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工業(yè)廠房塔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及構(gòu)造的論文
[摘 要] 通過近幾年所設(shè)計(jì)的兩個工業(yè)廠房（ 內(nèi)含工業(yè)高層塔） ,分析設(shè)計(jì)前后所考慮的問題并結(jié)合該工程的實(shí)際情況與相關(guān)的文獻(xiàn)，論述了設(shè)計(jì)后的一些看法與個人的體會。
[關(guān)鍵詞] 塔式結(jié)構(gòu)； 軟件分析； 強(qiáng)柱弱梁； 塑性鉸； 工程實(shí)例； 體會。
本人于 2008 年和 2014 年分別在黑龍江省 （ 安達(dá)市及綏棱市） 兩個地市設(shè)計(jì)乳品廠房，其中廠房中重要的核心部分就是高層塔。所謂高層塔： 指的是該建筑物的長度與寬度大致相同，且平面尺寸皆不大，高度較高，整個建筑顯得細(xì)長 （ 尤其是該建筑位于整片單層廠房的一部分） ,所以在外觀上更似 “塔”的形狀。
1 工業(yè)高層塔的特點(diǎn)
它是整個鋼結(jié)構(gòu)廠房的一部分，但它的承重材質(zhì)非 “鋼結(jié)構(gòu)”,而是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即高層框架結(jié)構(gòu)體系。受工藝條件的嚴(yán)格制約，層高較高（ 5 ~7m 左右） ; 局部樓層開洞較大，但一般皆可以控制在 30% 以內(nèi)； 每層荷載分布極不均勻，而且荷載較大。
2 設(shè)計(jì)計(jì)算前所要考慮的問題
（ 1） 將 “塔”看成豎向彈性構(gòu)件體系，控制體系的高寬比例，以保證其穩(wěn)定性。
（ 2） 考慮颶風(fēng)和地震力所產(chǎn)生的雙向水平側(cè)向力。
（ 3） 由于工業(yè)高層塔的自身特點(diǎn) （ 各種工藝設(shè)備的形狀及荷載相差較大） ,所以盡可能使該建筑平面，體型，立面剛度盡量保持對稱與均勻（ 可通過框架平面主次梁及柱調(diào)整剛度和傳力荷載） 使結(jié)構(gòu)整體不會出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。
（ 4） 妥善處理因水平力 （ 如颶風(fēng)，地震力） ,溫度變化和基礎(chǔ)沉降所帶來的梁柱節(jié)點(diǎn)的變形要求，故在采用深基礎(chǔ)的前提下，加大承臺的埋深，保障結(jié)構(gòu)的安全可靠性。
（ 5） 該建筑受工藝要求繁瑣； 設(shè)備管道多，具有特殊的消防，通風(fēng)，排煙設(shè)置，尚需對散熱，供暖及加風(fēng)壓進(jìn)行的考慮，如此便要求合理的建筑層高，合理的布置豎向交通 （ 即確定樓梯及采用所需爬梯的位置） .
3 設(shè)計(jì)過程中所要考慮的注意事項(xiàng)
（ 1） 框架結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件 - 柱，截面尺寸有限，抗側(cè)剛度較小，在地震力作用下，其水平位移比較大，自身容易較大變形而引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。
（ 2） 實(shí)現(xiàn)工程中的 “強(qiáng)柱弱梁”模式 - 某些構(gòu)件進(jìn)入非彈性，出現(xiàn)塑性鉸，避免其局部的脆性破壞，通過變形以吸收和耗散震能，從而提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力； 但在使用 SATWE 軟件計(jì)算中，其一框架梁的剛度是沒有考慮現(xiàn)澆混凝土樓板對框架梁的 “有利約束”故梁端彎矩相應(yīng)增大，但是所增加的配筋全部配置在梁內(nèi)，而樓板是按自身受力單獨(dú)計(jì)算配筋的； 軟件計(jì)算使用時，梁的裂縫控制一般在 0. 3mm 以內(nèi)的，而實(shí)際正常情況下，梁是有翼緣的，且梁在受壓區(qū)是配有足夠鋼筋的，所以構(gòu)件在現(xiàn)實(shí)的正常使用情況下其裂縫是不大的。以上兩點(diǎn)均使梁配筋過大，故設(shè)計(jì)時人為弱化梁的剛度及其支座處的配筋，同時將框架梁跨中的鋼筋稍增加 （ 原計(jì)算鋼筋量的 1. 05 -1. 1 倍左右） ,一方面用以控制，降低梁的裂縫。另一方面使建筑體系接近 “強(qiáng)柱弱梁”的模式。
（ 3） 此種 “塔式結(jié)構(gòu)”在地震力的作用下，對建筑物的四角而言 - 角柱會產(chǎn)生極大的扭轉(zhuǎn)并承受較大的剪力，同時也可能受到雙向的彎矩作用，故應(yīng)對角柱對稱放大其配筋率。平面布置中，樓梯間是不應(yīng)布置在首跨中的 - 避免減少樓板及梁對角柱的約束，此外除正常樓面設(shè)置框架梁之外，首跨在窗頂處設(shè)置適量的框架梁，用以減少水平力作用下，角柱在兩個方向的扭轉(zhuǎn)。對所有框架柱而言 -其在豎向力的作用下，通常情況梁受彎大于柱的受彎變形，但在強(qiáng)水平力的作用下，柱所受震害則遠(yuǎn)大于梁所受震害，尤其柱底鋼筋在地震力反復(fù)作用下，混凝土極易剝落，而柱內(nèi)主筋易達(dá)到屈服點(diǎn)，其抗剪強(qiáng)度明顯不足，所以設(shè)計(jì)時人為加大柱的剛度 （ 截面尺寸） 與柱底鋼筋的強(qiáng)度 （ 特別是柱底箍筋的強(qiáng)度） ,使得框架柱在抗震受力時難以出現(xiàn)塑性鉸，使每個框架柱皆具有足夠大的抗剪能力。
（ 4） “塔式結(jié)構(gòu)”中的梁柱設(shè)計(jì)主要依據(jù)彎矩分配法對其內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，對框架梁柱節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)可通過構(gòu)造節(jié)點(diǎn)措施的加強(qiáng)而實(shí)現(xiàn)。用 “反彎點(diǎn)法”對框架在水平荷載作用下進(jìn)行計(jì)算，并應(yīng)該進(jìn)行變形的驗(yàn)算。
4 工程實(shí)例一
2008 年于安達(dá)市設(shè)計(jì)一乳品工業(yè)廠房，主體為門式鋼結(jié)構(gòu)，鋼柱跨度 24m 及 30m 兩種形式。廠房內(nèi)設(shè)高層塔，六層，塔主體總高度為 42. 5m.塔平面設(shè)有大量設(shè)備且多為震動荷載，柱軸壓在 380T -570T 之間，單柱軸壓相差較大，故采用的是深基礎(chǔ)，而且加大承臺的剛度及其埋深。實(shí)際設(shè)計(jì)中采用 600 超流態(tài)鉆孔灌注樁，樁端至少進(jìn)入地質(zhì)報告中的第六層土 （ 粗中砂） 2m 以上，樁長不應(yīng)小于15m,單樁承載力設(shè)計(jì)值不小于 140t.布樁不應(yīng)以平面豎向?qū)Ш蔀橐罁?jù)，考慮水平力對 “塔結(jié)構(gòu)”影響較大，僅僅考慮豎向力其安全性差，故基礎(chǔ)布樁應(yīng)以 SATWE 結(jié)果為準(zhǔn) （ 考慮水平力，所受彎矩較大） ,詳見圖1.樁基礎(chǔ)的剛度較小，決定其抗水平彎矩的能力弱，假若一旦彎矩使塑性鉸出現(xiàn)在柱底 （ 樁頂） 則對整個建筑極其不利。故在該設(shè)計(jì)中“高層塔”的嵌故可認(rèn)為設(shè)置在零米層處，采用設(shè)置且加大零米層處的地基梁，由于工藝要求，零米層處要作 200 ~250mm 厚的建筑地面，結(jié)構(gòu)將其按0. 2% 左右的配筋率雙向雙層構(gòu)造配筋，形成剛性地面，如此可作為建筑物的嵌固端使用，即可調(diào)整其基礎(chǔ)的不均勻沉降，又可使主體形成一種穩(wěn)定的體系，減少柱根處的位移，提升其穩(wěn)定性能，增強(qiáng)建筑物的抗震能力，減少水平力所帶來的隱患，防止主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移，扭轉(zhuǎn)與傾覆。
5 工程實(shí)例二
（ 1） 工程概況； 單層廠房采用 24m 跨門式鋼架，柱頂標(biāo)高 7. 500m,內(nèi)設(shè)辦公區(qū)，沖洗區(qū)，食堂及 “工業(yè)高層塔”.塔總高度為 26. 2m,共 5 層（ 不 含 夾 層 ） . 局 部 樓 層 （ 標(biāo) 高 為 6. 400m,10. 70m） 開設(shè)的洞口較大。部分面荷載為 3 - 7T /m2,線荷載為 2. 5 ~20T/m.
（ 2） 整體計(jì)算； “塔”在整個廠房中占地面積較小，橫縱兩個方向的柱跨數(shù)都不多，所以其建筑物的抗震能力不是很強(qiáng)，故框架柱的截面尺寸設(shè)計(jì)并非 按 其 軸 壓 所 確 定。該 工 程 柱 截 面 尺 寸 取800X800 及 850X850 兩種，而最大軸壓僅為 0. 22.建筑物的抗震分析不是太難，故陣型組合數(shù)值取 12~ 15 即可； 塔內(nèi)的填充墻體不是很多，但層高較高，填充墻內(nèi)每 3 ~5m 設(shè) 200X200 的構(gòu)造柱，墻沿水平方向設(shè)200X300 梁以形成局部框架 （ 但應(yīng)該注意的是； 所新設(shè)的梁與框架柱之間連接設(shè)成鉸接） ,所以在進(jìn)行整體計(jì)算時，結(jié)構(gòu)周期的折減系數(shù)宜取0. 7 ~ 0. 8 之間進(jìn)行驗(yàn)算。此外尚應(yīng)注意的是； 填充墻是不可以采用120 承重砌塊的 （ 此雖非承重結(jié)構(gòu)，但屬于剛性結(jié)構(gòu)） ,因?yàn)槠淇拐鹱冃闻c框架主體相差較大，影響 “塔”整體計(jì)算的結(jié)果。
（ 3） 使結(jié)構(gòu)體系接近 “強(qiáng)柱弱梁”,軟件設(shè)計(jì)中的 “梁設(shè)計(jì)彎矩放大系數(shù)”和 “梁活荷放大系數(shù)”皆不可加大。適當(dāng)減少梁的剛度-因?yàn)檐浖O(shè)計(jì)時的框架梁是不考慮現(xiàn)澆樓板作為梁的受壓翼緣的，此難反應(yīng)梁的真實(shí)性能。盡量減少柱端的梁對框架柱的約束，使在地震時梁端首先出現(xiàn)塑性鉸，可以出現(xiàn)較大的塑性變形 （ 其塑性鉸可出現(xiàn)在梁端，但應(yīng)絕對避免塑性鉸出現(xiàn)在柱底部） ,產(chǎn)生一定的變形，用以耗散地震能量； 800X800 的柱作為下一道抗震防線-體積配箍率不小于 2. 0%,縱向鋼筋含量宜適中，配筋不宜過大，箍筋采用復(fù)合井字箍，形成核芯柱，當(dāng)柱出現(xiàn)彎裂縫，特別是剪切裂縫時，構(gòu)造所形成的核芯柱可以有效的減少柱的壓縮，特別是建筑物中框架柱的截面尺寸皆較大，大部接近于 “短柱”,如此措施可保證柱的外形和截面承載力，使其具有較好的延性，有利于提高其變形能力。
（ 4） 要有目的地加大框架梁柱 （ 特別是底層框架柱） 的剪力設(shè)計(jì)值，防止梁，柱底部在彎矩屈服前出現(xiàn)剪切破壞，實(shí)現(xiàn) “強(qiáng)剪弱彎”,滿足各構(gòu)件的延性，增加其塑性變形能力，防止其脆性破壞。尤其建筑體系中的角柱，易受雙向地震力的作用，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對內(nèi)力影響較大，震害相對嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)中 -內(nèi)力計(jì)算按兩個主軸方向分別考慮地震的作用。彎矩設(shè)計(jì)值，尤其是剪力設(shè)計(jì)值予以適當(dāng)?shù)募哟蟆?/p>
（ 5） 高層工業(yè)塔中部分設(shè)備是貫通幾個樓層的，不僅每個樓層所受荷載相差過大，而且部分樓層板所開設(shè)的洞口也過大，單個層高之間亦不相同。如此在強(qiáng)水平力 （ 地震力） 作用下，整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)位移剛度嚴(yán)重不規(guī)則，宜于某層產(chǎn)生較大的強(qiáng)行位移，形成薄弱層 （ 剛度變化不符合高規(guī)3. 5. 2 條要求的樓層； 承載力不符合高規(guī) 3. 5. 3 條要求的樓層） ,威脅整個建筑物的抗震能力，故在每層剛度調(diào)整中，層與層上下間的剛度差不宜大于30% ,同時在軟件分析中，可人為將 “認(rèn)為” 是薄弱層的樓層的地震剪力放大 1. 15 倍，同時對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)塑性變形驗(yàn)算。所得數(shù)據(jù)滿足 （ 抗規(guī)）中 3. 4 章 （ 建筑設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性） 的各項(xiàng)要求。另外在軟件的整體計(jì)算中應(yīng)步入樓梯，從設(shè)計(jì)上可考慮減少樓梯剛度對整體結(jié)構(gòu)的影響。樓梯不宜作成折梁或折板，避免其在地震作用下產(chǎn)生的拉、壓力對框架柱造成影響。
（ 6） 框架梁及所受荷載較大的環(huán)形梁 （ 線荷20T / m） 截面寬度不宜小于 400mm,配置 4 肢箍筋，次梁的截面尺寸也不宜小于 300mm,適當(dāng)?shù)募哟罅嚎缰械挠?jì)算鋼筋 （ 1. 1 ~ 1. 15 倍） ,同時相應(yīng)減少梁支座處的鋼筋含量，配置抗拉強(qiáng)度高的鋼筋，提高混凝土的標(biāo)號 （ 不小 C40） ,使得框架梁在抗震設(shè)計(jì)中達(dá)到 “強(qiáng)剪弱彎”的效果。部分梁柱平面圖詳見圖 2.
（ 7） 在本設(shè)計(jì)中，各構(gòu)件 （ 框架梁柱，特別是底層框架柱） 的剛度及配筋都較大。故難以實(shí)現(xiàn) “強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的結(jié)構(gòu)體系。但節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是保證框架承載力和抗倒塌能力的關(guān)鍵部位，其受力復(fù)雜，易發(fā)生非延性破壞，引起與節(jié)點(diǎn)相連接的各構(gòu)件破壞，所以在設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)區(qū)通過構(gòu)造措施有所加強(qiáng) （ 具體表現(xiàn)在梁柱鋼筋的相互錨固） ,并按三級抗震等級進(jìn)行抗震受剪承載力的驗(yàn)算。注明；其節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力的驗(yàn)算并非 （ 高規(guī)） 規(guī)定，而應(yīng)按 （ 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范） GB50010 的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。規(guī)范對頂層和中間層節(jié)點(diǎn)核心區(qū)取值是按不同計(jì)算公式的。軟件分析結(jié)構(gòu) “高層塔”框架梁柱中間層節(jié)點(diǎn)，頂層節(jié)點(diǎn)在地震力，風(fēng)荷載等水平力反復(fù)作用下，都會產(chǎn)生位移，造成梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)鋼筋發(fā)生滑移現(xiàn)象。分析結(jié)構(gòu)表明，頂層節(jié)點(diǎn)的延性需求比中間層節(jié)點(diǎn)較小； 頂層的震害比其他樓層的震害要輕，故中間層梁柱節(jié)點(diǎn)處梁內(nèi)上部鋼筋的錨入柱內(nèi)應(yīng)有所加大。
6 結(jié)束語
綜上所述，就是通過近幾年的兩個親自參與的工程實(shí)例與相應(yīng)規(guī)范要求，得出的作為工業(yè)廠房中的 “塔式結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)及構(gòu)造的一些體會，可供同行參考。
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