工业建筑中单跨框架结构设计分析

工业建筑中单跨框架结构设计分析

黄敏

中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司，重庆  400016

摘要：在工业建筑中，单跨框架结构的应用十分普遍，但是抗震性能得不到保障，当发生地质灾害时，很容易对建筑结构的稳定性带来严重影响，出现受力不均等问题。为了避免出现这种情况，可采取适当的手段改变结构形式，在单跨方向设置少量剪力墙，提升结构竖向刚度分布的均匀性，保证结构楼板的连续性，控制结构的层间形变，采用性能优化设计方法，合理布置楼面次梁，从而充分展现单跨框架结构设计优化的作用。本文对此进行简要的分析研究。

关键词：工业建筑；单跨框架；结构设计；设计要点

一、工程概况

本次所研究的是某中学的一栋工业厂房设计，该厂房总建筑高度是21.3m，共5层，总建筑面积在2000m2左右，其抗震设防类别是乙类，所在区域内的设防烈度是7度，基本地震加速度设计值是0.1g，地震设计分组是第三组，框架抗震等级设计为二级。在本次对该厂房进行改造的过程中，需要对其多层单跨形式的框架结构进行设计。

二、多层单跨框架结构相关理论研究

所以在具体的设计中，应按照《建筑抗震鉴定标准》GB50023-2009中的相关规定，将该项目的抗震设防烈度比其所在区域的设防烈度高一度的标准来进行抗震措施核查，并严格按照该建筑所在地区的设防烈度要求来进行抗震验算。因本次加固设计之后的设计使用年限需要达到36年，所以可判断出该建筑为B类。基于此，在具体的设计中，该建筑应按照B类建筑中的抗震鉴定方法来进行抗震鉴定。同时，因为该项目为多层单跨形式的框架结构，所以其抗震鉴定方法应选择B类钢筋混凝土房屋鉴定法，以此来鉴定其抗震改造措施的合理性，并合理验算其地震承载力。

三、设计方法概述

在对该建筑工程项目中的多层单跨框架结构进行设计时，需要将其实际情况作为依据来进行抗震加固方案的合理制定。为达到良好的抗震加固效果，具体设计中，可通过构件抗震承载力的提升、结构变形能力的增强以及框架结构体系的改善等方式来进行加固设计。同时应该将本次工程项目的有限元分析鉴定结论作为基础，将当今常用的受力型框架结构加固方法加以合理应用，比如截面增大加固法、型钢外贴加固法以及纤维复合材料外贴加固法等。但是上述加固方法仅仅能够让上述有限元鉴定分析中的第二个问题得以有效解决，并不能让整个项目中存在的安全问题从根本上得到解决。基于此，在具体的设计中，就需要对其加固设计思路加以科学改变，也就是从项目结构体系改变的思路出发，让上述有限元分析鉴定中的所有问题都能够从根本上得到有效解决。

四、单跨框架结构设计原则

（一）整体合理性原则

在建筑设计正式开始之前，需要提前考察建筑结构的实际情况，将建筑结构的刚硬度和承载能力相结合。在单跨框架结构设计时，应将抗震概念融入其中，在发生地质灾害时，能够从不同方面将荷载进行吸收，减少外力对建筑结构稳定性带来的影响。可将每部分建筑物进行串联，将其作为一个整体对待，从源头上解决抗震问题。

（二）建筑设计与抗震设计的结合

抗震设计是以建筑设计作为主要基础的，在工业建筑单跨框架结构设计过程中，可将两者进行有效结合。例如充分考虑到当地的地质、地形、气候等因素，合理预测可能出现的意外情况，以提升设计的合理性。将抗震设计理念融入到建筑设计中，并非简单的加固建筑物外围，或是利用强度更大的材料，而是要提前做好一切准备工作，进行周全的考虑。

（三）整体与部分的结合

在工业建筑设计中，任何一个环节设计的不规范，都会引起连锁反应，为后续工程的顺利进行带来严重影响。例如部分设计为了保留大面积的底部空间，而忽略了抗震墙的设计；或是为了美观性，上层墙体和下层墙体之间无法进行有效对接，这些都让建筑结构稳定性得不到保障。仅从单跨框架结构的设计来看，应做到整体和部分的结合，准确把握结构中的薄弱部位，关键处的承载结构一定不能省略。

五、工业建筑中单跨框架结构设计要点

（一）在单跨方向设置少量剪力墙

由于单跨框架结构缺乏冗余的约束，在抗震性能方面严重不足。在实际设计中，应充分考虑当地的地质、地形等特点，是否为地质灾害频发地区，以及过往发生过的灾害的严重程度，根据实际情况增设抗震防线，使得抗震体系更加科学。在管线设计方面，应避免和其他结构发生碰撞，保持好相对距离，确保钢心和质心呈现重合状态。

（二）提升结构竖向刚度分布的均匀性

GB50011-2010《建筑抗震设计规范（附条文说明）（2016年版）》中有明确的规定，如果本层侧向刚度小于上层的70%，或是小于以上三个楼层侧向刚度平均值的80%，就被称为侧向刚度不规则，在地震或其他地质灾害发生时，这部分受到的影响最为严重，裂缝、倒塌等问题都会发生。在单跨框架结构设计过程中，有关人员要充分重视结构在竖向刚度分布方面的均匀性，尽可能让各楼层刚度保持一致，以免在结构设计方面出现明显的缺陷。工业建筑的设计也要尽可能保证每层的高度都大致相同，防止相差过大。

表1 常规设计 单位：mm

表2 性能化设计 单位：mm

（三）保证结构楼板的连续性

楼板的设计和建设不应断断续续，而是应保证连续性，楼板厚度控制在100mm以上，从而提升其抗震性以及承载能力。在楼板结构连续性得到保证的基础上，建筑框架在地震发生时能够吸收更多作用力，可有效抵御水平作用。在部分工程设计中，可能会遇到开大洞的情况，应保持有效楼板宽度大于本层楼板宽度的50%，将开洞总面积控制在该层楼板的30%以内。为了避免出现强度不足的问题，可适当增加配筋，或布置次梁。

（四）控制结构的层间形变

从对以往单跨框架结构的设计和实际应用的分析不难看出，稳定性不足是该结构较为突出的问题。在实际设计中，要将重点放在提升稳定性方面，刚重比是不可忽视的重要环节。钢框架柱的截面应该在500mm*500mm以上，柱轴压比在0.15以下，遵循由低到高的顺序，沿着框架柱对钢筋进行捆扎和加固处理。如此一来，结构出现形变的概率就会大大降低，即便在柱端出铰的情况下，单跨框架结构仍然具有很强的稳定性。

结束语

综上所述，在对多层单跨形式的框架结构进行设计时，相关单位和设计人员一定要按照相应的规范与标准，对其结构加固进行科学的计算和设计。通过这样的方式，才可以让多层单跨框架结构与建筑工程的实际应用需求相符，实现整体建筑工程设计、建设质量及其后续应用效果的良好保障。这对于多层单跨形式的框架结构合理改造以及现代化建筑工程行业的发展都将起到十分积极的影响作用。

参考文献

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