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谈工业建筑单跨框架结构设计实践

摘要:单跨框架结构为没有冗余约束的空间结构,抗震性能差。基于概念设计,通过优化结构布置、加强构造措施及采用性能化设计方法,提高单跨框架结构的抗震性能,从而为工业建筑中单跨框架结构的应用提供了一种可行的设计方法。

关键词:单跨框架结构,工业建筑,概念设计,抗震设防分类,性能化设计

引言

单跨框架结构由于没有冗余约束,抗震设防起不到多道防线设防的要求,往往在地震作用下破坏严重。根据《抗规》规定:甲、乙类建筑及高度大于24m的丙类建筑,不应采用单跨框架结构,高度不大于24m的丙类建筑,不宜采用单跨框架结构。但是在工业建筑中,由于工艺条件的限制及使用功能的要求,单跨框架结构的使用不可避免,而且层高很大,比如:栈桥支架、转运站、拉紧装置、支撑设备的支架等,这些结构经常采用单跨框架结构的形式,并且往往高度超过24m,而有些结构还是乙类建筑,在地震作用下可能导致有毒气体和液体的泄露,产生严重的次生灾害。使用单跨框架结构既然不可避免,虽然《抗规》有规定“特殊要求的工业建筑其抗震设计应按有关专门规定执行”,但是严格按规范条款要求不易实现,也不现实,所以需要进行概念设计,采取一些构造措施和计算来保证工程中所使用的单跨框架结构安全可靠、经济合理。本文将从以下几个方面就单跨框架结构设计中所采用的一些有效的构造措施和计算方法展开论述。

1尽量在单跨方向设置少量剪力墙或交叉柱间支撑

特别是在高烈度区,最好在方案阶段让结构形成多道抗震防线。接收条件时,和工艺管道专业协商,让设备和管线避开需要布置剪力墙及支撑的轴线处,避免空间碰撞。剪力墙或支撑的布置应使结构的刚心和质心尽量重合,以减小结构在地震作用下的扭转破坏。典型的平面布置示例见图1,图2。

2保证结构竖向刚度的均匀性

根据《抗规》对结构竖向不规则的定义,当该层侧向刚度小于相邻上一层的70%,或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%时,为侧向刚度不规则,此时在地震时该层为薄弱层。在地震作用下,该层会产生集中变形,导致结构破坏甚至倒塌。单跨框架结构因为冗余约束少,所以在设计中应采取更为严格的竖向刚度控制,尽量做到各楼层的侧向刚度相近,避免形成薄弱层的集中变形破坏。在方案设计阶段需要和工艺管道专业沟通确定各楼层的高度,使每层的层高相接近。

3保证结构楼板连续性

楼板整体连续且保证板厚不小于100mm可保证其整体刚度,从而使所有框架柱能同时参与抵抗水平作用,以避免形成各个击破、连续倒塌。当楼板不可避免需要开大洞时,有效楼板宽度不应小于该层楼板宽度的50%,且楼板开洞的总面积不应大于该层楼板面积的30%。并且需要将开洞处楼板加厚且加强配筋或在洞口周边布置次梁从而增加楼板的刚度。

4严格控制结构的层间变形,且保证框架柱有较大的变形能力

失稳的根源是二阶P—Δ效应,对于单跨框架结构来说更应尽量避免产生二阶P—Δ效应,特别在地震作用下单跨框架结构不应产生P—Δ效应,这样可增大框架的稳定性,避免结构倒塌。在设计中应使结构满足刚重比的要求。框架柱的截面尺寸不应小于500×500,控制柱轴压比小于0.15,且柱箍筋沿柱全高加密,箍筋直径不小于10,保证框架柱具有比较大的变形能力,这样即使在地震作用下柱端出铰也不会引起框架的倒塌。

5采取性能化设计方法

根据结构的高度、抗震设防分类及抗震设防烈度的大小尽可能的提高性能目标,确保结构在地震作用下的安全可靠。1)当结构为单层、抗震设防分类为丙类或乙类且楼面没有荷载较大的设备时,可按多遇地震弹性设计,但抗震构造措施的抗震等级提高一级,以增加结构的延性,改善结构的变形能力,实现“小震不坏,中震可修,大震不倒”的性能目标。2)当结构为高度小于24m的多层且抗震设防分类为乙类或高度大于24m、抗震设防分类为丙类时,结构按中震设计。按《高规》抗震性能水准为2的要求进行设计。框架柱抗剪、抗弯按弹性设计;框架梁抗剪按弹性,抗弯按不屈服设计。框架的抗震等级定义为四级,抗震构造措施的抗震等级定义为比常规设计的有关规定降低1度采用。3)当结构高度大于24m且抗震设防分类为乙类时,结构框架柱应按大震弹性设计,框架梁应按中震弹性设计,或经过专家评审后采取更高的性能目标设计。

6合理布置楼面次梁

在楼面次梁的布置上,采取尽量避免单跨框架承担竖向荷载的布置方式,这样可减小框架柱在单跨方向上的弯矩,从而减小框架柱的破坏。此时单跨框架方向上的框架梁受力较小、需要的承载力较小,但在设计中需要保证框架梁具有足够刚度,梁截面高度取不小于跨度的1/10。平面布置示例见图3。

7工程实例

7.1项目概况

该结构长15m、宽7m,共两层高11.5m,宽度方向为单跨框架结构,为支撑设备的构筑物,抗震设防分类为乙类。本地区抗震设防烈度为7度(0.1g),设防地震分组为第三组,本场地土类别为Ⅲ类。

7.2结构方案布置时加强概念设计

1)通过和工艺管道专业沟通,该框架一层沿纵向有管廊通过,所以在短跨方向无法设置剪力墙或支撑。2)通过和工艺管道专业沟通,确定第一层层高为6.5m,第二层层高为5m,两层的楼层高度相近,避免结构竖向不规则。3)楼层没有大开洞,能保证楼板的整体刚度。4)次梁布置使单跨方向框架不承受设备荷载。5)框架柱截面尺寸为650×700,框架梁截面尺寸为350×700。平面布置见图4。

7.3性能化设计要点

该框架抗震设防分类为乙类,高度为11.5m,小于24m。结构按中震设计,根据《高规》抗震性能水准为2的要求进行设计。框架柱抗剪、抗弯按弹性设计;框架梁抗剪按弹性,抗弯按不屈服设计。框架的抗震等级定义为四级,抗震构造措施的抗震等级定义为三级。中震地震影响系数最大值取0.23,结构阻尼比取5%。7.4配筋结果对比比较性能化设计和常规设计的配筋结果,见表1,表2。通过比较发现:1)通过性能化设计,柱的纵筋配筋量为常规设计配筋量的约1.5倍,箍筋由常规设计的Ф8变为性能化设计后的Ф10。2)通过性能化设计,单跨方向框架梁的配筋量为常规设计配筋量的约3倍,多跨方向框架梁的配筋量为常规设计配筋量的约2.5倍。

7.5结构位移结果分析

中震下结构层间位移角最大值为1/510,结构基本完好,变形略大于弹性位移限制;大震下弹塑性层间位移角最大值为1/165,结构有明显塑性变形,但满足《抗规》限值1/50的要求,保证结构大震不倒。框架经过性能化设计后梁柱纵筋和箍筋配筋量的增加,说明结构的延性和承载力都得到了较大的提高,能保证结构在中震作用下工艺生产不会受到很大的影响和在大震作用下不会发生严重破坏而产生不利的次生灾害。

8结语

单跨框架结构在工业建筑中是非常普遍的结构形式,经常困扰设计师的设计,也经常被审图单位所诟病。这时需要设计师通过与审图公司沟通,采取一定的措施进行设计,而设计总的原则就是加强概念设计,使结构布置均匀、规则、整体性好、延性高。并且根据结构的重要性、结构高度和结构在大震作用下产生次生灾害的严重性,通过性能化设计方法对结构各构件采取不同性能目标的设计,以实现结构的安全可靠、经济合理。

参考文献:

[1]GB50011—2010,建筑抗震设计规范(2016版)[S].

[2]JGJ3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]中国建筑设计院有限公司.结构设计统一技术措施[M].北京:中国建筑工业出版社,2018.

作者:王晓斌 单位:赛鼎工程有限公司

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