行加強，防止節點最先遭到破壞。

3 煤礦工業建筑中框架結構設計要點

3.1 建造場地

作為地震作用的主要影響因素，場地條件選擇非常重要。在進行煤礦工業場地前期選址和平面結構方案設計時，應該對其場所地質、地形以及周圍環境狀況進行全面掌握，通過和工藝、總圖等及時溝通協調，最大程度避開危險地段，選擇有利地形，從而使所選的建造場抗震性能得到有效提高。

3.2 地基和基礎設計

當地震發生時，地面所產生的震動會通過基礎傳遞給上部框架。因此，無論是地基，還是上部結構都必須具備良好的剛度和承載力，基礎地面盡量按照同一標高進行設計，并且相同結構單元在基礎建造時最好選擇在性質相同的地基，不要同時采用樁基和天然地基，這樣很容易產生傳遞差異從而給框架造成震害。在進行基礎建造時，應該對地基自身的承載力進行充分利用，同時對基礎偏心進行減小，優先選擇天然淺地基，假如淺地基在土層穩定性、強度等方面無法滿足需求時，那么也可以選擇深地基。同時應該對地基中的黏性土和液化土采取減輕措施，避免因地質不均勻而造成地基下沉。

3.3 柱的設計

在進行柱網設計時，要傳力系統明確，結構設計合理，同時還要確保規則間距都要適中整齊。為了避免柱網對煤礦建筑的正常使用產生影響，應該對框架結構標準化和施工便利性進行充分考慮，盡量確保結構模型簡單化。相同樓層在進行框架柱建造時截面尺寸誤差不宜過大，最好這些框架柱具有相同的延性和結構強度，這樣才能確保所有的框架柱均勻受力，從而避免因承受力不均勻而導致框架柱被地震逐個擊破，通常都是采用豎向分段的方式來對框架柱的強度進行改變，從而和強度過低的樓層相錯開，以避免相同樓層同時發生變形。在框架柱建造時盡量避免使用短柱，因為短柱很容易發生破壞變形。

3.4 梁、板的設計

煤層工業建筑通常都會在樓層上布置大型工業設備，因此需要在煤炭破碎機、帶式運輸機等大型振動設備下方設計支撐梁，如果單個設備也具有較大荷載時也應該設梁，與此同時梁的外形尺寸和設置位置等都應該同時滿足框架結構要求。在樓層進行洞口預留時應確保洞口最小尺寸超過0.3m，假如洞口周圍存在集中載荷或者洞口尺寸相對較大時，都應該在洞口周圍布置支撐梁。與此同時，還應通過雙層雙向配筋的方式來對洞口周圍的樓板進行加厚，確保梁板的強度滿足使用要求。

3.5 樓梯的設計

在進行樓梯間設計時，應該盡量避免使用不規則結構，從而將不規則結構影響降到最低。最好采用鋼筋混凝土的方式來進行樓梯澆筑。當框架結構和鋼筋混凝土樓梯形成一個有機整體時，在對框架結構進行抗震計算時也應該把樓梯計算在內。

3.6 防震縫

通過防震縫可以對外形復雜的鋼筋混凝土框架結構進行規則單元劃分，同時還可以對抗震結構設計難度進行降低，但是因為防震縫兩側位置需要搭建框架柱，在很大程度上提高了結構施工難度，同時還會對煤炭工業建筑的投入使用產生重大影響，假如有地震發生，防震縫兩側框架結構必然會發生塑性變形，導致框架結構因膨脹而發生損壞。因此，防震縫應該結合建筑實際情況進行采用，當遇到復雜地形，框架結構盡量不要使用防震縫，而是采取其他有效措施增加框架結構的強度。

4 優化混凝土框架結構設計的細節優化策略

4.1 嚴格控制混凝土框架結構尺寸

施工場所的環境溫度對于施工質量有一定影響，施工溫度較高或較低都會在一定程度上影響施工材料的性能，因此要對環境溫度進行控制。施工完畢后，由于外部載荷的影響使得施工材料出現一定程度的形變，使得混凝土框架結構不牢固乃至表面出現裂隙等情況。為了避免此類問題的產生，應當對混凝土框架結構設計進行高精度科學合理的設計，特別要注意建筑結構尺寸精確合理。將設計重點放在建筑結構中的非線性部分，通過簡化整體結構的方式提高建筑結構的穩定性和受力均勻性。

4.2 梁體與柱體中心線重合

混凝土框架結構設計過程中，對于梁體和柱體中心的重合度要求較高，一旦發現柱體同中心線沒有重合的情況，應當及時由相關人員進行調整，避免由于不重合問題導致的工程結構質量問題。設計方案的制定需要考慮實際施工條件對于工程周期的影響，保證工程按時完成。從框架結構設計角度而言，框架結構的梁體和柱體中心線的重合度對于建筑結構的穩定性有著重要影響。所以，設計者需要根據建筑構成確定恰當的設計形式，計算出科學合理的中心線偏心距，保證混凝土框架結構的安全性和穩定性。

節點有效抗剪面積對于節點抗剪承載力高低有著重要影響，通常采用界面寬度對偏心節點的有效抗剪面積進行計算。

4.3 結合公式確定柱體構造形式

通常情況下，混凝土框架的柱端需要同時承受剪力和彎矩。柱體剪跨比通過下式計算:

X=M/Vh0

公式中:h0—沿彎矩方向柱截面的有效高度；V—剪力；M—彎矩。如果X≤1.5，選取極短柱；如果1.52，選取柱。根據實驗結果可知，極短柱由于剪切斜拉造成的損壞通常是脆性損壞，長柱以及短柱由于剪切斜拉造成的損壞通常是彎曲損壞以及剪切損壞。

4.4 梁端彎矩調幅問題

設計過程中由于梁端負彎矩較大，配筋較多難以進行施工，因此通過豎向荷載的作用，使得塑性內力重新分布，采用梁端彎矩降低的方式進行配筋。依照相關標準，現澆框架支座彎矩調幅系數在0.8～0.9間，整體式框架調幅系數在0.7～0.8間。支座彎矩下降后，通過塑性內力重新分布的方式提高跨中彎矩。此外要求僅能在豎向荷載作用產生的梁端彎矩的情況下進行調幅，對于水平荷載作用產生的梁端彎矩不適用。設計人員應當嚴格遵守這一規范，應當在配筋計算過程中對于內力設計值進行調幅。具體方式為先對豎向荷載產生的彎矩調幅，之后同水平荷載產生的彎矩組合。

4.5 風荷載作用下的框架柱剪力計算問題

當前采用直接取計算單元承受風荷載面積的大小的方式，對框架柱的內力進行計算，相關研究表明該方式同實際數值存在較大差異。在建筑物自身結構規則勻稱的情況下，該方式的計算結果精度較高，在建筑物自身結構不規則或構件分布不規則的情況下，該方式計算結果精度較低，主要原因是將中間棍框架依照受風面積進行計算，導致計算內力結果偏小。本文關注風荷載作用，將建筑物當成整體進行研究，現澆框架以及裝配式鋼筋混凝土多層框架結構，設定樓板在自身平面內的剛度無限大，也就是樓板在該平面內不產生撓曲變形，在水平載荷的作用下相同樓層的各柱側移量一致，樓層剪力依照側移剛度進行分配。

4.6 細節處理

混凝土框架工業建筑結構設計過程中應當嚴格遵守當地的法律法規，同時兼顧工程建筑的相關要求，包括設計類型以及功能特征等。因此在進行結構設計的過程中，尤其應當注意抗震構造措施以及結構設計的相關標準。

建筑結構布置以及樓層對于建筑防震作用存在顯著影響。采用統一級別的混凝土進行施工建設能夠顯著減少其對建筑物防震功能的影響。除此之外，應當保證柱長在標準范圍內，優化建筑結構的地震響應以及計算模型，在結構設計過程中重點考慮框架梁截面相關內容，框架結構中電梯井壁設計的方案應當根據實際施工情況進行調整。比如，構件最小配筋率驗算過程中，需要根據實際情況進行參數選取，如果發現建筑結構設計存在不妥之處，需要及時終止施工，進行方案的調整，重新制定科學合理的施工方案并進行施工安排。

5 結 語

在進行框架結構設計時，必須要和實時抗震情況相結合，只有如此才能設計出性能優良的抗震結構，從而為煤礦工業建筑的推廣應用提供安全保障。