高震區結構分析及優化設計建議

高震區結構分析及優化設計建議

Suggestions on Structure Analysis and Optimization Design in High Intensity Seismic Zone

李紅雨

針對處于高震區的工業建筑，本文從結構體系、計算及構造、概念設計等方面著手，以保證工程的合理安全性為前提，以努力實現其經濟性為目的，提出了一些結構分析及優化設計的建議。

工業建筑；高震區；結構體系；優化設計；經濟性

隨著總承包及涉外工程項目的增多，在高震區建設工業廠房的概率也越來越大，本文從結構體系、計算及構造、概念設計等方面著手，以保證工程的合理安全性為前提，以努力實現其經濟性為目的，對處于高震區的工業建筑，提出了一些結構分析及優化設計的建議，以供同仁參考。

1 結構體系的選擇

在高震區環境下，結構物承受大的橫向作用的途徑只有兩種，要么以柔克剛，要么以剛治剛。對于鋼結構而言，其自身高強、輕巧的特性決定了其在高震區結構有更廣泛的利用空間，更能實現以柔克剛的目的。除為滿足特殊生產需要外，對于一些生產布局簡單、設備小型化的生產車間而言，鋼結構形式（鋼框架結構，鋼框架-支撐結構）都不失為一個很好的選擇，能很好地實現節省工程造價、縮短工期的目的，如轉運站結構、儲料堆棚、帶吊車的框排架結構等都可以采用。

對于大型車間尤其是帶有重型設備的車間或者是其他因為生產需要的，如有防火等需求的車間等，混凝土結構尤其是框架結構的選擇將是不可避免的，當然在工業建筑中混凝土結構以其廣闊的適應性、后期的無需維護性一直以來被廣泛采用。在高震區下，混凝土結構由于自身較大的自重會產生更大的橫向作用，結構自身的承載能力會被自重部分抵消，有效承載能力有所降低，因此在設計混凝土結構時我們需根據結構的受力特性盡量避免肥梁胖柱，實現結構的輕巧化以減輕自重，從而降低地震作用，降低造價。

結構體系的選擇也直接受抗震規范的約束：規范給出了現澆鋼筋混凝土房屋的結構類型和最大高度，見表1。

可以看出，在9度地區，框架結構的適應高度只到24m，超過此高度的結構或者是平面和豎向均不規則的結構在＜24m的情況下就應采用框架-抗震墻結構等其他結構形式或鋼結構。具體采用何種結構，應視情況而定。

同樣，規范也指出了鋼結構民用房屋的結構類型和最大高度，見表2。

對于工業建筑鋼結構中的框架、支撐框架、框排架等結構體系的多層廠房的結構類型和最大高度表1仍是適用的，但其抗震等級的高度分界較規范相應規定（第8.1.3條）降低了10m。

表1 現澆鋼筋混凝土房屋的結構類型和最大高度

在工業建筑中，上層為鋼結構下層為鋼筋混凝土結構的混合型結構因很好地滿足生產需要的適應性也經常出現（如下部為砼框架上部為門式鋼架，下部為砼框架上部為鋼倉，

當然下部為砼框架上部為大型收塵器的此種形式也可以劃歸此類）。它綜合了兩種材料的結構形式，在抗震分析中是有其特殊性的，如阻尼比、周期等方面。規范中對于此種情況也有明確的規定：突出屋面的小建筑，一般按其重力荷載小于標準層1/ 3控制，對于頂層帶有空曠大房間或輕鋼結構的房屋，不宜視為突出的小屋并采用底部剪力法乘以增大系數的辦法計算地震作用，而應視為結構體系的一部分，用振型分解法等計算。可見對于此種結構形式，整體建模方式是其分析的最佳途徑。其次抗震分析中結構自身的動力特性對計算結果有著直接影響，需要認真對待，如阻尼比、結構周期等，它們對結構的影響（包括以上提到的混凝土和鋼結構）體現在地震影響系數上（見圖1），而這一系數直接決定著地震作用的大小。

表2 鋼結構民用房屋的結構類型和最大高度

結構的阻尼可以消耗和吸收地震能量，阻尼越大，地震影響系數越小，對于阻尼比0.02的鋼結構和阻尼比0.05的鋼筋混凝土結構，鋼結構的地震影響系數值，在Tj＜Tg時，其值比鋼筋混凝土結構約增大20%～30%；在長周期Tj＞5Tg時，仍約增大20%。

對于阻尼比的取值，規范給出了各種結構形式的相應阻尼比，見表3。

除此外，規范還規定：

對于單層鋼結構廠房的阻尼比，可依據屋蓋和圍護墻的類型，取0.045～0.05。

對于多層鋼結構廠房，在多遇地震下，結構阻尼比可采用0.03～0.04；在罕遇地震下，阻尼比可采用0.05。

對于大跨屋蓋建筑，屋蓋鋼結構和下部支承結構協同分析時，阻尼比應符合下列規定：

當下部支承結構為鋼結構或屋蓋直接支承在地面時，阻尼比可取0.02。

當下部支承結構為混凝土結構時，阻尼比可取0.025～0.035。

因此，對于上層為鋼結構下層為鋼筋混凝土的混合型結構，應整體協同分析，其阻尼比與上部和下部結構的組成比例有關，規范根據位能等效原則提出兩種計算整體結構阻尼比的方法：

（1）振型阻尼比法

根據各階振型下的單元變形能，采用加權平均的方法計算出振型阻尼比。

（2）統一阻尼比法

要充分重視大型風機、動態選粉機等處于框架上的動力設備，因為動力設備自身的運轉是有一定頻率的，對于運轉速率較慢的設備，其周期較長，有可能與結構的主要振型周期相

圖1 地震影響系數

表3 各種結構形式的相應阻尼比

兩種方法對于實際工程阻尼比的獲得有一定的操作難度，建議實際分析時可以根據上下兩種結構的體量占比，結合規范對各結構形式阻尼比的規定，采用內插法的方式確定混合結構的阻尼比。

另一對結構產生重要影響的因素是結構的自振周期Tj，其合理取值直接影響地震作用的大小，對于結構剛度的調節也是通過這一因素加以體現，從而為實現結構的優化提供有利途徑：在Tj＜Tg情況下，結構受的地震作用是最大的（Tj＜0.1s此階段結構基本處于剛體階段，不做考慮）；在Tj＞Tg情況下，隨著周期的增長，結構所受的地震作用是經歷（Tg＜T＜5Tg；5Tg＜T＜6s）兩階段在逐漸減小，當然這種減小不是不受限制的，為了保證結構的安全，抗震規范規定了結構的最小剪重比，對最小地震力有限值要求。可見調整結構的剛度改變結構周期，能減小地震作用，實現結構的合理優化。

同或相近，此種狀態對于結構與設備而言都是很危險的，對結構與設備的作用力都有放大的可能。因此，應盡可能調整結構的自振周期，避開設備的運轉周期區間，或在條件允許情況下調節設備的運轉速率到結構的自振周期區間之外，以避免引發共振。

2 合理施加荷載

對結構分析、造價影響最大的還是結構所受荷載（常規的恒、活樓面荷載、屋面荷載、積灰荷載、設備荷載、設備運轉動荷載、堵料事故荷載、倉載、偶然荷載等），尤其是在抗震設計計算直接影響結構的重力荷載代表值的取得，從而決定地震作用的大小，因此荷載的正確有效施加在高烈度工況下對結構的合理優化顯得越發重要。

計算地震作用時，建筑的重力荷載代表值應取結構和構配件自重標準值和各可變荷載組合值之和，抗震規范規定了各可變荷載的組合值系數，見表4。

另外規范也規定：在確定重力荷載代表值時，可變荷載應根據行業的特點，對樓面活荷載、樓面檢修荷載、成品或原料堆積樓面荷載、設備和料斗及管道內的物料等采用相應的組合值系數，貯料的荷載組合值系數可采用0.9。

除此外《構筑物抗震設計規范》對此也有部分規定可供借鑒，其規定構筑物的重力荷載代表值應取結構構件、內襯和固定設備自重標準值和可變荷載組合值之和，可變荷載的組合值系數見表5。

《水泥工廠設計規范》也給出了地震作用時部分可變荷載的組合值系數，見表6。

綜上所述，在抗震分析中，荷載施加過程中有以下幾點需要注意：

（1）對于屋面活荷載（用作樓面用途的屋面除外）其組合值系數為0，不需要考慮，這對具有很大覆蓋面積的屋面（如儲棚結構，大型框架結構的屋面等）的地震作用的降低有很大影響，需要引起注意。

（2）當確有根據時，樓屋活荷載可根據實際情況（樓面面積較大、活荷載有排它性不同時出現等），選用較小的組合值系數，以減小地震作用，達到優化的目的。

（3）對于在水泥廠中有吊車的車間，其吊車大部分用于檢修吊裝，工作頻率很低，大都為吊車工作級別處于A1～A5的軟鉤吊車，因此在地震分析中其荷載不參與組合。

（4）對于空曠的轉運站、廠前區的辦公樓、設備較少的結構或者樓層面積較大從而匯聚很大的樓面活荷載而設備荷載占比又較少的結構，可以參照荷載規范對活荷載按樓層折減，其樓層折減系數見表7。

對于有設備的車間，以上系數可供借鑒，并可根據設備荷載所占總荷載比重做出調整，合理優化結構墻、柱、基礎的結構設計。

表4 可變荷載的組合值系數*

表5 可變荷載的組合值系數

表6 地震作用時部分可變荷載的組合值系數

表7 樓層折減系數*

（5）在工業建筑中，設備荷載占有很大的比例，因此其荷載的合理施加對高震區結構有至關重要的影響。設備荷載通常包括自重、運行時產生的活荷載、動力設備產生的動力荷載（目前這一荷載通常采用靜力荷載乘以動力系數的擬靜法加以處理）、事故時產生的堵料等意外荷載等，規范對于設備荷載的地震作用時的組合值系數0.8，指的應是設備活

荷載，當然設備自重按恒載的組合值系數1.0考慮，其動力系數附加部分作為非有效質量是不應考慮進地震作用組合的。另外，地震作用為小概率事件與堵料意外荷載同時發生的概率微乎其微，因此將堵料等意外荷載工況不列入地震作用工況下同時分析是合理的。

由于樓面活荷載的組合值系數為0.5，而設備荷載的組合值系數為0.8，但現有計算程序無法區分樓面荷載的性質，也無法嚴格區分實際屋面與計算頂層的關系，而統一將結構計算的最頂層作為屋面考慮，這就給規范的嚴格執行留了漏洞。對于此種情況，建議根據設備荷載達到總荷載的占比在0.5～0.8之間采用內插的方法確定兩者的綜合組合值系數進行抗震分析。

鑒于荷載問題的多樣性，建議在結構分析中采用兩步甚至多步分析法，即考慮非地震作用下結構最不利工況的靜力分析，再采用相同模型考慮合理的荷載組合工況下的地震作用分析，對各構件取兩種情況分析下的包絡值作為設計結果采用。

以收塵器為例，設備荷載包括設備自重及設備正常運轉時的活荷載、設備發生事故時堵料的荷載，可以建立兩個相同模型來進行分析。一個模型用于考慮除地震作用外的其他各種工況，另一個模型用于考慮地震作用分析，兩個模型分別輸入相應荷載工況。對于前一種模型可以考慮堵料等意外荷載等最不利荷載，對于后一種模型施加合理優化后的荷載進行抗震分析，兩個模型分別分析完成后對各構件選項取最不利設計輸出進行設計。通常這一調整過程要相互進行多次才能完成。

（6）除以上情況外，由于工業建筑設備荷載的復雜性，在產生豎向荷載的同時也經常會產生水平荷載，如輸送頭尾輪、轉動設備等。因此我們要根據工藝或設備廠家提供的荷載參數分設備正常運轉情況及啟動關閉情況考慮，在進行地震分析時，可以只考慮設備正常運轉時產生的水平力和地震作用。

3 清楚認識位移比

在我們目前的設計中，位移比指標是個很重要的設計復核指標。

抗震變形驗算是滿足建筑正常使用功能的重要措施，也是抗震性能設計的重要內容之一，我國抗震設計采用兩階段三水準設防，彈性變形驗算實現的是第一水準的設防要求，屬于正常使用極限狀態的驗算；彈塑性層間位移角限值是確保在罕遇地震作用下，建筑主體結構遭受破壞或嚴重破壞時不倒塌，實現第三水準的高防要求。因此，抗震規范對彈性層間位移比限值有清楚的限定，見表8。

對單層鋼筋混凝土柱排架結構和單層及多層框排架結構，規范未明確其彈性層間位移角限值，其值可參照規范5.5.5條的規定,確定為1/330，單層及多層框排架結構的彈性層間位移角限值可結合實際工程中框架與排架的布置情況，取1/330～1/550的中間數值（框架為主時，取接近1/ 550的數值，排架為主時，取接近1/ 330的數值），并應從嚴控制，偏框架取值。

除此外，規范也提出了最大層間位移與其平均值的比值這一比例系數，用以控制結構的扭轉不規則程度，本文暫不做討論。

在目前我們常用的設計軟件PKPM的計算結果中，會提供地震作用及地震作用規定水平力下兩種情況的最大層間位移角及最大層間位移與平均層間位移的比值，應清楚認識此位移比，以避免不必要的錯誤。

表8 彈性層間位移比限值的限定

新的抗震規范在進行扭轉不規則的判斷（扭轉位移比的計算）及地震傾覆力矩（包含框架傾覆力矩、短肢墻傾覆力矩、框支框架傾覆力矩和一般剪力墻的傾覆力矩）的計算方面均要求采用規定水平力。該水平力一般采用振型組合后的樓層地震剪力換算的水平作用力，并考慮偶然偏心。原則上水平作用力的換算為每一樓層處水平作用力，取該樓面上下兩個樓層地震剪力差的絕對值。采用規定水平力可避免有時CQC計算的最大位移出現在樓蓋邊緣的中部而不在角部，而且無限剛樓蓋、分塊無限剛樓蓋和彈性樓蓋均可采用相同的計算方法處理。

在結構樓層位移和層間位移控制值（位移角）驗算時，仍采用各振型位移的CQC的效應組合。可以根據考慮地震作用的方式不同，采用不同的組合方式，對于平面振動的多質點彈性體系，可以用SRSS法，簡稱“平方和開平方”，它是基于假定輸入地震為平穩隨機過程，各振型反應之間相互獨立而推導得到的；對于考慮平—扭耦連的多質點彈性體系，采用CQC法，即完全二次項組合方法，它不光考慮到各個主振型的平方項，而且還考慮到耦合項，對于比較復雜的結構比如考慮平扭耦連的結構使用完全二次項組合，其結果比較精確。簡單說，就是RSS近似認為每個振型的振動是相互獨立的，而CQC考慮了平扭耦聯效應、振型間的相互影響，對復雜結構采用此法。

由于高震區地震作用很大，結構彈性層間位移比限值經常不滿足規范要求，這種情況下要么犧牲結構的經濟性加大豎向構件的尺寸，要么改變結構形式，如框架結構調整為框剪結構，但在此種情況下出于工藝布置的考慮，往往不能得到很好的結構方案，給我們的設計工作帶來很多因難。

鑒于此，對于工業廠房中應用較多的混凝土框架結構，對不滿足位移角限值的結構提出以下建議供參考，我們可根據實際情況采取三步走：調?微改方案?改變結構形式。

第一步：調，即首先仔細查看程序計算結果，對其進行判斷，如位移角未達到規范要求，查明哪層何處位移過大未達到要求，找到相應的節點，返回查看模型，找到問題所在，調整模型，加強相應位移大的節點附加的梁柱或者薄弱層。此外對于周期的查看也是調整的輔助手段，對于受力合理的結構，盡量避免前二階振型為扭轉振型，除此外也要注意根據結構特點使兩平動振型的周期不要相差較大，如相差較大說明結構兩個方向剛度相差較大，應調整結構豎向構件，達到合理的平衡。

第二步:微改方案，當通過第一步仍無法達到要求時，我們可以在未達到相應位移限值的方向布置少量抗震墻，從而使其彈性層間位移角滿足要求或者在滿足位移限值的基礎上改善框架結構的抗震性能，形成帶少量抗震墻的框架結構。目前對此種結構的分析還有一定的難度，規范對帶墻的框架結構體系的判斷是通過結構底部豎向構件分別承受的傾覆力矩比例來判定的，見表9。對這一特殊的框架結構，可以遵照以下設計原則來設計。

（1）對框架結構

按純框架結構（不計入抗震墻）和按框架與抗震墻協同工作（即按框架-抗震墻結構）分別計算，包絡設計。對純框架結構進行大震彈塑性位移驗算。框架的抗震等級及軸壓比限值按純框架結構確定。

（2）對抗震墻

抗震墻抗震等級可取框架-抗震墻結構中框架的抗震等級。

對于抗震墻的配筋設計：

對計算不超筋的抗震墻按計算配筋；對抗剪不超筋而抗彎超筋的抗震墻，按計算要求配置抗震墻的水平及豎向分布鋼筋，按抗震墻端部最大配筋要求（配筋率不超過5%）配置端部縱向鋼筋。

對抗剪超筋的抗震墻，按抗震墻的剪壓比限值確定抗震墻的抗剪承載力并確定墻的水平鋼筋，按強剪弱彎要求確定墻的豎向鋼筋。

在抗震墻很少的框架結構中，框架是主要的抗側力結構，在風載或地震作用很小（低于多遇地震作用）時，抗震墻輔助框架結構能滿足規范對框架結構的彈性層間位移角要求，提供的是抗震墻的彈性剛度，在設防烈度地震及罕遇地震時，抗震墻退出工作。當然對于處于框架結構上的大型動力設備,為降低結構震動，減小設備引發的結構位移，也可采用此種結構。

第三步:改變結構形式，在以上情況下如還不能滿足要求，只能尋求改變結構形式來實現位移比限值要求。對于框架結構可以通過加鋼支承形成框架支承結構，也可以在上一步配置很少剪力墻的基礎上盡一步加大剪力墻配筋形成框架-剪力墻結構，可以采用異型柱結構或者下部為框架剪力墻結構、上部為框架結構的混合結構。

其實對于框架結構而言，在提高結構塑性能力的前提下（加強豎向構件水平筋的設置）或者根據廠房實際情況犧牲部分安全度，規范規定的位移角限值也是可以有限降低的，但是這個限度需要合理把握。

4 構造及概念設計

結構設計中，眾多小細節的完善才能保證好結構的安全，眾多小構件的合理優化才能實現總造價的有力降低。在高震區結構中，有以下幾點需要引起我們的注意：

（1）對于處于高震區的結構由結構自身的自重而產生的地震作用往往占很大的比例，尤其是混凝土結構，隨著地震作用的增大，造成結構部分構件計算不能滿足要求，從而需要提高構件的尺寸，隨著構件體量的增大，地震作用又有所增加，這樣不斷循環，當結構設計滿足要求時，結構已經很笨重，已遠離我們的設計初衷，因此，對于高震區結構，如何減輕其自重反而比如何克服地震作用對我們的優化設計有更為直接的作用。

出于以上考慮，以下幾點我們應盡力做到：

a墻體的維護材料應盡量輕，能用壓型鋼板的就不要用輕型砌塊，能用輕型砌塊的就不要用燒結磚。

b盡量利用高強材料，以提高結構單位重量的承載能力。

表9 傾覆力矩比例*

c對于梁柱構件，要多次重復計算直到各構件都達到其合理配筋率或應力比，應避免一些較大的梁而其配筋率卻很小的情況的出現，如果對各構件都能合理調節，其結構自重的

減輕也是十分可觀的。

d在采用PKPM計算時，由于梁梁相交、梁柱相交、梁板相疊處的重量重復計算，造成結構自重較實際有所放大，在計算中可以通過適當調整部分參數等手段來減少結構自重，以接近實際情況。

（2）基礎的設計直接影響到了上部結構安全及其合理性，尤其是高震區，在可能的情況下，要盡量降低基礎的埋置深度，從而有效地降低結構高度，減小地震產生的傾覆力矩。另外，除高寬比大于4的高層建筑基底不宜出現脫離區（零應力區），其他建筑基礎底面與地基土之間距離區（零應力區）面積不應超過基礎底面面積的15%，因此，在設計基礎時可以對這一比例合理限定，從而減小基礎尺寸的大小。

對于高震區結構基礎設計另一個需要注意的問題是，即使基底未出現零應力區，但是如果其基底最小應力小于上面覆土自重，那么基礎上部也是要承受部分拉力，需要配鋼筋。

（3）在設計基礎時由于砌墻的原因，通常會在需要的位置布置地梁，如果基礎埋深較淺則容易形成短柱，以至在抗震計算時常常造成柱抗剪能力不足，從而給設計工作帶來困難，此時可以采用圖2方案進行結構設計以避免此情況的發生。此外，規范對于一級框架和IV類場地的二級框架也是建議沿框架兩個主軸方向設置基礎系梁的，可采用圖2同樣作法。

（4）在帶有貯料型結構或者帶有大型設備的結構時，對于倉體及設備的支承，應盡量使其結構支座靠近倉體及設備重心所在平面，以免附加彎矩引起設備及結構受力而造成破壞。

圖2 基礎系梁的設置

（5）對于埋置較深的結構，部分結構構件嵌固在土中，其結構分析有一定的特殊性，由于土的作用，上部傳來的水平地震作用逐漸減小，但是由于土的類別、構件的接觸面積等因素的影響，如何確定合理的減小程度有待研究。

樁基規范提出了土層水平抗力系數的比例系數m可供參考借鑒。該參數計算方法即是土力學中水平力計算常用的m法，可參閱基礎設計相關的書籍或規范，其取值范圍一般在2.5～100之間，在少數情況的中密、密實的沙礫、碎石類土中取值可達100～300。由于m值考慮了土的性質，通過m值、地下室的深度（或框架柱）和側向迎土面積，可以得到結構地面以下側向約束的附加剛度，該附加剛度與結構自身剛度無關，而與土的性質有關。用m值求出的地下室側向剛度約束呈三角形分布，在頂層處為0，并隨深度增加而增加。因此可以將該參數引入結構分析中，以期得到合理優化的設計結果。

（6）另一個需要談到的問題就不是我們結構設計人員所能完全控制的，需要相關工藝等專業的配合才能達到更合理的優化指標。

出于概念設計的考慮，在高震區，能滿足生產需要的更低的廠房高度及結構承受更小的地震作用及傾覆力矩是我們一直期望得到的，因此在可行的情況下，合理降低結構總高度及各層層高，將重要設備重心下移甚至將其布置于地面上等措施，可有效降低地震作用，也希望其引起相關專業的更多關注。

[1]建筑抗震設計規范（GB50011-2010）[G].中國建筑工業出版社,2010.

[2]建筑結構荷載規范（GB50009-2012）[G].中國建筑工業出版社,2012.

[3]朱炳寅.建筑抗震設計規范應用與分析[M]中國建筑工業出版社，2011.

TU312.1

A

1001-6171（2013）06-0100-06

??津水泥工業設計研究院有限公司，天津 300400；

2013-03-27； 編輯：呂 光