工业建筑中单跨框架结构设计研究

工业建筑中单跨框架结构设计研究

季陆

650102198206281211南京泽众环保科技有限公司   江苏南京  210000

摘要：单跨框架结构是一种抗震能力较差、没有冗余约束的空间结构类型。在概念设计要点的基础上，利用对结构的优化与调整，提升抗震性能。基于此，简单分析这一结构的设计方案，并以实例为主进行深入探讨，仅供参考。

关键词：工业建筑；单跨框架结构；设计

前言：单跨框架结构会由于冗余约束的缺失，导致抗震能力无法符合相关标准，会在地震发生后造成严重破坏。因此，需要对其进行概念化设计，利用相关构造措施确保单跨框架结构符合抗震标准，提升结构安全性。

1. 设计方案
   1. 遵循设计原则

一是整体合理性原则，也就是在设计工作开展之前，对整体结构进行考察，包括刚度、承载能力等要素。在设计过程中融入抗震概念，确保能够在发生地震等灾害时，实现对荷载的多方面吸收，减少不利影响。

二是将建筑与抗震结合起来设计，比如在设计时考虑地质情况、地形条件、气候变化等因素，对有可能发生的突发情况进行预测，确保设计的科学性、合理性。但是，二者的结合不是简单组合，而是需要考虑整体，做好周全的准备。

三是整体与部分相结合，这是为了避免设计环节的失误造成连锁反应，影响工程建筑。例如，为了底部空间富余对抗震墙设计有所忽视，或者是为了美观好看，导致上下层墙体没办法正常连接。这些问题都会影响建筑稳定。因此，需要做到整体与部分的相结合，把握每个设计细节，确保关键结构不被忽略[1]。

1.2优化建筑结构

建筑结构的优化首先要选择合适的工程材料，从材料方面提升建筑稳定性和工程质量，并且，通过材料的相互组合，利用不同材料性能的差异性，满足不同建筑结构的需求。因此，在实际建筑中，要以综合性角度为切入点，选择性价比最高的建筑用料。比如，在采购防火材料时，要注意，不能只注重材料的耐火性，还需要考虑工程建设的混凝土强度与其他影响因素。

1.3建筑细节

1.3.1剪力墙

在设计阶段，相关人员应该为提高抗震能力尽量设置多道抗震防护线，并且，需要对建设现场环境进行考虑，观察是否为高烈度区，确保抗震防护线的建立完善。与此同时，避免管线的碰撞，需要及时联系负责人，精准控制管线与其他物体的实际距离，尽量避开剪力墙、轴线。另外，在剪力墙设置过程中，需要保证刚心与质心的状态是重合的，第一时间调整错误结构，避免地震发生后导致结构出现扭转，造成严重影响。

1.3.2分布均匀性

这一细节主要是针对结构在竖向刚度方面，尽可能保持一致，避免缺陷影响设计，造成建筑坍塌、裂缝的现象，危害人员安全。同时，确保每层的高度保持相同，差值不能过大[2]。

1.3.3连续性

这一细节则是针对结构楼板，在保证连续性的基础上确保厚度能超过100mm，进而实现抗震效果提升目标。然后，在此基础上，可以促使框架吸收地震发生时的作用力，形成对水平作用的抵御能力。最后，一些工程会出现开大洞的现象，面对这一情况，需要保证楼板宽度在有效的情况下大于该楼层楼面宽度的50%，将楼板开洞总面积把控在楼面面积的30%以内，同时可以利用配筋、次梁的布设增加强度。

1.3.4形变控制

在单跨框架结构设计中，失稳是最容易出现的问题。在实际设计中，需要按照由低到高的顺序，捆扎、加固处理钢筋，降低结构形变的概率，进一步提升结构稳定性，哪怕是在柱端出铰情况下，仍然保持较高稳定性。

1.3.5楼面次梁

在这一方面主要是需要对传统竖向荷载的方式进行打破，根据实际情况适当调整框架梁和次梁截面的高度，确保能超过跨度的10%。与此同时，由于圈梁对于建筑墙体而言是拉结作用的主体之一，需要按照相关规定要求，按照凹凸形的拉结方式设计横墙，进而抵消地震下产生的巨大作用力。

1.4优化设计方法

一般情况下，工业建筑有着较大的占地面积，但由于不是为了提供住所，所以在部分设计和建设环节都会出现一些问题，尤其是单跨框架结构，缺陷明显突出。因此，在这一结构的设计过程中，设计人员需要将高度、地震等级、防护能力等作为参考依据，需要不断增强结构的安全性能，使其可以在地质灾害发生情况下，仍然保持符合工程标准的稳定性与强度。具体如下所示：

首先，如果是单层的结构设计，则需要保证抗震能力等级为乙类，楼面上也没有大型施工设备。并且，以弹性设计为主，适当提升抗震能力等级，遵循“小震不坏、中震可修、大震不倒”原则，保证建筑可以面对更多突发事件。

其次，建筑高度以24m作为分水岭，超过24m，且抗震等级为乙类，就需要将弹性设计作为设计原则，需要设计人员反复对比，避免图纸错误。如果是低于24m且楼层较多，或者是超过24m但是抗震等级为丙类的，单跨框架结构都需要按照中震进行设计，充分考虑抗弯、抗剪等设计。

最后，在实际的计算中，需要利用PK 进行准确分析，会得到更为保守的配筋结果。而由于单跨框架结构是竖向受力，利用PK 计算，可以使其提升建筑抗震能力。另外，在利用PK和有限元两种方式进行计算时，得出结论：配筋面积会在空间协同不被考虑的情况增加，而框架构造则不会有明显变化。可以根据结构的受力程度，对关键部位进行包络设计，进而提升这一部位的安全性和抗震性。

2. 实例分析
   1. 工程概况

某工业建筑是一个两层高的建筑物，基本大小为15m×7m×11.5m，是单跨框架结构，并在其他装置中处于核心地位。这一建筑的抗震等级为乙类，抗震设防烈度是每0.1g为7度，根据这些信息，组织对单跨框架结构的设计工作[3]。

2.2概念设计

一是管廊的设置导致空间有限，支撑与剪力墙都不可以设置在一层的短跨上。二是一二层的层高分别设置为6.5m、5m，差异没有那么明显，可以为结构竖向上的规则状态提供一定保障。三是不做大开洞操作，可以进一步避免楼板断裂，提升整体建筑的刚度。四是利用次梁设置对受力作用进行分化，避免过大荷载造成结构出现变形问题，五是将框架柱和框架梁的截面设置为650mm×700mm×350mm×750mm的。

2.3性能设计要点

框架的抗震等级为乙类，高度为11.5m，按照中震设计原则布置结构，而且，框架柱和框架梁在抗剪能力方面都设计为弹性抗弯，框架柱为弹性，框架梁则是不屈服，将抗震等级设置为三级，促使建筑在中震影响下系数最高为0.23%。

2.4抗震设计要点

随着工业建筑规模的不断扩大，即使单跨框架结构在抗震方面效果不太理想，但是，由于工艺需求不断增加，在实际建设中仍然会采用这一种结构。如果没有做好相应的抗震设计，就容易在强震下增加侧移量，建筑倒塌的可能性也会增加，造成严重后果。因此，需要做好这方面的设计工作，提升结构的抗震能力。

首先，控制轴压比。轴压比的不断增大也会导致受剪承载力呈现增长趋势，在轴压比为0.4时，这一承载力几乎上升至峰值状态。因此，在本次建筑工程中，对轴压比进行严格管控，除去部分框架柱，其他的轴压比都需要控制在0.2-0.3这一范围内，有助于改善框架结构的安全性能，大大提高受剪承载力。

其次，引入箍筋闪光对焊技术。这一技术的引入，主要是为了形成封闭式环状箍筋，在借助这项技术后为箍筋的连续性、分布均匀性提供相应保障，进一步增强约束作用，确保箍筋约束下的混凝土可以具备较高水平的抗压能力。而且，相比于其他没采取该项技术的箍筋，技术的支撑可以有效规避箍筋“炸开”的危险，有着较为理想的耗能能力，且抗震性能较强。

最后，设置芯柱，这也是提升工业建筑抗震性能的最佳途径。弯矩一般情况下是来源于柱截面的，通常会设置在框架柱周围，即使混凝土保护层出现裂缝，都可以保证核心位置的钢筋和混凝土具备良好稳定性，也就是黏结状态并不会因此遭受破坏。加上，芯柱结构的完整可以在地震发生后，缓解对框架柱造成的伤害。另外，如果外围混凝土失去作用，芯柱仍然可以承受竖向荷载，也就是说，在芯柱的支持下，哪怕发生地震也不会出现明显的坍塌现象。

结论：综上所述，单跨框架结构是最普遍也最容易出现问题的结构，为了进一步保证工业建筑的安全与稳定，需要设计人员遵循相关设计原则，在了解实际情况的基础上对其进行优化调整，确保抗震效果可以实现最优化。

参考文献：

[1] 刘昌志. 工业建筑中单跨框架结构设计方案[J]. 建筑技术开发,2021,48(10):11-12.

[2] 张栋英. 工业建筑中的单跨框架结构设计实践探讨[J]. 砖瓦世界,2021(3):127-128.

[3] 王晓斌. 工业建筑中的单跨框架结构设计实践探讨[J]. 山西建筑,2020,46(24):29-31.