煤礦工業建筑中框架結構的設計要點分析

彭文清

（中煤西安設計工程有限責任公司，西安710054）

1 框架結構的特點

鋼筋混凝土框架結構是由梁、柱組成并同時承受豎向和水平荷載的結構體系，適用于體型規則、剛度均勻的建筑物。該結構空間分隔靈活，可以形成較大的使用空間；整體性好，設計合理，具有良好的抗震、抗風、抗爆、抗撞擊和抗振動性能；與鋼結構相比具有較好的耐久性和耐火性；與砌體結構相比自重較輕；且可模性較好，也便于就地取材。因此，在煤礦工業建筑中應用十分廣泛[1]。

2 框架結構設計的主要原則

2.1 抗震設計

相關規范要求以“小震不壞，中震可修，大震不倒”為抗震設防目標，并通過二階段設計（承載力驗算和彈塑性變形驗算）實現設防要求。因此，框架結構抗震設計的總原則是允許出現局部損壞，但應從各方面提高結構整體的變形能力，防止倒塌。抗震設計的主要內容包括概念設計、計算設計（抗震計算）和構造設計（構造措施）。概念設計是結合地震及其影響的不確定性與規律性，依據框架結構對地震的總體反應，按照結構的破壞機制和過程靈活運用抗震設計準則，從一開始就全面把握結構的整體性能（承載力、變形、耗能），合理確定結構的總體布置和細部構造，力求消除結構中的薄弱環節；抗震計算包括地震作用和抗力計算，是對地震作用進行定量分析，為抗震設計提供定量控制的手段；抗震構造措施是指采用抗震計算以外的措施，以保證抗震計算結果的有效性[2]。

2.2 結構的規則性

框架結構的總體布置是否規則直接影響其抗震性能。平面布置必須有利于抵抗水平力和豎向荷載，平面形狀和抗側力結構的分布應簡單規則，均勻對稱，并減少扭轉的影響；豎向布置盡量使結構的承載力和豎向剛度自下而上逐漸減少，變化均勻、連續、不發生突變。煤礦工業建筑的框架結構布置應以滿足工藝要求為前提，盡量避免結構出現的不規則；必須出現不規則結構時，應采取相應措施減少不規則的數量和程度，特別不規則時，應進行專門研究和論證，嚴重不規則的禁止采用。

2.3 適用高度

鋼筋混凝土框架結構適用的最大高度：抗震設防烈度為6度、7度、8度（0.2g）、8度（0.3g）、9度時，分別為60m、50m、40m、35m、24m；結構平面和豎向均不規則時宜降低約10%；甲類建筑，抗震設防烈度為6度、7度、8度時，宜提高1度后確定，9度時應專門研究[3]。

2.4 結構布置的要求

框架結構應受力明確，傳力合理、直接，有明確的計算簡圖，結構剛度和承載力分布均勻適當；應具備必要的抗震承載力、良好的變形和消耗地震能量的能力，宜有多道抗震防線；應設計成雙向梁柱抗側力體系，縱、橫兩主軸方向的動力特性（周期和振型）相差宜在20%以內；甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑不應采用單跨框架，高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架。

2.5 延性框架

為增強建筑在遭遇強烈地震時的抗倒塌能力，框架結構應具有較強的延性。規范通過抗震設防類別、烈度、房屋高度劃分成不同的抗震等級，以內力調整和構造措施來控制框架結構的延性，即以強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱桿件等原則，有意識地提高結構中重要構件以及某些構件中關鍵部位的延性。具體措施包括：提高構件的受剪承載力，避免剪切破壞先于彎曲破壞；避免框架柱小偏心破壞，實現大偏心破壞；減小框架柱的軸壓比；減少框架梁的受壓區高度；加強箍筋，避免混凝土的壓潰先于縱筋的屈服；加強鋼筋錨固，避免鋼筋的錨固黏結破壞先于構件破壞；加強節點，避免節點破壞先于構件破壞。

3 煤礦工業建筑中框架結構設計要點

3.1 建造場地

場地條件是決定地震作用的重要因素，選擇合適的場地是結構抗震設計中一項十分有效、可靠又經濟的抗震措施。煤礦工業場地選址及前期的總平面布局及方案設計時，應及時掌握場地地形、地質構造、地基土質等信息，并與總圖、工藝等專業溝通協調，盡量確保甲、乙類和較重要的丙類建筑所處場地為對抗震有利或一般地段，避開不利地段，嚴禁危險地段。

3.2 地基和基礎設計

地震時，地面震動與上部框架結構產生的地震力是通過基礎相互傳遞的。因此，地基和上部結構的承載力與剛度要相適應，基礎底面最好設計為同一標高，且同一結構單元的基礎不宜設置在性質截然不同的地基上，也不宜部分采用天然地基，部分采用樁基，否則會因傳遞的差異而造成震害。基礎形式、埋深及底面面積的選擇，應充分利用地基土的承載力，并減小基礎偏心；優先采用天然地基上的淺基礎，當淺層土質無法滿足強度、變形、穩定性等要求時，可選擇深基礎；應采取相應措施減輕液化土、軟弱黏性土、新近填土等在地震時使地基產生的不均勻沉降或其他不利影響。

3.3 柱的設計

設計柱網時，要明確結構傳力體系，滿足結構受力要求，保證間距規則、適中、整齊；要避免柱網影響煤礦工業建筑的使用功能，同時應綜合考慮施工的便利性和構件尺寸的模數化與標準化，盡量做到模型簡單化。同一樓層框架柱的截面尺寸不宜相差過大，宜具有相同的承載力、剛度和延性，以保證能夠共同受力，避免在地震中因受力懸殊而被各個擊破，一般可沿豎向分段改變框架柱的截面尺寸與材料強度，尺寸減小與強度降低宜錯開樓層，避免同層同時改變。短柱宜發生脆性破壞，應盡量避免，當因工藝布置需要使結構錯層或因布置樓梯形成短柱時，箍筋應全高加密，且應控制縱筋不宜過大。

3.4 梁、板的設計

煤礦工業建筑的樓層上通常會布置各類設備和洞口，應在振動篩、破碎機、斗子提升機、帶式輸送機機頭等振動較大的設備下設梁，單個設備荷載較大時也應設次梁或局部加厚混凝土板帶，梁的截面尺寸應滿足預埋鋼板、預埋螺栓對錨固長度、邊緣距離等的構造要求。樓板預留洞口短邊尺寸（或直徑）大于0.3m，且洞邊有集中荷載，或洞口寬度（或直徑）大于1.0m時，應在洞口邊緣設置邊梁或暗梁；樓板被大洞口削弱時，應加厚洞口附近樓板，提高樓板配筋率且采用雙層雙向配筋，并在洞口角部集中配置斜向鋼筋。

3.5 樓梯的設計

樓梯間的布置應盡量減小其造成結構平面的不規則和對主體結構的影響，宜采用現澆鋼筋混凝土樓梯；當鋼筋混凝土樓梯與框架結構整體連接時，樓梯應參與結構整體的抗震計算，并應對樓梯構件進行抗震承載力驗算。

3.6 防震縫

合理地設置防震縫可使體型復雜的框架結構劃分為規則的結構單元，可降低結構抗震設計的難度，但由于縫兩側均須設置框架柱使結構復雜、基礎處理困難，同時還會影響建筑的使用和立面，且地震時若縫兩側的結構進入彈塑性狀態，位移急劇增大而發生互相碰撞，產生嚴重震害。因此，體型復雜時不提倡設置防震縫，應根據不同建筑的特點，調整平面尺寸和結構布置，采取有效的構造措施和施工措施，盡量不設或少設縫。

4 結語

對于框架結構的設計，應結合必要的抗震計算分析和構造措施，才能使結構具有良好的抗震性能和抗震可靠度，確保框架結構的安全，從而滿足煤礦工業建筑的使用功能。