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談工業(yè)建筑單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐

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談工業(yè)建筑單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐

摘要:單跨框架結(jié)構(gòu)為沒有冗余約束的空間結(jié)構(gòu),抗震性能差?;诟拍钤O(shè)計(jì),通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、加強(qiáng)構(gòu)造措施及采用性能化設(shè)計(jì)方法,提高單跨框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,從而為工業(yè)建筑中單跨框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了一種可行的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞:單跨框架結(jié)構(gòu),工業(yè)建筑,概念設(shè)計(jì),抗震設(shè)防分類,性能化設(shè)計(jì)

引言

單跨框架結(jié)構(gòu)由于沒有冗余約束,抗震設(shè)防起不到多道防線設(shè)防的要求,往往在地震作用下破壞嚴(yán)重。根據(jù)《抗規(guī)》規(guī)定:甲、乙類建筑及高度大于24m的丙類建筑,不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu),高度不大于24m的丙類建筑,不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)。但是在工業(yè)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(jié)構(gòu)的使用不可避免,而且層高很大,比如:棧橋支架、轉(zhuǎn)運(yùn)站、拉緊裝置、支撐設(shè)備的支架等,這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用單跨框架結(jié)構(gòu)的形式,并且往往高度超過24m,而有些結(jié)構(gòu)還是乙類建筑,在地震作用下可能導(dǎo)致有毒氣體和液體的泄露,產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害。使用單跨框架結(jié)構(gòu)既然不可避免,雖然《抗規(guī)》有規(guī)定“特殊要求的工業(yè)建筑其抗震設(shè)計(jì)應(yīng)按有關(guān)專門規(guī)定執(zhí)行”,但是嚴(yán)格按規(guī)范條款要求不易實(shí)現(xiàn),也不現(xiàn)實(shí),所以需要進(jìn)行概念設(shè)計(jì),采取一些構(gòu)造措施和計(jì)算來保證工程中所使用的單跨框架結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。本文將從以下幾個(gè)方面就單跨框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所采用的一些有效的構(gòu)造措施和計(jì)算方法展開論述。

1盡量在單跨方向設(shè)置少量剪力墻或交叉柱間支撐

特別是在高烈度區(qū),最好在方案階段讓結(jié)構(gòu)形成多道抗震防線。接收條件時(shí),和工藝管道專業(yè)協(xié)商,讓設(shè)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(yīng)使結(jié)構(gòu)的剛心和質(zhì)心盡量重合,以減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)破壞。典型的平面布置示例見圖1,圖2。

2保證結(jié)構(gòu)豎向剛度的均勻性

根據(jù)《抗規(guī)》對(duì)結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的定義,當(dāng)該層側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%,或小于其上相鄰三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%時(shí),為側(cè)向剛度不規(guī)則,此時(shí)在地震時(shí)該層為薄弱層。在地震作用下,該層會(huì)產(chǎn)生集中變形,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌。單跨框架結(jié)構(gòu)因?yàn)槿哂嗉s束少,所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取更為嚴(yán)格的豎向剛度控制,盡量做到各樓層的側(cè)向剛度相近,避免形成薄弱層的集中變形破壞。在方案設(shè)計(jì)階段需要和工藝管道專業(yè)溝通確定各樓層的高度,使每層的層高相接近。

3保證結(jié)構(gòu)樓板連續(xù)性

樓板整體連續(xù)且保證板厚不小于100mm可保證其整體剛度,從而使所有框架柱能同時(shí)參與抵抗水平作用,以避免形成各個(gè)擊破、連續(xù)倒塌。當(dāng)樓板不可避免需要開大洞時(shí),有效樓板寬度不應(yīng)小于該層樓板寬度的50%,且樓板開洞的總面積不應(yīng)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(qiáng)配筋或在洞口周邊布置次梁從而增加樓板的剛度。

4嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的層間變形,且保證框架柱有較大的變形能力

失穩(wěn)的根源是二階P—Δ效應(yīng),對(duì)于單跨框架結(jié)構(gòu)來說更應(yīng)盡量避免產(chǎn)生二階P—Δ效應(yīng),特別在地震作用下單跨框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)產(chǎn)生P—Δ效應(yīng),這樣可增大框架的穩(wěn)定性,避免結(jié)構(gòu)倒塌。在設(shè)計(jì)中應(yīng)使結(jié)構(gòu)滿足剛重比的要求??蚣苤慕孛娉叽绮粦?yīng)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(huì)引起框架的倒塌。

5采取性能化設(shè)計(jì)方法

根據(jù)結(jié)構(gòu)的高度、抗震設(shè)防分類及抗震設(shè)防烈度的大小盡可能的提高性能目標(biāo),確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全可靠。1)當(dāng)結(jié)構(gòu)為單層、抗震設(shè)防分類為丙類或乙類且樓面沒有荷載較大的設(shè)備時(shí),可按多遇地震彈性設(shè)計(jì),但抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)提高一級(jí),以增加結(jié)構(gòu)的延性,改善結(jié)構(gòu)的變形能力,實(shí)現(xiàn)“小震不壞,中震可修,大震不倒”的性能目標(biāo)。2)當(dāng)結(jié)構(gòu)為高度小于24m的多層且抗震設(shè)防分類為乙類或高度大于24m、抗震設(shè)防分類為丙類時(shí),結(jié)構(gòu)按中震設(shè)計(jì)。按《高規(guī)》抗震性能水準(zhǔn)為2的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)??蚣苤辜簟⒖箯澃磸椥栽O(shè)計(jì);框架梁抗剪按彈性,抗彎按不屈服設(shè)計(jì)。框架的抗震等級(jí)定義為四級(jí),抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)定義為比常規(guī)設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定降低1度采用。3)當(dāng)結(jié)構(gòu)高度大于24m且抗震設(shè)防分類為乙類時(shí),結(jié)構(gòu)框架柱應(yīng)按大震彈性設(shè)計(jì),框架梁應(yīng)按中震彈性設(shè)計(jì),或經(jīng)過專家評(píng)審后采取更高的性能目標(biāo)設(shè)計(jì)。

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(dān)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(shí)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(shè)計(jì)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(shí)例

7.1項(xiàng)目概況

該結(jié)構(gòu)長15m、寬7m,共兩層高11.5m,寬度方向?yàn)閱慰缈蚣芙Y(jié)構(gòu),為支撐設(shè)備的構(gòu)筑物,抗震設(shè)防分類為乙類。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g),設(shè)防地震分組為第三組,本場(chǎng)地土類別為Ⅲ類。

7.2結(jié)構(gòu)方案布置時(shí)加強(qiáng)概念設(shè)計(jì)

1)通過和工藝管道專業(yè)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(shè)置剪力墻或支撐。2)通過和工藝管道專業(yè)溝通,確定第一層層高為6.5m,第二層層高為5m,兩層的樓層高度相近,避免結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)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(shè)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(shè)計(jì)要點(diǎn)

該框架抗震設(shè)防分類為乙類,高度為11.5m,小于24m。結(jié)構(gòu)按中震設(shè)計(jì),根據(jù)《高規(guī)》抗震性能水準(zhǔn)為2的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)??蚣苤辜?、抗彎按彈性設(shè)計(jì);框架梁抗剪按彈性,抗彎按不屈服設(shè)計(jì)??蚣艿目拐鸬燃?jí)定義為四級(jí),抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)定義為三級(jí)。中震地震影響系數(shù)最大值取0.23,結(jié)構(gòu)阻尼比取5%。7.4配筋結(jié)果對(duì)比比較性能化設(shè)計(jì)和常規(guī)設(shè)計(jì)的配筋結(jié)果,見表1,表2。通過比較發(fā)現(xiàn):1)通過性能化設(shè)計(jì),柱的縱筋配筋量為常規(guī)設(shè)計(jì)配筋量的約1.5倍,箍筋由常規(guī)設(shè)計(jì)的Ф8變?yōu)樾阅芑O(shè)計(jì)后的Ф10。2)通過性能化設(shè)計(jì),單跨方向框架梁的配筋量為常規(guī)設(shè)計(jì)配筋量的約3倍,多跨方向框架梁的配筋量為常規(guī)設(shè)計(jì)配筋量的約2.5倍。

7.5結(jié)構(gòu)位移結(jié)果分析

中震下結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為1/510,結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有明顯塑性變形,但滿足《抗規(guī)》限值1/50的要求,保證結(jié)構(gòu)大震不倒。框架經(jīng)過性能化設(shè)計(jì)后梁柱縱筋和箍筋配筋量的增加,說明結(jié)構(gòu)的延性和承載力都得到了較大的提高,能保證結(jié)構(gòu)在中震作用下工藝生產(chǎn)不會(huì)受到很大的影響和在大震作用下不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重破壞而產(chǎn)生不利的次生災(zāi)害。

8結(jié)語

單跨框架結(jié)構(gòu)在工業(yè)建筑中是非常普遍的結(jié)構(gòu)形式,經(jīng)常困擾設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì),也經(jīng)常被審圖單位所詬病。這時(shí)需要設(shè)計(jì)師通過與審圖公司溝通,采取一定的措施進(jìn)行設(shè)計(jì),而設(shè)計(jì)總的原則就是加強(qiáng)概念設(shè)計(jì),使結(jié)構(gòu)布置均勻、規(guī)則、整體性好、延性高。并且根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、結(jié)構(gòu)高度和結(jié)構(gòu)在大震作用下產(chǎn)生次生災(zāi)害的嚴(yán)重性,通過性能化設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件采取不同性能目標(biāo)的設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

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作者:王曉斌 單位:賽鼎工程有限公司