潘超

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陜西西安 710055）

0 引言

單跨框架結(jié)構(gòu)指結(jié)構(gòu)的某個(gè)主軸方向均為單跨， 如圖1 所示。 此種結(jié)構(gòu)，僅靠單跨方向的2 根柱子承擔(dān)，沒(méi)有多余約束，只要1 根柱出現(xiàn)破壞，結(jié)構(gòu)就會(huì)倒塌，抗震性能較差。 但由于布置形式簡(jiǎn)單，在我國(guó)早期中小學(xué)校舍中應(yīng)用較多。 根據(jù)實(shí)際震害表現(xiàn)來(lái)看，由于抗側(cè)剛度小，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)少，耗能能力弱，結(jié)構(gòu)冗余度小，不能形成多道抗震防線，在罕遇地震作用下，一旦框架梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)塑性鉸，則整個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)倒塌的可能性很大[1-3]。故在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[GB50011—2010（2016 版）]中規(guī)定，當(dāng)建筑類別為甲、乙類，丙類建筑高度＞24m 時(shí)，是不能采用單跨框架結(jié)構(gòu)的。 當(dāng)丙類建筑高度≤24m 時(shí)，不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)[4]。但是結(jié)構(gòu)中一個(gè)主軸上如果只有局部某個(gè)軸線是單跨，其余均為多跨，即有3 根以上框架柱，并且另一主軸為多跨框架，此種結(jié)構(gòu)不同于單跨框架結(jié)構(gòu)，只是局部沒(méi)有多余約束，并不影響整體結(jié)構(gòu)安全，可同單跨框架結(jié)構(gòu)作區(qū)分，認(rèn)為是單跨框架，只需對(duì)局部單跨框架部分做加強(qiáng)構(gòu)造處理。 單跨框架如圖2 所示，不作為本次討論對(duì)象。

圖1 單跨框架結(jié)構(gòu)

圖2 單跨框架

震害表明，單跨框架結(jié)構(gòu)由于缺少必要的冗余度，地震破壞嚴(yán)重。因此，實(shí)際工程應(yīng)盡量避免采用單跨框架結(jié)構(gòu)。但是在工業(yè)建筑中，由于特殊的工藝要求，單跨框架結(jié)構(gòu)不可避免，如引風(fēng)機(jī)房的引風(fēng)機(jī)管道支架、某些工業(yè)廠房的附屬用房、煤化工解熱裝置的附屬構(gòu)架等。 因此，從抗震概念設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，尋找超靜定次數(shù)大、冗余度多的解決方案尤為重要。 目前文獻(xiàn)研究有兩種方案，一是加強(qiáng)抗震和抗震構(gòu)造。 此種方法可以提高延性和抗震性能，但是無(wú)法解決無(wú)多余約束、結(jié)構(gòu)冗余度少的問(wèn)題[5]。 二是對(duì)已有的單跨框架結(jié)構(gòu)通過(guò)增設(shè)鋼柱的方式進(jìn)行加固，主要針對(duì)早期建造的中小學(xué)校舍[6]。 對(duì)工業(yè)建筑單跨框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案分析的較少。 本文針對(duì)單跨框架結(jié)構(gòu)增設(shè)鋼支撐或短墻，采用工程中容易操作和接受的PKPM 軟件建立模型進(jìn)行計(jì)算，并提出較為合理的方案，可為實(shí)際工程提供參考。

1 工程概況

某引風(fēng)機(jī)房支架為單跨框架結(jié)構(gòu)， 位于陜西榆林某工業(yè)園區(qū)。根據(jù)詳細(xì)地勘，得知該地區(qū)設(shè)防烈度6 度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別Ⅲ類。 引風(fēng)機(jī)房支架為6 層，高度25.05m，主要為引風(fēng)機(jī)房的管道提供支撐。 經(jīng)PKPM 建立的模型如圖3 所示。 引風(fēng)機(jī)管道荷載按上游專業(yè)所提荷載輸入。

圖3 單跨框架結(jié)構(gòu)

2 方案計(jì)算

本次計(jì)算作如下假定：

（1） 由于考察整體控制指標(biāo)，故全樓取樓板剛性假定；

（2） 工業(yè)荷載布置的特殊性會(huì)引起樓層承載力突變、抗側(cè)剛度不規(guī)則，計(jì)算地震作用時(shí)考慮選取雙向地震作用。

2.1 方案一：框架結(jié)構(gòu)

不增加任何措施的純單跨框架結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。 經(jīng)過(guò)PKPM 建模計(jì)算，其各項(xiàng)指標(biāo)如表1 所示。

表1 框架結(jié)構(gòu)指標(biāo)表

2.2 方案二：框架柱設(shè)置短墻

框架柱設(shè)置短墻有別于框架-剪力墻。 增設(shè)短墻的目的是為了增強(qiáng)框架柱在單跨方向的受力， 因此體系上仍屬于框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)抗震規(guī)范要求，短墻體厚度取200mm。 當(dāng)豎向受力構(gòu)件長(zhǎng)寬比小于4 時(shí)，認(rèn)為是柱，當(dāng)不小于4 時(shí)，可認(rèn)為是墻，故本次假定在單跨方向設(shè)置的短墻尺寸為200mm×600mm，如圖4 所示。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，因此結(jié)構(gòu)體系仍為框架，框架柱和短墻沒(méi)有第一、第二道防線之分。 柱和剪力墻的抗震等級(jí)按框架結(jié)構(gòu)處理，類似于抗震規(guī)范中所規(guī)定的有少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)。 框架采用了包絡(luò)設(shè)計(jì)，對(duì)剪力墻按構(gòu)造要求配置。 抗震等級(jí)均按框架結(jié)構(gòu)處理，最大彈性層間位移角應(yīng)滿足≥1/550 的要求。經(jīng)過(guò)PKPM 建模計(jì)算，短墻-框架結(jié)構(gòu)指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖4 短墻-單跨框架結(jié)構(gòu)

表2 短墻-框架結(jié)構(gòu)指標(biāo)表

2.3 方案三：設(shè)置支撐

按照抗震規(guī)范對(duì)中心支撐的要求， 鋼支撐材質(zhì)選為Q235B。無(wú)論支撐形式為人字撐或交叉撐，設(shè)計(jì)時(shí)均按壓桿計(jì)算，長(zhǎng)細(xì)比限制值取120。 經(jīng)計(jì)算，本文單跨方向設(shè)置HW300×300×10×15 的鋼支撐，強(qiáng)軸方向?yàn)槠矫嫱狻?現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際放樣，在需設(shè)置鋼支撐的部位進(jìn)行預(yù)埋件設(shè)計(jì)，預(yù)埋件與鋼支撐翼緣采用單面坡口焊，與鋼支撐腹板采用雙面角焊，焊縫高度應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定，并滿足構(gòu)造要求。 在模型計(jì)算中，假定鋼支撐兩端與框架柱連接形式為鉸接，如圖5 所示。 按照多道防線的概念設(shè)計(jì)，鋼支撐框架類似于框架-剪力墻中的剪力墻，支撐作為抗震第一道防線，框架柱作為抗震第二道防線， 地震作用全部由支撐的抗側(cè)剛度承擔(dān)，框架柱可承擔(dān)小部分地震作用。 進(jìn)行計(jì)算時(shí)，按框架-剪力墻處理，框架部分抗震等級(jí)按框架結(jié)構(gòu)情況確定，鋼支撐的抗震等級(jí)在確定的框架抗震等級(jí)上提高一級(jí)。 最大彈性層間位移角應(yīng)滿足≥1/800 的要求。 經(jīng)過(guò)PKPM 建模計(jì)算，鋼支撐-框架結(jié)構(gòu)指標(biāo)見(jiàn)表3。

圖5 鋼支撐-單跨框架結(jié)構(gòu)

表3 鋼支撐-框架結(jié)構(gòu)指標(biāo)表

3 方案比較分析

方案一、二、三中結(jié)構(gòu)的自振周期（s）均不同，即增設(shè)短墻和鋼支撐后，改變了結(jié)構(gòu)本身自振周期。 由于結(jié)構(gòu)多跨方向沒(méi)作改變，故多跨方向（X 方向）最大層間位移角三個(gè)數(shù)值均相同。 單跨方向（Y 方向）最大層間位移角分別為1/1415、1/2954、1/3585，由此可見(jiàn)，增設(shè)短墻和鋼支撐均可有效減小側(cè)向位移、提高側(cè)向剛度。 方案一想要獲得與其他方案相同的效果，需增大框架柱截面。但單方面增大柱截面不僅滿足不了經(jīng)濟(jì)方面要求， 還會(huì)造成浪費(fèi)，減少有效利用面積，影響使用效果。 另外，也不符合在高烈度地區(qū)低承載力、高延性的抗震設(shè)計(jì)理念。

表4 為單跨方向地震工況下的傾覆力矩。 由表4 可知，在Y方向，即結(jié)構(gòu)的單跨方向，鋼支撐傾覆力矩占到80%以上，故鋼支撐可作為結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，框架柱可作為第二道防線。 因此，在方案三中，鋼支撐作為主要抗側(cè)力構(gòu)件，受力機(jī)理明確。 方案二在結(jié)構(gòu)體系上仍屬于框架結(jié)構(gòu)，短墻和框架柱協(xié)同工作具有不明確性，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中難以把握，沒(méi)有多道抗震設(shè)防的概念。 在方案三中，鋼支撐作為耗能構(gòu)件，吸收了地震作用時(shí)橫向波傳來(lái)的能量，減小了地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)整體的進(jìn)一步破壞，是一個(gè)抗震性能較好的結(jié)構(gòu)體系。 如果在設(shè)計(jì)中有更高的抗震要求，也可將此鋼支撐設(shè)計(jì)為屈曲約束支撐或消能器，利用消能器提供的附加阻尼減小地震作用。

表4 單跨方向地震工況下的傾覆力矩（單位kN·m）

方案二的布置有一定的局限性， 在柱單跨方向布置短墻時(shí)，空間受到一定限制，影響了結(jié)構(gòu)的使用品質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1） 和民用建筑相比，工業(yè)建筑荷載布置更為特殊。 當(dāng)采用單跨結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采取必要的措施以彌補(bǔ)布置上的不規(guī)則。 同時(shí)，提高結(jié)構(gòu)的冗余度、結(jié)構(gòu)延性，保證工程具有良好的結(jié)構(gòu)性能。

（2） 增設(shè)鋼支撐或短墻均可有效提高框架結(jié)構(gòu)單跨方向的抗側(cè)剛度、側(cè)向位移。

（3） 鋼支撐-框架結(jié)構(gòu)形式不僅解決了單跨框架結(jié)構(gòu)冗余度少的問(wèn)題，而且較大幅度地提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能，減小了結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移，符合抗震設(shè)計(jì)中多道防線的設(shè)計(jì)理念，受力明確，相比增設(shè)短墻更有優(yōu)勢(shì)。