隨著社會的發展,建筑的安全性和舒適度要求日益提高,相關規范對其也作出相應要求: 在結構設計中既要對結構構件進行承載力計算,又要根據其使用功能及外觀要求等,對結構及構件的變形位移充分考慮,必要時進行驗算.在鋁工業建筑結構設計工作中,設計者通?？粗亟Y構的承載力計算,而往往忽視了結構正常使用狀態,這樣會造成建筑某種功能的缺失,例如吊車軌道卡軌、連通管道被拉彎等現象.大量震害也表明由于建筑存在薄弱層,在強烈地震作用下,會造成結構構件嚴重破壞甚至引起結構倒塌等問題.本文在依據規范設計的前提下,結合有色金屬工程實際,淺談結構及構件在各種情況下位移變形的要求及相關設計概念.
1 單層工業廠房
單層廠房是鋁工業建筑中應用范圍比較廣泛的一種建筑類型,例如: 電解鋁廠的鑄造車間,炭素廠的焙燒車間、炭塊庫等,多用于機械設備和產品較重且輪廓尺寸較大的生產車間,這樣大型設備可直接安裝在地面上,使生產工藝流程和車間內部運輸比較容易組織.單層廠房便于定型設計,使構配件標準化、系列化、通用化,從而提高了構配件生產工廠化、施工機械化的程度,縮短了設計和施工時間.但單層廠房投資較大,占地多,設計時應力求技術先進、經濟合理、安全適用、施工方便.單層廠房依據其生產規模和主要承重結構材料包括鋼筋混凝土排架,門式剛架,單層框架等.
\\( 1\\) 鋼筋混凝土排架
鋼筋混凝土排架是傳統的單層廠房結構形式,一般是由預制構件裝配組成的,設計中應注意確保屋蓋的整體性、正確設置支撐體系、設置抗震圈梁等,以使廠房具有良好的整體抗震性能.其設計的重點在于廠房結構構件的連接和節點設計,這直接關系到整個裝配式廠房抗震能力的發揮.
震害經驗表明: 高大的單層鋼筋混凝土柱廠房等結構,在大地震中往往受到嚴重破壞甚至倒塌,這種結構剛度相對較小而變形較大,還存在承載力驗算所沒有發現的薄弱部位,即其承載力本身雖滿足設計地震作用下抗震承載力的要求,卻比相鄰部位要弱得多.所以《建筑抗震設計規范》中規定"8 度Ⅲ、Ⅳ類場地和 9 度時,高大的單層鋼筋混凝土柱廠房的橫向排架"應進行在罕遇地震作用下薄弱層的彈塑性變形驗算.《建筑抗震設計規范》中還規定"結構薄弱層\\( 部位\\) 彈塑性層間位移限值要求: 鋼筋混凝土柱排架為 1/30".由于鋼筋混凝土排架廠房的彈性層間位移角需根據吊車使用要求加以限制,嚴于抗震要求,因此不必再對地震作用下的彈性位移加以限制.當排架廠房柱需要進行側向變形計算時,應按一臺最大吊車的橫向水平荷載標準值的 1/2 作用于排架柱吊車梁頂面標高處的側移值 Δk 來控制: 按平面排架計算時 Δk≤Hk/1100; 按空間排架計算時 Δk≤Hk/2200.設有重級工作制吊車的廠房控制嚴格,按平面結構圖形計算所得的柱水平位移允許值為 Hc/1250.
\\( 2\\) 門式剛架
門式剛架是我國鋁工業建筑鋼結構中應用最廣泛的類型之一,在單層工業建筑中也經常采用,如倉庫、維修車間等.對于輕型門式剛架的柱頂位移限值,《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中規定"剛架柱頂位移限值在無吊車采用輕型鋼墻板時為h /60,砌體墻維護時為 h /100; 有橋式吊車且有駕駛室時為 h/400,吊車由地面操作時為 h/180".在此規定中應該注意到: 砌體磚墻維護時的位移限值要求是偏低的,在剛架位移過大時,會使兩者間位移差過大,從而會造成圍護磚墻遭到不同程度破壞,有的損害甚至超過了主體結構,導致不必要的經濟損失.
因此,規程管理組也對條文作出修正,要求"無吊車采用砌體墻時的柱頂位移限值 h/100 應改為 h/240".另外從構造措施上來說,采用砌體墻時,應采取措施減少對門式剛架結構的不利影響,并應設置拉結筋、水平系梁、圈梁、構造柱等與主體結構可靠拉結.門式剛架中受彎構件的撓度與跨度比限值,對于輕型門式剛架可查閱《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》表 3. 4. 2 ~2.
\\( 3\\) 單層框架
對于設有起重量大于 20t 的 A1 ~ A5 工作級別橋式吊車,A6 ~ A8 工作級別橋式吊車或 3t 以上懸掛吊車的單層房屋鋼結構,就應按鋼框架要求確定框架柱頂位移限值,如電解車間等.即《鋼結構設計規范》附錄 A. 2. 1"在風荷載標準值作用下,有橋式吊車的單層框架的柱頂位移為 H/400".在吊車梁頂面標高處,由一臺最大吊車水平荷載所產生的計算變形值 A7,A8 級為 1/1250,A6 級可為 1/800.
對于按單層鋼框架考慮的屋面剛架梁,《鋼結構設計規范》規定撓度[vT]為 l/400,[vQ]為 l/500.由于工業建筑外觀要求不高,在有可靠工程經驗的情況下,對單坡和雙坡屋面梁,梁的跨中撓度應根據應力發揮水平適當放寬,梁的應力比 < 0. 9 時取 1/300,應力比為 0. 9 ~ 0. 95 時取 1 /350.設計者可在計算中進行調整和比較,選擇經濟合理的梁柱斷面.
2 多、高層工業廠房
多、高層廠房在鋁工業建筑中也經常采用,例如生陽極制造、高壓溶出車間等.由于工業建筑受工藝流程限制,鋼筋混凝土框架 - 剪力墻、框架 - 核心筒等抗測力比較好的結構很難有效實施.因此通常采用的結構形式為: 鋼筋混凝土框架、鋼框架.《建筑抗震設計規范》對其位移作出以下規定"…各類結構應進行多遇地震作用下的抗震變形驗算,其樓層內的最大的彈性層間位移應符合要求: 鋼筋混凝土框架為1/550,多、高層鋼結構為1/250"; "結構薄弱層\\( 部位\\) 彈塑性層間位移應符合要求: 鋼筋混凝土框架、多、高層鋼結構為 1/50".下面以地震區高層鋼筋混凝土框架廠房以及鋼框架廠房為例,具體說明設計中的結構位移控制.
鋼筋混凝土框架結構是一種傳統的工業建筑結構形式,設計中要注意的是: 地震區高層鋼筋混凝土框架結構的設計,其豎向荷載作用下的承載力要求十分容易滿足,但由于其自身抗側剛度較弱的特點,在水平力作用下的位移,較難控制.在實際設計過程中,鋼筋混凝土框架結構的柱、梁截面確定,特別是在高烈度區遠非豎向承載力的要求所控制,多是為了調整結構整體的剛度,以滿足《建筑抗震設計規范》對結構彈性層間位移限值的要求.設計中可采取以下措施,控制框架的層間位移角.① 控制整體剛度.通過對柱、梁截面的調整,起到增大整體剛度以達到減小整體位移值,控制最大層間位移角的目的.其中對框架梁的截面調整也是重要手段之一,柱的剛度和梁柱的剛度比越大,框架抗側剛度也就越大.此外建筑層高的控制在整體剛度的控制中也是重要因素之一.建筑平面上,本工程接近方形的平面,對位移控制較為有利,同時在抗震分析上,扭轉效應可相應減小,最大位移與平均位移比值也容易控制.② 提高最大位移發生區域角部的局部剛度.由于最大彈性層間位移角限值是多遇地震作用標準值產生的樓層內最大的彈性位移與樓層層高的比值,因此控制好最大位移發生區域的剛度,進而直接控制最大層間位移角.為了滿足工藝凈高的要求和對結構經濟性的控制,不可能也沒有必要為控制位移將整體框柱和框梁的截面都做的很大.對角柱和與角柱相連的兩向的邊框梁增大截面,一般不會影響建筑的功能和使用,可直接減少角區的位移值.③ 合理地設置結構分析程序中的設計參數.在規范允許的范圍內選取用合理的參數,既真實、有效反映出結構的層間位移角,同時得到一個既安全、又經濟的建筑結構設計.現今的結構分析都是依靠相應的分析軟件得以實現,而分析軟件為適應各類不同的工程,設計參數都有一定選取范圍,有些參數的設置不合理,會直接造成分析結果的失真,甚至完全錯誤.《建筑抗震設計規范》和《高層建筑混凝土結構技術規程》對結構分析以及結構分析軟件中的參數設置都提出了具體要求.由于考慮到填充墻對建筑結構自振周期的影響,《高層建筑混凝土結構技術規程》第 4. 3. 17 條要求,在非承重墻體為填充磚墻情況下,應對高層建筑的計算自振周期進行折減,規范建議框架結構可取 0. 6 ~ 0. 7,并表明對采用其他非承重墻體時,可根據工程情況確定該系數.
當設計的工程只有周邊維護,維護墻體較少時,不宜折減太多,以免過多地增大結構地震作用.根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第 5. 2. 2 條要求,考慮現澆樓面對框梁的翼緣作用,樓面梁剛度增大系數可根據翼緣情況取 1. 3 ~ 2. 0.在軟件中對中梁和邊梁剛度的放大可按規范取值,以在計算中增大框架結構整體的抗側剛度.此外,《高層建筑混凝土結構技術規程》第 3. 7. 3 條有樓層位移計算不考慮偶然偏心影響的注釋,因此在進行結構彈性層間位移分析時,可不用考慮偶然偏心.鋼框架結構由于施工周期短,工廠化程度高,承載性能良好,在現代工業建筑中的應用日益廣泛.
其類型按抗側力體系可以分為: 純框架\\( UBF\\) 、中心支撐框架\\( CBF\\) 和偏心支撐框架\\( EBF\\) 等.中心支撐框架\\( CBF\\) 結構體系是指支撐斜桿連接于框架梁柱節點上.偏心支撐框架\\( EBF\\) 中的支撐斜桿,應至少有一端與梁連接\\( 不在柱節點處\\) ,另一端可連接在梁與柱相交處,或在偏離另一支撐的連接點與梁連接,并在支撐與柱之間或支撐與支撐之間形成耗能梁段.當建筑物高度增加時,水平荷載\\( 風荷載及地震作用\\) 對結構起的作用愈來愈大,除了結構內力明顯加大外,結構的側向位移增加更快.結構內力、位移與高度的關系,都呈指數曲線上升\\( N= f\\( h\\) ,M = f\\( h2\\) ,= f\\( h4\\) \\) .由于純鋼框架體系剛度小,通常 6 層以上的鋼框架結構建筑,往往是層間位移起控制作用.增加支撐體系,可提高結構的整體剛度,減少梁、柱用鋼量,使梁、柱節點承受的彎矩減小,構造相對簡單.此外,結構中沿豎向布置支撐,也使得結構承受水平荷載\\( 地震、風荷載\\) 時有了雙重防線: 第一道防線是豎向支撐; 第二道防線是框架,有利于結構抵抗地震作用.因而框架一支撐體系在多、高層鋼結構工業建筑中得到了廣泛應用.
但在中、高層鋼結構中,支撐布置方式的改變,會導致結構抗側剛度的相應改變,而不同的側向剛度使得結構承受的地震作用的大小也不同.有關文獻中通過側移計算結果與比較分析得出結論: 在抗側剛度方面,人字形支撐比單斜桿支撐要好; 在用鋼量方面,人字形支撐顯然要比單斜桿支撐經濟很多.因此在多高層鋼框架支撐結構中,應優先采用人字形支撐.另有研究表明: 偏心支撐框架體系是一種非常剛勁的結構體系,它具有極好的耗能能力以抵抗大的地震作用.在中小地震烈度地區,優先考慮采用人字形中心支撐體系,而在大地震烈度設防地區,宜優先考慮采用人字形偏心支撐體系.建議支撐設置可按以下原則: ① 在多高層鋼框架結構中,不論采用單斜桿支撐,還是人字形支撐,其抗側剛度都遠好于純框架結構.② 不論是采用中心支撐,還是偏心支撐,將支撐沿豎向集中布置于中間跨的抗側剛度都好于將支撐布置在邊跨以及其他跨上.③ 在相同支撐布置形式下,采用人字形支撐比采用單斜桿支撐經濟且抗側移剛度好.④ 偏心支撐框架在節省用鋼量、不至于降低抗側移剛度方面,可保證與中心支撐框架相當的效果.⑤ 對于單斜桿偏心支撐,綜合考慮結構的承載力、抗側剛度、耗能能力和已有研究成果.建議耗能梁段長度 e 的取值 e =\\( 0. 7 ~1. 3\\) Mp/Vp,考慮剛度因素為主時取小值,耗能能力為主時取大值.
3 結 語
嚴格來講,目前還很難找到能夠從宏觀上對結構變形給出綜合描述的參數指標.在當前世界各國的抗震設計規范中,盡管對變形驗算的控制目標和采用的標準有所區別,但基本上都是采用層間位移角和柱頂位移作為變形驗算的控制參數.雖然層間位移角和柱頂位移在實際應用上具有簡單易行的優點,但為了能夠對結構的變形狀態給出準確地描述和判斷,在層間位移角和柱頂位移的使用上需考慮結構體系的區別、結構設計水平和計算分析水平以及實際工程的可行性等諸多條件的限制,才能對結構反應狀態給出合理的評價.
鋁工業建筑位移變形控制的重點在于依據規范,要求設計者能掌握各種結構構件的作用,并加強對房屋整體工作的理解,詳細解讀規范中有關規定的依據、參數及適用條件,既能從量的方面符合要求,又能從構造措施方面進行概念設計,靈活地運用在工程實際中.文中關于混凝土框架中調整梁、柱截面尺寸,鋼框架結構中加設支撐等方法希望能為廣大設計者提供一些設計思路.
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