多冗余度單跨框架結構性能研究

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

單跨框架結構指結構的某個主軸方向均為單跨， 如圖1 所示。 此種結構，僅靠單跨方向的2 根柱子承擔，沒有多余約束，只要1 根柱出現破壞，結構就會倒塌，抗震性能較差。 但由于布置形式簡單，在我國早期中小學校舍中應用較多。 根據實際震害表現來看，由于抗側剛度小，結構超靜定次數少，耗能能力弱，結構冗余度小，不能形成多道抗震防線，在罕遇地震作用下，一旦框架梁柱節點出現塑性鉸，則整個結構出現連續倒塌的可能性很大[1-3]。故在《建筑抗震設計規范》[GB50011—2010（2016 版）]中規定，當建筑類別為甲、乙類，丙類建筑高度＞24m 時，是不能采用單跨框架結構的。 當丙類建筑高度≤24m 時，不宜采用單跨框架結構[4]。但是結構中一個主軸上如果只有局部某個軸線是單跨，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，此種結構不同于單跨框架結構，只是局部沒有多余約束，并不影響整體結構安全，可同單跨框架結構作區分，認為是單跨框架，只需對局部單跨框架部分做加強構造處理。 單跨框架如圖2 所示，不作為本次討論對象。

圖1 單跨框架結構

圖2 單跨框架

震害表明，單跨框架結構由于缺少必要的冗余度，地震破壞嚴重。因此，實際工程應盡量避免采用單跨框架結構。但是在工業建筑中，由于特殊的工藝要求，單跨框架結構不可避免，如引風機房的引風機管道支架、某些工業廠房的附屬用房、煤化工解熱裝置的附屬構架等。 因此，從抗震概念設計的角度出發，尋找超靜定次數大、冗余度多的解決方案尤為重要。 目前文獻研究有兩種方案，一是加強抗震和抗震構造。 此種方法可以提高延性和抗震性能，但是無法解決無多余約束、結構冗余度少的問題[5]。 二是對已有的單跨框架結構通過增設鋼柱的方式進行加固，主要針對早期建造的中小學校舍[6]。 對工業建筑單跨框架結構進行方案分析的較少。 本文針對單跨框架結構增設鋼支撐或短墻，采用工程中容易操作和接受的PKPM 軟件建立模型進行計算，并提出較為合理的方案，可為實際工程提供參考。

1 工程概況

某引風機房支架為單跨框架結構， 位于陜西榆林某工業園區。根據詳細地勘，得知該地區設防烈度6 度，設計地震分組為第一組，場地類別Ⅲ類。 引風機房支架為6 層，高度25.05m，主要為引風機房的管道提供支撐。 經PKPM 建立的模型如圖3 所示。 引風機管道荷載按上游專業所提荷載輸入。

圖3 單跨框架結構

2 方案計算

本次計算作如下假定：

（1） 由于考察整體控制指標，故全樓取樓板剛性假定；

（2） 工業荷載布置的特殊性會引起樓層承載力突變、抗側剛度不規則，計算地震作用時考慮選取雙向地震作用。

2.1 方案一：框架結構

不增加任何措施的純單跨框架結構模型如圖3 所示。 經過PKPM 建模計算，其各項指標如表1 所示。

表1 框架結構指標表

2.2 方案二：框架柱設置短墻

框架柱設置短墻有別于框架-剪力墻。 增設短墻的目的是為了增強框架柱在單跨方向的受力， 因此體系上仍屬于框架結構。根據抗震規范要求，短墻體厚度取200mm。 當豎向受力構件長寬比小于4 時，認為是柱，當不小于4 時，可認為是墻，故本次假定在單跨方向設置的短墻尺寸為200mm×600mm，如圖4 所示。進行計算時，因此結構體系仍為框架，框架柱和短墻沒有第一、第二道防線之分。 柱和剪力墻的抗震等級按框架結構處理，類似于抗震規范中所規定的有少量剪力墻的框架結構。 框架采用了包絡設計，對剪力墻按構造要求配置。 抗震等級均按框架結構處理，最大彈性層間位移角應滿足≥1/550 的要求。經過PKPM 建模計算，短墻-框架結構指標見表2。

圖4 短墻-單跨框架結構

表2 短墻-框架結構指標表

2.3 方案三：設置支撐

按照抗震規范對中心支撐的要求， 鋼支撐材質選為Q235B。無論支撐形式為人字撐或交叉撐，設計時均按壓桿計算，長細比限制值取120。 經計算，本文單跨方向設置HW300×300×10×15 的鋼支撐，強軸方向為平面外。 現場施工時，應根據實際放樣，在需設置鋼支撐的部位進行預埋件設計，預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，焊縫高度應根據計算確定，并滿足構造要求。 在模型計算中，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計，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剛度承擔，框架柱可承擔小部分地震作用。 進行計算時，按框架-剪力墻處理，框架部分抗震等級按框架結構情況確定，鋼支撐的抗震等級在確定的框架抗震等級上提高一級。 最大彈性層間位移角應滿足≥1/800 的要求。 經過PKPM 建模計算，鋼支撐-框架結構指標見表3。

圖5 鋼支撐-單跨框架結構

表3 鋼支撐-框架結構指標表

3 方案比較分析

方案一、二、三中結構的自振周期（s）均不同，即增設短墻和鋼支撐后，改變了結構本身自振周期。 由于結構多跨方向沒作改變，故多跨方向（X 方向）最大層間位移角三個數值均相同。 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，增設短墻和鋼支撐均可有效減小側向位移、提高側向剛度。 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濟方面要求， 還會造成浪費，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低承載力、高延性的抗震設計理念。

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，即結構的單跨方向，鋼支撐傾覆力矩占到80%以上，故鋼支撐可作為結構抗震的第一道防線，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力構件，受力機理明確。 方案二在結構體系上仍屬于框架結構，短墻和框架柱協同工作具有不明確性，因此在結構設計中難以把握，沒有多道抗震設防的概念。 在方案三中，鋼支撐作為耗能構件，吸收了地震作用時橫向波傳來的能量，減小了地震作用對結構整體的進一步破壞，是一個抗震性能較好的結構體系。 如果在設計中有更高的抗震要求，也可將此鋼支撐設計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，空間受到一定限制，影響了結構的使用品質。

4 結語

（1） 和民用建筑相比，工業建筑荷載布置更為特殊。 當采用單跨結構時，應采取必要的措施以彌補布置上的不規則。 同時，提高結構的冗余度、結構延性，保證工程具有良好的結構性能。

（2） 增設鋼支撐或短墻均可有效提高框架結構單跨方向的抗側剛度、側向位移。

（3） 鋼支撐-框架結構形式不僅解決了單跨框架結構冗余度少的問題，而且較大幅度地提高了結構的抗側性能，減小了結構的水平側移，符合抗震設計中多道防線的設計理念，受力明確，相比增設短墻更有優勢。