工業建筑中單跨框架結構設計分析

王長征

中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 湖南 長沙 410001

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。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，并且有些建筑層高還很高，比如:棧橋支架、轉載站、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，而有些結構還是乙類建筑，在地震作用下可能會產生嚴重災害。

單跨框架結構十分簡單，雖然建設成本較低，所使用的耗材量也較少，但是抗震性能較差，在地質災害頻發地區無法取得理想效果[1]。《建筑抗震設計規范（附條文說明）》中有明確規定，單跨框架結構不適用于甲類、乙類建筑，以及高度大于24m的丙類建筑中。但是在工業建筑中，受到環境、技術、功能等各方面因素的限制，不可避免地會用到單跨框架結構，當地質災害來臨時就會造成嚴重后果[2-3]。因此，應引入概念設計，深入分析工業建筑設計的相關要求，以提升框架結構的強度和穩定性為主要原則，實現安全可靠和經濟合理的統一。

1 抗震概念設計原則

1.1 整體合理性原則

在建筑設計正式開始之前，需要提前考察建筑結構的實際情況，將建筑結構的剛硬度和承載能力相結合。在單跨框架結構設計時，應將抗震概念融入其中，在發生地質災害時，能夠從不同方面將荷載進行吸收，減少外力對建筑結構穩定性帶來的影響。可將每部分建筑物進行串聯，將其作為一個整體對待，從源頭上解決抗震問題[4]。

1.2 建筑設計與抗震設計的結合

抗震設計是以建筑設計作為主要基礎的，在工業建筑單跨框架結構設計過程中，可將兩者進行有效結合。例如充分考慮到當地的地質、地形、氣候等因素，合理預測可能出現的意外情況，以提升設計的合理性。將抗震設計理念融入到建筑設計中，并非簡單地加固建筑物外圍，或是利用強度更大的材料，而是要提前做好一切準備工作，進行周全的考慮[5]。

1.3 整體與部分的結合

在工業建筑設計中，任何一個環節設計的不規范，都會引起連鎖反應，為后續工程的順利進行帶來嚴重影響。例如部分設計為了保留大面積的底部空間，而忽略了抗震墻的設計；或是為了美觀性，上層墻體和下層墻體之間無法進行有效對接，這些都讓建筑結構穩定性得不到保障。僅從單跨框架結構的設計來看，應做到整體和部分的結合，準確把握結構中的薄弱部位，關鍵處的承載結構一定不能省略。

1.4 在單跨施工方向布置少量的剪力墻與柱間支撐

布置剪力墻和柱間支撐的建設過程中，調整整體結構，使其鋼心和質心呈重合的狀態，防止在發生地震時該結構被扭轉而受到破壞。現場施工方案的設計階段，現場施工設計人員應配置多道抗震防線，并充分考慮施工現場是否為高烈度區，以便根據實際情況增設抗震防線，構筑完整的抗震體系[6]。平面布設圖應用最為普遍，如圖1所示，其中圖1中（a）表示單跨方向設少量剪力墻；圖1中（b）表示單跨方向局部加柱間交叉支撐。

圖1 平面布設示意

2 工業建筑中單跨框架結構優化設計及方案分析

2.1 優化建筑結構

要想對工業建筑設計和建筑結構進行優化，首先要選擇合適的、優質的建筑材料。這樣可以提高建筑的整體質量和穩定性。建筑結構需要各種建筑材料的有機組合，這些材料在性能和質量上有很大的差異。只有合理利用這些性能差異，才能充分滿足建筑結構的使用需求，而材料上的差異也會對建筑主體的最終效果產生很大的影響[7]。因此，在廠房的建筑方案中，應標明所需的建筑材料。在采購建筑材料時，要遵守相關的質量標準，對材料的整體質量進行仔細的選擇和控制，從而保證建筑的基本質量。相關監理人員還應按照相關法律法規對設計方案和采購進行控制。不應一味追求最高質量，應綜合選擇性價比最高的建材，避免資源浪費[8]。例如，在防火建筑材料的購買，應該注意鋼高耐火材料的選擇，但在鋼筋混凝土的選擇不能盲目地追求提高耐火性，應該參考實際的混凝土強度和其他相關項目的條件，做出性價比最佳的選擇。建筑材料的優化和性價比的提高應被視為建筑創新的重要策略之一。

2.2 在單跨方向設置少量剪力墻

由于單跨框架結構缺乏冗余的約束，在抗震性能方面嚴重不足。在實際設計中，應充分考慮當地的地質、地形等特點，是否為地質災害頻發地區，以及過往發生過的災害的嚴重程度，根據實際情況增設抗震防線，使得抗震體系更加科學。在管線設計方面，應避免和其他結構發生碰撞，保持好相對距離，確保鋼心和質心呈現重合狀態[9]。

2.3 提升結構豎向剛度分布的均勻性

如果本層側向剛度小于上層的70%，或是小于以上三個樓層側向剛度平均值的80%，就被稱為側向剛度不規則，在地震或其他地質災害發生時，這部分受到的影響最為嚴重，裂縫、倒塌等問題都會發生。在單跨框架結構設計過程中，有關人員要充分重視結構在豎向剛度分布方面的均勻性，盡可能讓各樓層剛度保持一致，以免在結構設計方面出現明顯的缺陷[10]。工業建筑的設計也要盡可能保證每層的高度都大致相同，防止相差過大。

2.4 保證結構樓板的連續性

樓板的設計和建設不應斷斷續續，而是應保證連續性，樓板厚度控制在100mm以上，從而提升其抗震性以及承載能力。在樓板結構連續性得到保證的基礎上，建筑框架在地震發生時能夠吸收更多作用力，可有效抵御水平作用。在部分工程設計中，可能會遇到開大洞的情況，應保持有效樓板寬度大于本層樓板寬度的50%，將開洞總面積控制在該層樓板的30%以內。為了避免出現強度不足的問題，可適當增加配筋，或布置次梁。

2.5 控制結構的層間形變

從對以往單跨框架結構的設計和實際應用的分析不難看出，穩定性不足是該結構較為突出的問題。在實際設計中，要將重點放在提升穩定性方面，遵循由低到高的順序，沿著框架柱對鋼筋進行捆扎和加固處理。如此一來，結構出現形變的概率就會大大降低，即便在柱端出鉸的情況下，單跨框架結構仍然具有很強的穩定性。

2.6 采用性能優化設計方法

通常來說工業建筑占地面積大，但由于不是主要用于居住使用，在很多項目設計和建設環節或多或少存在一定問題。尤其是單跨框架結構本身就有著較為明顯的缺陷，因此在實際設計中，應以結構高度、抗震等級分類、抗震設防烈度等作為主要參考，確保建筑結構即便在地質災害發生的情況下，其強度和穩定性依然能夠符合要求。

（1）如果單跨框架結構為單層結構，抗震設防為乙類或丙類，在樓面中并沒有質量較大的工業設備，可按多遇地震彈性設計為主。可適當地提升建筑結構設計的抗震等級，以更好應對各種突發情況，“小震不壞、中震可修、大震不倒”的原則落到實處。

（2）如果工業建筑的高度在24m以下，樓層較多，抗震設防分類為乙類；或是建筑高度在24m以上，抗震設防分類為丙類，那么單跨框架結構的就按照中震設計原則為主。想要進一步提升結構主體的性能，應將抗彎設計、框架梁抗剪設計等考慮在內。

（3）如果建筑高度在24m以上，且抗震設防分類為乙類，那么在設計環節就應該應大震彈性設計作為主要原則。可將專家聚集起來進行討論分析，并對設計圖紙進行反復比對。

（4）在結構計算中，采用 PK 對單榀框架分析，它不考慮空間的協同工作，這種計算方法得到的配筋結果更為保守，而單跨框架的柱子是重要的豎向受力構件，對此采取 PK 計算，可獲得更高的抗震能力安全儲備。通過有限元和PK兩種計算方法，得出的結論：在不考慮空間協同工作的框架柱配筋面積會增加，而柱的抗剪構造配箍無明顯變化。根據結構部位的受力復雜程度，對結構重要部位進行包絡設計是可以提高結構關鍵部位的可靠度，以提高結構的抗震性能。

2.7 合理布置樓面次梁

想要提升單跨框架結構設計強度，在樓面次梁的布置方面就應該改變以往單跨框架承擔豎向荷載的方式。可適當提升框架梁的高度和梁截面高度，并確保在跨度的10%以上。

2.8 發揮縱橫拉墻結的主體作用

圈梁會對建筑墻體產生拉結作用，可按照相應的要求，將橫墻設置成凸凹形強力有效的拉結形式，用于抵消地震時產生的作用力，同時做好災害發生時的搶救工作。

2.9 其他建議

通常來說地震在發生之后，還會迎來多次余震，這也是引起建筑結構質量問題的關鍵因素之一。如果工業建筑的主體結構強度不足，那么不僅要面對地震的沖擊，還要抵御一次又一次的余震。因此在單跨框架結構設計環節，應增設多條防線，可利用鋼筋混凝土結構，充分發揮其非彈性形變的應用優勢，提升工業建筑抵抗地震和余震的能力。

3 工程實例

3.1 項目概況

某工業建筑16m×8m×10.5m（2層），該建筑的抗震設防等級設計為乙類，抗震設防烈度每0.1g為7度，Ⅲ類土類別，其結構是單跨框架型，在各種裝置中處于核心地位。根據所掌握的基本信息，組織單跨框架結構的設計工作。

3.2 兩種設計方式下的配筋結果對比

進行常規和性能化設計時，配筋結果展開對比分析，具體內容見表1、表2。

表1 常規設計 單位：mm

表2 性能化設計 單位：mm

結合表1、表2中內容可知：性能化設計相較于常規設計的單跨方向框架梁配筋量為3倍左右；而對于多跨方向框架梁則約為2.5倍。

3.3 抗震處理措施

后期抗震鑒定若不滿足要求，可通過對其抗震薄弱位置采取相應的加強處理來提高該類結構的抗震性能：

（1）改變結構體系或降低建筑設防類別。單跨框架結構抗震性能差，可以通過改變結構體系來增強其抗震性能。如增加框架柱，改單跨框架結構為多跨框架結構；增加剪力墻（或支撐），改善原單跨結構體系；或者不改變結構體系，通過降低建筑的抗震設防類別，此時仍需采用抗震加強措施以提高單跨框架的 抗震性能。

（2）提高抗震承載能力及抗震措施。通過對原結構抗震鑒定分析后，找出具體薄弱的框架梁、框架柱，對薄弱的框架梁、框架柱可采用增大截面法、包鋼法等加固方法提高其抗震承載能力及抗震措施。

4 結語

在工業建筑中，單跨框架結構的應用十分普遍，但是抗震性能得不到保障，當發生地質災害時，很容易對建筑結構的穩定性帶來嚴重影響，出現受力不均等問題。進行加固時，充分考慮當地實際情況，再選用合適的抗震方式，在一般可以通過控制軸壓比，增加截面，局部置換等方式進行，都能夠很好地提升構件的荷載能力，能夠提升工業廠房的抗震性能，避免出現倒塌的情況。為了避免出現這種情況，可采取適當的手段改變結構形式，在單跨方向設置少量剪力墻，提升結構豎向剛度分布的均勻性，保證結構樓板的連續性，控制結構的層間形變，采用性能優化設計方法，合理布置樓面次梁，從而充分展現單跨框架結構設計優化的作用，讓其得到更好的應用。