多層工業(yè)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題

摘要：本文從建筑結(jié)構(gòu)體系、柱網(wǎng)布置、支撐體系、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等方面，介紹了多層工業(yè)廠(chǎng)房的特點(diǎn)，提出了多層工業(yè)廠(chǎng)房的計(jì)算與設(shè)計(jì)要求。分析多層工業(yè)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)計(jì)算中應(yīng)注意的問(wèn)題，指出結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要性。

關(guān)鍵詞：多層工業(yè)廠(chǎng)房 結(jié)構(gòu)體系 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

隨著我國(guó)十一五規(guī)劃的完成，中國(guó)經(jīng)濟(jì)在全球領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色。工業(yè)生產(chǎn)也隨之不斷的改進(jìn)提升，工藝流程布局的復(fù)雜化，對(duì)于以前生產(chǎn)功能單一，建筑布局簡(jiǎn)單的工業(yè)廠(chǎng)房是一次革命性的改變；與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)的推廣普及，結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的集成化、簡(jiǎn)明化，解決了復(fù)雜繁瑣的結(jié)構(gòu)計(jì)算問(wèn)題。從而應(yīng)運(yùn)而生了大跨度、大空間、建筑布局復(fù)雜的多層甚至高層生產(chǎn)性工業(yè)建筑，在這樣的高速發(fā)展的背景下，建筑結(jié)構(gòu)布局及設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選用，就在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占到了舉足輕重的位置。

1 多層工業(yè)廠(chǎng)房的特點(diǎn)

1.1 平面結(jié)構(gòu)布置和柱網(wǎng)布置 多層工業(yè)廠(chǎng)房在平面布置中，通常為了滿(mǎn)足工藝要求，使結(jié)構(gòu)布局不規(guī)整，柱網(wǎng)不規(guī)則，布梁不整齊，甚至有工藝要求在主受力構(gòu)件上開(kāi)孔的現(xiàn)象。同時(shí)廠(chǎng)房?jī)?nèi)部一般空間較大，柱距多為6~12m，局部有抽柱設(shè)計(jì)的，柱距會(huì)增大到18m以上。這使得結(jié)構(gòu)傳力復(fù)雜，受力不明確，設(shè)計(jì)中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1.2 豎向結(jié)構(gòu)布置和層高 多層工業(yè)廠(chǎng)房的層高較大，能達(dá)到4~8m，且豎向布置經(jīng)常出現(xiàn)錯(cuò)層、夾層，樓板開(kāi)大洞，這使得樓板無(wú)法提供足夠的平面內(nèi)剛度，結(jié)構(gòu)有效質(zhì)量沿豎向分布不均勻。在地震作用下，結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生“短柱效應(yīng)”，使得局部柱段水平剪力成為截面設(shè)計(jì)的控制因素。

1.3 各種類(lèi)型的荷載 工業(yè)廠(chǎng)房的集中荷載主要包括設(shè)備自重，有時(shí)還需要考慮設(shè)備的震動(dòng)擾力，根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。懸掛荷載主要包括管道荷載，吊車(chē)荷載，有時(shí)管道還產(chǎn)生水平荷載及彎矩。板面荷載主要根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，在不同的生產(chǎn)樓地面有不同的活荷載取值，但這種活荷載一般均大于民用建筑中的活荷載。

1.4 樓面及基礎(chǔ)形式 工業(yè)廠(chǎng)房樓面一般采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓面，但由于工藝所提設(shè)備荷載要求，樓板或出現(xiàn)開(kāi)洞，或出現(xiàn)局部厚度變化。廠(chǎng)房的基礎(chǔ)形式多采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，柱下條形基礎(chǔ)，若地基承載力低，可采用灰土擠密樁、砂樁等方法處理，亦可采用灌注樁，直接作用在堅(jiān)硬的土層上面。

1.5 輕型圍護(hù)結(jié)構(gòu) 工業(yè)廠(chǎng)房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般不作為承重體系，通常采用輕質(zhì)材料，屋蓋結(jié)構(gòu)多采用鋼桁架檁條體系加鋪輕質(zhì)保溫層。此種輕型圍護(hù)材料有利于減輕結(jié)構(gòu)自重，減少地震反應(yīng)。

2 多層工業(yè)廠(chǎng)房的結(jié)構(gòu)體系

2.1 框—排架結(jié)構(gòu)體系 此種結(jié)構(gòu)體系廠(chǎng)房橫向?yàn)閯偨涌蚣芙Y(jié)構(gòu)，縱向?yàn)榕偶芙Y(jié)構(gòu)，縱向設(shè)置柱間支撐抵抗水平荷載。這種結(jié)構(gòu)形式的廠(chǎng)房橫向較短，縱向較長(zhǎng)，并采用設(shè)置結(jié)構(gòu)縫的方式，增大廠(chǎng)房的縱向長(zhǎng)度，但柱間支撐可能會(huì)對(duì)工藝的布置造成影響。

2.2 純框架體系 把廠(chǎng)房縱橫向兩個(gè)方向都設(shè)計(jì)成剛接框架，不設(shè)置柱間支撐。這種結(jié)構(gòu)形式的使用空間不受影響，但柱子在兩個(gè)方向的截面慣性矩要求基本相同（如箱型柱），增大了鋼材用量。

2.3 鋼架加支撐的混合體系 鋼架加支撐的混合體系不同于第一種形式，它將縱向設(shè)計(jì)成鋼架和支撐混合的形式，憑借混合支撐來(lái)抵御水平力。這種形式能避免柱的縱向彎矩，但樓面的剛度必須符合設(shè)計(jì)要求，否側(cè)柱子間會(huì)出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的變形，柱子的支撐的作用也會(huì)受到影響。

3 多層工業(yè)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

多層工業(yè)建筑和多高層民用建筑之間的結(jié)構(gòu)形式、荷載都各有其特點(diǎn)，它的跨度大，層高高，樓板較厚，內(nèi)隔墻少，存在吊車(chē)荷載，在使用軟件進(jìn)行空間分析時(shí)，有些問(wèn)題需加以注意。

3.1 平面、豎向布置規(guī)則，避免突變 多層工業(yè)廠(chǎng)房因?yàn)楣に嚥贾玫囊螅臻g的跨度較大，一般都采用框架式的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)的安排最好使柱網(wǎng)均勻、對(duì)稱(chēng)，為減小房屋的空間扭轉(zhuǎn)作用，房屋的剛度中心應(yīng)該近似于質(zhì)量中心。結(jié)構(gòu)體系盡量規(guī)則、簡(jiǎn)捷，能夠明確傳力。設(shè)置結(jié)構(gòu)體系時(shí)，注意防止變形突變的收縮和凹角、應(yīng)力集中，豎向變化不應(yīng)過(guò)于內(nèi)收或外挑，盡量沿豎向的剛度少突變，甚至不突變。

3.2 合理布置支撐系統(tǒng) 在地震烈度較高，設(shè)備荷載較大時(shí)，為了減少水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，控制結(jié)構(gòu)位移，優(yōu)化柱截面，可以協(xié)調(diào)工藝對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐系統(tǒng)的布置。支撐可以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度，增加穩(wěn)定性，增強(qiáng)廠(chǎng)房的整體穩(wěn)定性和空間剛度，把一些水平荷載傳遞到柱等主要承重構(gòu)件。

3.3 宜控制框架橫向與縱向的周期相近 由于多層廠(chǎng)房跨度、尺寸都不小，柱子不多；但柱距方向尺寸很小，柱子多。正常情況下都采取橫向控制的辦法，使橫向和縱向之間的抗震能力基本持平，不但設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，也保證了抗震效果。

3.4 多層吊車(chē)的近似計(jì)算 多層廠(chǎng)房都設(shè)有多層多臺(tái)吊車(chē)，以目前的技術(shù)，我們無(wú)法通過(guò)計(jì)算軟件對(duì)多層吊車(chē)進(jìn)行計(jì)算，這就要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)來(lái)彌補(bǔ)。設(shè)計(jì)中，將一層吊車(chē)作為吊車(chē)荷載輸入，將其余層的吊車(chē)荷載作為活荷載考慮。

3.5 設(shè)置合理的破壞機(jī)制 地震等地質(zhì)災(zāi)害會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不同程度的破壞，損失程度的輕重要視破壞程度而定，所以，優(yōu)化破壞次序，防止結(jié)構(gòu)因破壞程度加深而造成更嚴(yán)重的損失便成了結(jié)構(gòu)工程師的主要工作內(nèi)容。在這一規(guī)程中，工程師應(yīng)該把握一個(gè)工作原則：避免結(jié)構(gòu)整體先于結(jié)構(gòu)部分的破壞。工作內(nèi)容主要有：一是強(qiáng)柱弱梁，也就是避免柱子的破壞先于梁的破壞，整個(gè)結(jié)構(gòu)是否牢固關(guān)鍵在于柱子是否牢固；二是強(qiáng)節(jié)弱桿，避免節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的破壞先于構(gòu)件的破壞，節(jié)點(diǎn)與大部分構(gòu)件緊密相關(guān)，所以要保證節(jié)點(diǎn)完好；三是強(qiáng)剪弱彎，剪切破壞發(fā)生的比較突然，且無(wú)法提前做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，而彎曲破壞有一個(gè)曲線(xiàn)的變化，往往可以提前預(yù)知危險(xiǎn)，這就能有效防止破壞進(jìn)一步蔓延。

3.6 裂縫寬度、罕遇地震的驗(yàn)算 裂縫寬度的驗(yàn)算是為了滿(mǎn)足正常使用狀態(tài)的要求，規(guī)范規(guī)定鋼筋混凝土構(gòu)件在室內(nèi)一類(lèi)環(huán)境下，裂縫寬度不應(yīng)大于0.3mm。若計(jì)算不滿(mǎn)足，在不增加配筋面積的情況下，可通過(guò)減小鋼筋直徑，增加鋼筋根數(shù)來(lái)調(diào)整試算；如仍不滿(mǎn)足要求，可加大配筋面積或者修改構(gòu)件截面尺寸再試算。

規(guī)范規(guī)定抗震設(shè)防三個(gè)水準(zhǔn)目標(biāo)，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。采用二階段設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)，第一階段承載力驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)視為彈性體系，用彈性反應(yīng)譜進(jìn)行彈性分析，同時(shí)通過(guò)非抗震構(gòu)件設(shè)計(jì)可靠性水準(zhǔn)的提高，實(shí)現(xiàn)第一、二水準(zhǔn)的設(shè)防要求。第二階段是彈塑性變形驗(yàn)算，對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性層間變形驗(yàn)算并采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，實(shí)現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。對(duì)于大多數(shù)的結(jié)構(gòu)，可只進(jìn)行第一階段設(shè)計(jì)，而通過(guò)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施來(lái)滿(mǎn)足第三水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。但多層廠(chǎng)房的設(shè)備投資經(jīng)常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土建投資，罕遇地震的驗(yàn)算在廠(chǎng)房設(shè)計(jì)中就顯得尤為關(guān)鍵。

3.7 非結(jié)構(gòu)部件的處理 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件指的是隔墻、圍護(hù)墻、女兒墻等非主要承重和承力部件，雖然不屬于主體結(jié)構(gòu)的一部分，但在地震期間卻能夠改變主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震中的受力狀態(tài)及分布規(guī)律。所以，非結(jié)構(gòu)部件的處理對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)整體抗震能力意義重大。因此，首先，或者讓非結(jié)構(gòu)部件成為抗震結(jié)構(gòu)整體的一部分或者讓非結(jié)構(gòu)部件與抗震結(jié)構(gòu)整體不發(fā)生任何關(guān)系；其次，裝飾物與結(jié)構(gòu)整體的連接要可靠；再次，隔墻、圍護(hù)墻要避免對(duì)結(jié)構(gòu)抗震帶來(lái)的不利影響，其豎向連接要均勻，在平面上的分布要均勻?qū)ΨQ(chēng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于多層工業(yè)建筑的特殊性，必須對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行全面的分析比較。柱的軸壓比，剪重比，剛重比，振型周期都要求符合規(guī)范，綜上所述，做好多層工業(yè)廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：概念應(yīng)清楚，結(jié)構(gòu)選型應(yīng)做到合理；設(shè)計(jì)應(yīng)與施工相結(jié)合，避免施工困難；結(jié)構(gòu)計(jì)算要準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)中應(yīng)反復(fù)試算，調(diào)整截面，以達(dá)到安全和經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn)。

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