工業廠房塔式結構設計及構造的心得論文

　　[摘要] 透過近幾年所設計的兩個工業廠房（內含工業高層塔） ,分析設計前後所考慮的問題並結合該工程的實際情況與相關的文獻，論述了設計後的一些看法與個人的體會。

　　[關鍵詞] 塔式結構；軟體分析；強柱弱梁；塑性鉸；工程例項；體會。

　　本人於 2008 年和 2014 年分別在黑龍江省（安達市及綏稜市）兩個地市設計乳品廠房，其中廠房中重要的核心部分就是高層塔。所謂高層塔：指的是該建築物的長度與寬度大致相同，且平面尺寸皆不大，高度較高，整個建築顯得細長（尤其是該建築位於整片單層廠房的一部分） ,所以在外觀上更似 “塔”的形狀。

　　1 工業高層塔的特點

　　它是整個鋼結構廠房的一部分，但它的承重材質非 “鋼結構”,而是鋼筋混凝土結構，即高層框架結構體系。受工藝條件的嚴格制約，層高較高（ 5 ~7m 左右） ; 區域性樓層開洞較大，但一般皆可以控制在 30% 以內；每層荷載分佈極不均勻，而且荷載較大。

　　2 設計計算前所要考慮的問題

　　（ 1）將 “塔”看成豎向彈性構件體系，控制體系的高寬比例，以保證其穩定性。

　　（ 2）考慮颶風和地震力所產生的雙向水平側向力。

　　（ 3）由於工業高層塔的自身特點（各種工藝裝置的形狀及荷載相差較大） ,所以儘可能使該建築平面，體型，立面剛度儘量保持對稱與均勻（可透過框架平面主次梁及柱調整剛度和傳力荷載）使結構整體不會出現薄弱環節。

　　（ 4）妥善處理因水平力（如颶風，地震力） ,溫度變化和基礎沉降所帶來的樑柱節點的變形要求，故在採用深基礎的前提下，加大承臺的埋深，保障結構的安全可靠性。

　　（ 5）該建築受工藝要求繁瑣；裝置管道多，具有特殊的消防，通風，排煙設定，尚需對散熱，供暖及加風壓進行的考慮，如此便要求合理的建築層高，合理的佈置豎向交通（即確定樓梯及採用所需爬梯的位置） .

　　3 設計過程中所要考慮的注意事項

　　（ 1）框架結構的豎向構件 - 柱，截面尺寸有限，抗側剛度較小，在地震力作用下，其水平位移比較大，自身容易較大變形而引起結構構件的破壞。

　　（ 2）實現工程中的 “強柱弱梁”模式 - 某些構件進入非彈性，出現塑性鉸，避免其區域性的脆性破壞，透過變形以吸收和耗散震能，從而提高結構的抗倒塌能力；但在使用 SATWE 軟體計算中，其一框架樑的剛度是沒有考慮現澆混凝土樓板對框架樑的 “有利約束”故梁端彎矩相應增大，但是所增加的配筋全部配置在梁內，而樓板是按自身受力單獨計算配筋的；軟體計算使用時，梁的裂縫控制一般在 0. 3mm 以內的，而實際正常情況下，梁是有翼緣的，且梁在受壓區是配有足夠鋼筋的，所以構件在現實的正常使用情況下其裂縫是不大的。以上兩點均使梁配筋過大，故設計時人為弱化梁的剛度及其支座處的配筋，同時將框架樑跨中的鋼筋稍增加（原計算鋼筋量的 1. 05 -1. 1 倍左右） ,一方面用以控制，降低梁的裂縫。另一方面使建築體系接近 “強柱弱梁”的模式。

　　（ 3）此種 “塔式結構”在地震力的作用下，對建築物的四角而言 - 角柱會產生極大的扭轉並承受較大的剪力，同時也可能受到雙向的彎矩作用，故應對角柱對稱放大其配筋率。平面佈置中，樓梯間是不應佈置在首跨中的 - 避免減少樓板及梁對角柱的約束，此外除正常樓面設定框架樑之外，首跨在窗頂處設定適量的'框架樑，用以減少水平力作用下，角柱在兩個方向的扭轉。對所有框架柱而言 -其在豎向力的作用下，通常情況梁受彎大於柱的受彎變形，但在強水平力的作用下，柱所受震害則遠大於梁所受震害，尤其柱底鋼筋在地震力反覆作用下，混凝土極易剝落，而柱內主筋易達到屈服點，其抗剪強度明顯不足，所以設計時人為加大柱的剛度（截面尺寸）與柱底鋼筋的強度（特別是柱底箍筋的強度） ,使得框架柱在抗震受力時難以出現塑性鉸，使每個框架柱皆具有足夠大的抗剪能力。

　　（ 4） “塔式結構”中的樑柱設計主要依據彎矩分配法對其內力進行計算，對框架樑柱節點的加強可透過構造節點措施的加強而實現。用 “反彎點法”對框架在水平荷載作用下進行計算，並應該進行變形的驗算。

　　4 工程例項一

　　2008 年於安達市設計一乳品工業廠房，主體為門式鋼結構，鋼柱跨度 24m 及 30m 兩種形式。廠房內設高層塔，六層，塔主體總高度為 42. 5m.塔平面設有大量裝置且多為震動荷載，柱軸壓在 380T -570T 之間，單柱軸壓相差較大，故採用的是深基礎，而且加大承臺的剛度及其埋深。實際設計中採用 Φ600 超流態鑽孔灌注樁，樁端至少進入地質報告中的第六層土（粗中砂） 2m 以上，樁長不應小於15m,單樁承載力設計值不小於 140t.布樁不應以平面豎嚮導荷為依據，考慮水平力對 “塔結構”影響較大，僅僅考慮豎向力其安全性差，故基礎布樁應以 SATWE 結果為準（考慮水平力，所受彎矩較大） ,詳見圖1.樁基礎的剛度較小，決定其抗水平彎矩的能力弱，假若一旦彎矩使塑性鉸出現在柱底（樁頂）則對整個建築極其不利。故在該設計中“高層塔”的嵌故可認為設定在零米層處，採用設定且加大零米層處的地基梁，由於工藝要求，零米層處要作 200 ~250mm 厚的建築地面，結構將其按0. 2% 左右的配筋率雙向雙層構造配筋，形成剛性地面，如此可作為建築物的嵌固端使用，即可調整其基礎的不均勻沉降，又可使主體形成一種穩定的體系，減少柱根處的位移，提升其穩定效能，增強建築物的抗震能力，減少水平力所帶來的隱患，防止主體結構出現滑移，扭轉與傾覆。

　　5 工程例項二

　　（ 1）工程概況；單層廠房採用 24m 跨門式鋼架，柱頂標高 7. 500m,內設辦公區，沖洗區，食堂及 “工業高層塔”.塔總高度為 26. 2m,共 5 層（不含夾層） . 局部樓層（標高為 6. 400m,10. 70m）開設的洞口較大。部分面荷載為 3 - 7T /m2,線荷載為 2. 5 ~20T/m.

　　（ 2）整體計算； “塔”在整個廠房中佔地面積較小，橫縱兩個方向的柱跨數都不多，所以其建築物的抗震能力不是很強，故框架柱的截面尺寸設計並非按其軸壓所確定。該工程柱截面尺寸取800X800 及 850X850 兩種，而最大軸壓僅為 0. 22.建築物的抗震分析不是太難，故陣型組合數值取 12~ 15 即可；塔內的填充牆體不是很多，但層高較高，填充牆內每 3 ~5m 設 200X200 的構造柱，牆沿水平方向設200X300 梁以形成區域性框架（但應該注意的是；所新設的梁與框架柱之間連線設成鉸接） ,所以在進行整體計算時，結構週期的折減係數宜取0. 7 ~ 0. 8 之間進行驗算。此外尚應注意的是；填充牆是不可以採用120 承重砌塊的（此雖非承重結構，但屬於剛性結構） ,因為其抗震變形與框架主體相差較大，影響 “塔”整體計算的結果。

　　（ 3）使結構體系接近 “強柱弱梁”,軟體設計中的 “梁設計彎矩放大係數”和 “梁活荷放大係數”皆不可加大。適當減少梁的剛度-因為軟體設計時的框架樑是不考慮現澆樓板作為梁的受壓翼緣的，此難反應梁的真實效能。儘量減少柱端的梁對框架柱的約束，使在地震時梁端首先出現塑性鉸，可以出現較大的塑性變形（其塑性鉸可出現在梁端，但應絕對避免塑性鉸出現在柱底部） ,產生一定的變形，用以耗散地震能量； 800X800 的柱作為下一道抗震防線-體積配箍率不小於 2. 0%,縱向鋼筋含量宜適中，配筋不宜過大，箍筋採用複合井字箍，形成核芯柱，當柱出現彎裂縫，特別是剪下裂縫時，構造所形成的核芯柱可以有效的減少柱的壓縮，特別是建築物中框架柱的截面尺寸皆較大，大部接近於 “短柱”,如此措施可保證柱的外形和截面承載力，使其具有較好的延性，有利於提高其變形能力。

　　（ 4）要有目的地加大框架樑柱（特別是底層框架柱）的剪力設計值，防止梁，柱底部在彎矩屈服前出現剪下破壞，實現 “強剪弱彎”,滿足各構件的延性，增加其塑性變形能力，防止其脆性破壞。尤其建築體系中的角柱，易受雙向地震力的作用，扭轉效應對內力影響較大，震害相對嚴重，在設計中 -內力計算按兩個主軸方向分別考慮地震的作用。彎矩設計值，尤其是剪力設計值予以適當的加大。

　　（ 5）高層工業塔中部分裝置是貫通幾個樓層的，不僅每個樓層所受荷載相差過大，而且部分樓層板所開設的洞口也過大，單個層高之間亦不相同。如此在強水平力（地震力）作用下，整個結構的抗側位移剛度嚴重不規則，宜於某層產生較大的強行位移，形成薄弱層（剛度變化不符合高規3. 5. 2 條要求的樓層；承載力不符合高規 3. 5. 3 條要求的樓層） ,威脅整個建築物的抗震能力，故在每層剛度調整中，層與層上下間的剛度差不宜大於30% ,同時在軟體分析中，可人為將 “認為” 是薄弱層的樓層的地震剪力放大 1. 15 倍，同時對結構進行強塑性變形驗算。所得資料滿足（抗規）中 3. 4 章（建築設計和建築結構的規則性）的各項要求。另外在軟體的整體計算中應步入樓梯，從設計上可考慮減少樓梯剛度對整體結構的影響。樓梯不宜作成折梁或折板，避免其在地震作用下產生的拉、壓力對框架柱造成影響。

　　（ 6）框架樑及所受荷載較大的環形梁（線荷20T / m）截面寬度不宜小於 400mm,配置 4 肢箍筋，次梁的截面尺寸也不宜小於 300mm,適當的加大梁跨中的計算鋼筋（ 1. 1 ~ 1. 15 倍） ,同時相應減少梁支座處的鋼筋含量，配置抗拉強度高的鋼筋，提高混凝土的標號（不小 C40） ,使得框架樑在抗震設計中達到 “強剪弱彎”的效果。部分樑柱平面圖詳見圖 2.

　　（ 7）在本設計中，各構件（框架樑柱，特別是底層框架柱）的剛度及配筋都較大。故難以實現 “強節點弱構件”的結構體系。但節點核心區是保證框架承載力和抗倒塌能力的關鍵部位，其受力複雜，易發生非延性破壞，引起與節點相連線的各構件破壞，所以在設計中節點區透過構造措施有所加強（具體表現在樑柱鋼筋的相互錨固） ,並按三級抗震等級進行抗震受剪承載力的驗算。註明；其節點核心區承載力的驗算並非（高規）規定，而應按（混凝土結構設計規範） GB50010 的有關規定執行。規範對頂層和中間層節點核心區取值是按不同計算公式的。軟體分析結構 “高層塔”框架樑柱中間層節點，頂層節點在地震力，風荷載等水平力反覆作用下，都會產生位移，造成樑柱節點內鋼筋發生滑移現象。分析結構表明，頂層節點的延性需求比中間層節點較小；頂層的震害比其他樓層的震害要輕，故中間層樑柱節點處梁內上部鋼筋的錨入柱內應有所加大。

　　6 結束語

　　綜上所述，就是透過近幾年的兩個親自參與的工程例項與相應規範要求，得出的作為工業廠房中的 “塔式結構”設計及構造的一些體會，可供同行參考。