工業(yè)建筑不規(guī)則結(jié)構(gòu)形式設(shè)計的難點、重點
摘要：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計對于在結(jié)構(gòu)可靠度、設(shè)計計算、配筋構(gòu)造等方面均有很高的要求，特別是對于抗震及結(jié)構(gòu)的整體性、規(guī)則性的要求更高。工業(yè)建筑由于使用功能的要求，結(jié)構(gòu)布置往往不甚合理，如層高不均勻、樓板開孔大等，因而結(jié)構(gòu)形式往往不規(guī)則。在設(shè)計的時候，需要在遵循規(guī)范的同時大膽靈活的解決一些結(jié)構(gòu)方案上的難點、重點，根據(jù)程序計算結(jié)果，針對具體不滿足規(guī)范條文的情況，采取相應(yīng)的調(diào)整措施，以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定及工藝的使用功能要求。
關(guān)鍵詞：不規(guī)則,單榀框架,軸壓比,彈性層間位移角,層間承載力比
0引言
在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，框架的傳力路線應(yīng)簡捷明了。在荷載作用下，結(jié)構(gòu)的傳力路線越短、越直接，結(jié)構(gòu)的工作效能越高，工程造價也越少；從力學(xué)觀點看，框架平面布局中，盡量使柱網(wǎng)按開間等跨和進深等距布置，這樣可以相應(yīng)減少邊跨柱距，也可以充分利用連續(xù)梁的受力特點以減少結(jié)構(gòu)中的彎距，可以使各跨梁截面趨于一致，從而提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。
但是對于工業(yè)建筑來說，為滿足工藝設(shè)備布置的要求，結(jié)構(gòu)層高往往不均勻，甚至可能相差幾倍，有時由于場地條件制約，投資成本考慮，結(jié)構(gòu)方案經(jīng)常會布置成豎向和平面均不規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)。因此，在抗震烈度較高的地區(qū)，對于不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)梁、柱的布置，特別是框架柱截面大小是否仍由軸壓比控制，需根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)布置進行計算分析。
1工程概況
越南位于東南亞熱帶季風(fēng)區(qū)。年平均氣溫23.0℃，平均相對濕度85.0％，主導(dǎo)風(fēng)向是東北和西南，平均風(fēng)速3.7m/s，年平均降雨1700.0mm。
本次設(shè)計內(nèi)容為石灰石制漿及石膏脫水樓框架，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.15g，特征周期0.55s，環(huán)境類別為二a類，混凝土耐久性要求：最大水澆比0.50。場地類別為III類，基本風(fēng)壓W＝1.25kN/m2。
石灰石制漿及石膏脫水樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑，該建筑為三層，局部四層,建筑高度30.0m。建筑內(nèi)部設(shè)二部樓梯并通至屋頂，一層層高10.000m，二層層高6.000m，三層層高8.000m，四層層高6.000m。一層設(shè)球磨機房、石膏庫，二層設(shè)石灰石旋流器室、皮帶輸送機房，三層設(shè)有真空皮帶脫水機房，四層設(shè)石膏旋流器等，結(jié)構(gòu)布置見圖1～圖4。
圖1石灰石制漿及石膏脫水樓柱布置圖
圖210.000m層模板圖
圖316.000m層模板圖
圖424.000m層模板圖
2計算分析
2.1結(jié)構(gòu)方案分析
2.1.1凹凸不規(guī)則
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5011-2010）第3.4.3條規(guī)定：平面凹進的尺寸，大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30％，定義為凹凸不規(guī)則。
由框架平面圖可以看出，凹進尺寸為9m/18m＝50％>30％，屬于凹凸不規(guī)則。
2.1.2單跨框架
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5011-2010）第6.1.5條規(guī)定：甲類、乙類建筑以及高度大于24米的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)。
由框架平面圖6-8軸線/B-C軸線可以看出，屬于單榀框架。
2.1.3軸壓比
軸壓比指柱的組合軸壓力設(shè)計值N與柱全截面面積A和混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值fc乘積之比值，即軸壓比為N/fcA。限制軸壓比來保證結(jié)構(gòu)的延性。首層較高，為10m，在計算時，需注意柱截面是由軸壓比控制還是層間位移比控制。
2.1.4豎向規(guī)則性
《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009）第x.x.x條規(guī)定：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)樓層現(xiàn)有受剪承載力應(yīng)按下式計算，此參數(shù)限制結(jié)構(gòu)的豎向布置規(guī)則性，可以用來判斷薄弱層。
Fy=ΣFcy+0.7ΣFmy+0.7ΣFwy
式中：Fy為樓層現(xiàn)有受剪承載力；
ΣFcy為框架柱層間現(xiàn)有受剪承載力之和；
ΣFmy為磚填充墻框架層間現(xiàn)有受剪承載力之和；
ΣFwy為抗震墻層間現(xiàn)有受剪承載力之和。
2.1.5層間位移角
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5011-2010）第5.5.1條規(guī)定：層間位移角按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比計算，用來限制正常使用下的水平位移，確保結(jié)構(gòu)有足夠的剛度。
本次設(shè)計層高較高，且分布不均勻，計算時需注意此參數(shù)是否滿足規(guī)范限值1/550。
2.2PKPM計算模型建立與參數(shù)選取
2.2.1振型的選取
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第5.1.13-2條規(guī)定：抗震計算時，宜考慮平扭藕聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)不宜小于15，且計算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)量的90％。
振型組合數(shù)是軟件在做抗震計算時考慮振型的數(shù)量。該值取值太小不能正確反映模型應(yīng)當(dāng)考慮的振型數(shù)量，使計算結(jié)果失真；取值太大，不僅浪費時間，還可能使計算結(jié)果發(fā)生畸變。本次建模振型取15個，X方向的有效質(zhì)量系數(shù)為99.64％，Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)為99.43％，滿足要求。
2.2.2層高的確定
第一層計算層高12m（基礎(chǔ)頂標高為-2.000m），初步計算后，Y方向?qū)娱g位移角1/550無法滿足要求，主要原因就是層高較高，且單榀框架，抗震不利，采取的措施是在6.300標高處，增加了一層外框架梁，減小層高，且增大剛度，并且將框架平面圖6-8軸線/B-C軸線中，Y方向的梁截面加大，且調(diào)整次梁的設(shè)置方向，將初次建模X方向設(shè)置的次梁調(diào)整成Y方向設(shè)置。經(jīng)計算，層間位移角滿足規(guī)范要求。
2.2.3單榀框架柱截面尺寸的確定
框架平面圖6-8軸線/B-C軸線的柱截面，初算時取的柱截面面積為750×1050，由計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)柱子軸壓比很小，最大約0.3，但是層間位移角最不利的為1/543，不滿足規(guī)范規(guī)定小于等于1/550的要求。初步分析原因是因為結(jié)構(gòu)方案的凹凸不規(guī)則和單榀框架的扭轉(zhuǎn)，豎向構(gòu)件的剛度不滿足，因此需要增加柱截面面積；柱配筋也較大，初步分析原因是因為抗震設(shè)防烈度較高，且場地類別為III類，由水平地震力和風(fēng)荷載引起的的彎矩較大的原因。
綜合考慮安全性及經(jīng)濟性，最終確定柱子大小為750×1250，經(jīng)計算，最不利層間位移角為1/551，恰好滿足規(guī)范規(guī)定的1/550的要求。
2.2.4結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)
框架結(jié)構(gòu)由于填充墻的存在，使結(jié)構(gòu)的實際剛度大于計算剛度，計算周期大于實際周期，因此，算出的地震作用效應(yīng)偏小，使結(jié)構(gòu)偏于不安全，因此本工程結(jié)構(gòu)的計算周期折減系數(shù)選取了0.9。
2.2.5梁剛度放大系數(shù)
《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）第5.2.2條規(guī)定：
SATWE計算軟件的梁輸入模型均為矩形截面，未考慮因存在樓板形成T型截面而引起的剛度增大，造成結(jié)構(gòu)的實際剛度大于計算剛度，算出的地震剪力偏小，使結(jié)構(gòu)偏于不安全。按照技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，本工程計算時將梁剛度放大，放大系數(shù)中梁取2.0、邊梁取1.5。
2.2.6抗震構(gòu)造措施提高一級
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5011-2010）第3.3.3條規(guī)定：場地類別為III類時，設(shè)計基本地震加速度為0.15g的地區(qū)，宜按設(shè)防烈度8度（0.2g）的要求采取抗震構(gòu)造措施。
按此要求，本次設(shè)計抗震構(gòu)造措施需提高一級。
2.3計算成果分析
2.3.1柱軸壓比
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5011-2010）第6.3.6條規(guī)定：
根據(jù)SATWE計算結(jié)果可以看出，柱軸壓比最大為0.33，遠小于0.75，滿足要求。
2.3.2樓層抗剪承載力、承載力比值分析
分析過程見表1。
表1樓層抗剪承載力、承載力比值表
層號塔號X向承載力Y向承載力Ratio_Bu:XRatio_Bu:Y
410.2136E+040.2295E+041.001.00
310.3195E+040.3690E+041.501.61
210.8137E+040.9952E+042.552.70
110.6123E+040.9307E+040.750.94
注：Ratio_Bu為層間承載力比。
X方向最小樓層抗剪承載力之比:0.75層號:1塔號:1
Y方向最小樓層抗剪承載力之比:0.94層號:1塔號:1
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB5011-2010）第3.4.4條規(guī)定：
根據(jù)分析，滿足不小于相鄰上一樓層65%的要求，說明對結(jié)構(gòu)方案分析及建模過程中采取的調(diào)整措施是有效的。
2.3.3樓層最不利位移分析
分析過程見表2。
通過計算結(jié)果分析可知，最不利位移為Y方向風(fēng)荷載（表中是地震作用，二者矛盾）作用下的層間最大位移角1/551，接近限值1/550。最小樓層受剪承載力之比和最大位移角均接近限值，說明在填充墻、混凝土等級等不變的情況下，框架柱截面剛好滿足規(guī)范的要求。而由本文2.3.1分析得出的柱軸壓比最大為0.33，說明本工程框架柱的截面面積并非由軸壓比控制。
注：Floor：層號；Jmax：節(jié)點號；Max-(Y)：最大Y向位移；Max-Dy：最大Y向桿間位移；Ave-(Y)：Y平均位移；Ave-Dy：Y平均桿間位移；Ratio-(Y)：Y向位移比；Ratio-Dy：Y向桿間位移比；H：層高；Max-Dy/h：最大桿間位移角；DyR/Dy：有害位移角比例；Ratio _A：本層位移角與上層位移角的1.3倍及上三層平均位移角的1.2倍的比值的大值。
2.3.4單榀框架柱配筋分析
分析過程見圖5。
柱左側(cè)受力五個數(shù)字含義從上到下分別為：該柱X、Y方向的剪力，柱底軸力，X、Y方向的彎矩。由計算結(jié)果可以看出，X方向最大彎矩為3321.4kN.m，Y方向最大彎矩為1070.5kN.m，而柱底最大軸力只有3803.4kN,說明柱配筋不受壓力控制，而是由彎矩控制。證明模型建立中的初步分析是對的，此時，在柱截面滿足層間位移角的前提下，考慮降低配筋量，選取合適的柱截面。
圖5單榀框架柱底力簡圖
3結(jié)束語
本文闡述了不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題。
設(shè)計不規(guī)則框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)首先判斷結(jié)構(gòu)方案的可行性，對所有計算結(jié)果認真分析、準確判斷，對可能碰到的問題，提前采取措施予以解決后方可應(yīng)用于實際工程中。只有熟練地掌握規(guī)范，并具有準確的結(jié)構(gòu)概念和工程概念，才能設(shè)計出既安全又經(jīng)濟適用的工程。
參考文獻：
[1]GB5011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范
[2]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程
[3]GB50023-2009，建筑抗震鑒定標準
[4]PKPM2010-SATWE
