工业厂房“塔式结构”设计及构造的心得

　　本人于 2008 年和 2014 年分别在黑龙江省 ( 安达市及绥棱市) 两个地市设计乳品厂房，其中厂房中重要的核心部分就是高层塔。所谓高层塔：指的是该建筑物的长度与宽度大致相同，且平面尺寸皆不大，高度较高，整个建筑显得细长 ( 尤其是该建筑位于整片单层厂房的一部分) ,所以在外观上更似 “塔”的形状。

工业厂房“塔式结构”设计及构造的心得

　　1 工业高层塔的特点

　　它是整个钢结构厂房的一部分，但它的承重材质非 “钢结构”,而是钢筋混凝土结构，即高层框架结构体系。受工艺条件的严格制约，层高较高( 5 ~7m 左右) ; 局部楼层开洞较大，但一般皆可以控制在 30% 以内; 每层荷载分布极不均匀，而且荷载较大。

　　2 设计计算前所要考虑的问题

　　( 1) 将 “塔”看成竖向弹性构件体系，控制体系的高宽比例，以保证其稳定性。

　　( 2) 考虑飓风和地震力所产生的双向水平侧向力。

　　( 3) 由于工业高层塔的自身特点 ( 各种工艺设备的形状及荷载相差较大) ,所以尽可能使该建筑平面，体型，立面刚度尽量保持对称与均匀( 可通过框架平面主次梁及柱调整刚度和传力荷载) 使结构整体不会出现薄弱环节。

　　( 4) 妥善处理因水平力 ( 如飓风，地震力) ,温度变化和基础沉降所带来的梁柱节点的变形要求，故在采用深基础的前提下，加大承台的埋深，保障结构的安全可靠性。

　　( 5) 该建筑受工艺要求繁琐; 设备管道多，具有特殊的消防，通风，排烟设置，尚需对散热，供暖及加风压进行的考虑，如此便要求合理的建筑层高，合理的布置竖向交通 ( 即确定楼梯及采用所需爬梯的位置) .

　　3 设计过程中所要考虑的注意事项

　　( 1) 框架结构的竖向构件 - 柱，截面尺寸有限，抗侧刚度较小，在地震力作用下，其水平位移比较大，自身容易较大变形而引起结构构件的破坏。

　　( 2) 实现工程中的 “强柱弱梁”模式 - 某些构件进入非弹性，出现塑性铰，避免其局部的脆性破坏，通过变形以吸收和耗散震能，从而提高结构的抗倒塌能力; 但在使用 SATWE 软件计算中，其一框架梁的刚度是没有考虑现浇混凝土楼板对框架梁的 “有利约束”故梁端弯矩相应增大，但是所增加的配筋全部配置在梁内，而楼板是按自身受力单独计算配筋的; 软件计算使用时，梁的裂缝控制一般在 0. 3mm 以内的，而实际正常情况下，梁是有翼缘的，且梁在受压区是配有足够钢筋的，所以构件在现实的正常使用情况下其裂缝是不大的。以上两点均使梁配筋过大，故设计时人为弱化梁的刚度及其支座处的配筋，同时将框架梁跨中的钢筋稍增加 ( 原计算钢筋量的 1. 05 -1. 1 倍左右) ,一方面用以控制，降低梁的裂缝。另一方面使建筑体系接近 “强柱弱梁”的模式。

　　( 3) 此种 “塔式结构”在地震力的作用下，对建筑物的四角而言 - 角柱会产生极大的扭转并承受较大的剪力，同时也可能受到双向的弯矩作用，故应对角柱对称放大其配筋率。平面布置中，楼梯间是不应布置在首跨中的 - 避免减少楼板及梁对角柱的约束，此外除正常楼面设置框架梁之外，首跨在窗顶处设置适量的框架梁，用以减少水平力作用下，角柱在两个方向的扭转。对所有框架柱而言 -其在竖向力的作用下，通常情况梁受弯大于柱的受弯变形，但在强水平力的作用下，柱所受震害则远大于梁所受震害，尤其柱底钢筋在地震力反复作用下，混凝土极易剥落，而柱内主筋易达到屈服点，其抗剪强度明显不足，所以设计时人为加大柱的刚度 ( 截面尺寸) 与柱底钢筋的强度 ( 特别是柱底箍筋的强度) ,使得框架柱在抗震受力时难以出现塑性铰，使每个框架柱皆具有足够大的抗剪能力。

　　( 4) “塔式结构”中的梁柱设计主要依据弯矩分配法对其内力进行计算，对框架梁柱节点的加强可通过构造节点措施的加强而实现。用 “反弯点法”对框架在水平荷载作用下进行计算，并应该进行变形的验算。

　　4 工程实例一

　　2008 年于安达市设计一乳品工业厂房，主体为门式钢结构，钢柱跨度 24m 及 30m 两种形式。厂房内设高层塔，六层，塔主体总高度为 42. 5m.塔平面设有大量设备且多为震动荷载，柱轴压在 380T -570T 之间，单柱轴压相差较大，故采用的是深基础，而且加大承台的刚度及其埋深。实际设计中采用 Φ600 超流态钻孔灌注桩，桩端至少进入地质报告中的第六层土 ( 粗中砂) 2m 以上，桩长不应小于15m,单桩承载力设计值不小于 140t.布桩不应以平面竖向导荷为依据，考虑水平力对 “塔结构”影响较大，仅仅考虑竖向力其安全性差，故基础布桩应以 SATWE 结果为准 ( 考虑水平力，所受弯矩较大) ,详见图1.桩基础的刚度较小，决定其抗水平弯矩的能力弱，假若一旦弯矩使塑性铰出现在柱底 ( 桩顶) 则对整个建筑极其不利。故在该设计中“高层塔”的嵌故可认为设置在零米层处，采用设置且加大零米层处的地基梁，由于工艺要求，零米层处要作 200 ~250mm 厚的建筑地面，结构将其按0. 2% 左右的配筋率双向双层构造配筋，形成刚性地面，如此可作为建筑物的嵌固端使用，即可调整其基础的不均匀沉降，又可使主体形成一种稳定的体系，减少柱根处的位移，提升其稳定性能，增强建筑物的抗震能力，减少水平力所带来的隐患，防止主体结构出现滑移，扭转与倾覆。

　　5 工程实例二

　　( 1) 工程概况; 单层厂房采用 24m 跨门式钢架，柱顶标高 7. 500m,内设办公区，冲洗区，食堂及 “工业高层塔”.塔总高度为 26. 2m,共 5 层( 不含夹层 ) . 局部楼层 ( 标高为 6. 400m,10. 70m) 开设的洞口较大。部分面荷载为 3 - 7T /m2,线荷载为 2. 5 ~20T/m.

　　( 2) 整体计算; “塔”在整个厂房中占地面积较小，横纵两个方向的柱跨数都不多，所以其建筑物的抗震能力不是很强，故框架柱的截面尺寸设计并非按其轴压所确定。该工程柱截面尺寸取800X800 及 850X850 两种，而最大轴压仅为 0. 22.建筑物的抗震分析不是太难，故阵型组合数值取 12~ 15 即可; 塔内的填充墙体不是很多，但层高较高，填充墙内每 3 ~5m 设 200X200 的构造柱，墙沿水平方向设200X300 梁以形成局部框架 ( 但应该注意的是; 所新设的梁与框架柱之间连接设成铰接) ,所以在进行整体计算时，结构周期的折减系数宜取0. 7 ~ 0. 8 之间进行验算。此外尚应注意的是; 填充墙是不可以采用120 承重砌块的 ( 此虽非承重结构，但属于刚性结构) ,因为其抗震变形与框架主体相差较大，影响 “塔”整体计算的结果。

　　( 3) 使结构体系接近 “强柱弱梁”,软件设计中的 “梁设计弯矩放大系数”和 “梁活荷放大系数”皆不可加大。适当减少梁的刚度-因为软件设计时的框架梁是不考虑现浇楼板作为梁的受压翼缘的，此难反应梁的真实性能。尽量减少柱端的梁对框架柱的约束，使在地震时梁端首先出现塑性铰，可以出现较大的塑性变形 ( 其塑性铰可出现在梁端，但应绝对避免塑性铰出现在柱底部) ,产生一定的变形，用以耗散地震能量; 800X800 的柱作为下一道抗震防线-体积配箍率不小于 2. 0%,纵向钢筋含量宜适中，配筋不宜过大，箍筋采用复合井字箍，形成核芯柱，当柱出现弯裂缝，特别是剪切裂缝时，构造所形成的核芯柱可以有效的减少柱的压缩，特别是建筑物中框架柱的截面尺寸皆较大，大部接近于 “短柱”,如此措施可保证柱的外形和截面承载力，使其具有较好的延性，有利于提高其变形能力。

　　( 4) 要有目的地加大框架梁柱 ( 特别是底层框架柱) 的剪力设计值，防止梁，柱底部在弯矩屈服前出现剪切破坏，实现 “强剪弱弯”,满足各构件的延性，增加其塑性变形能力，防止其脆性破坏。尤其建筑体系中的角柱，易受双向地震力的作用，扭转效应对内力影响较大，震害相对严重，在设计中 -内力计算按两个主轴方向分别考虑地震的作用。弯矩设计值，尤其是剪力设计值予以适当的加大。

　　( 5) 高层工业塔中部分设备是贯通几个楼层的，不仅每个楼层所受荷载相差过大，而且部分楼层板所开设的洞口也过大，单个层高之间亦不相同。如此在强水平力 ( 地震力) 作用下，整个结构的抗侧位移刚度严重不规则，宜于某层产生较大的强行位移，形成薄弱层 ( 刚度变化不符合高规3. 5. 2 条要求的楼层; 承载力不符合高规 3. 5. 3 条要求的楼层) ,威胁整个建筑物的抗震能力，故在每层刚度调整中，层与层上下间的刚度差不宜大于30% ,同时在软件分析中，可人为将 “认为” 是薄弱层的楼层的地震剪力放大 1. 15 倍，同时对结构进行强塑性变形验算。所得数据满足 ( 抗规)中 3. 4 章 ( 建筑设计和建筑结构的规则性) 的各项要求。另外在软件的整体计算中应步入楼梯，从设计上可考虑减少楼梯刚度对整体结构的影响。楼梯不宜作成折梁或折板，避免其在地震作用下产生的拉、压力对框架柱造成影响。

　　( 6) 框架梁及所受荷载较大的环形梁 ( 线荷20T / m) 截面宽度不宜小于 400mm,配置 4 肢箍筋，次梁的截面尺寸也不宜小于 300mm,适当的加大梁跨中的计算钢筋 ( 1. 1 ~ 1. 15 倍) ,同时相应减少梁支座处的钢筋含量，配置抗拉强度高的钢筋，提高混凝土的标号 ( 不小 C40) ,使得框架梁在抗震设计中达到 “强剪弱弯”的效果。部分梁柱平面图详见图 2.

　　( 7) 在本设计中，各构件 ( 框架梁柱，特别是底层框架柱) 的刚度及配筋都较大。故难以实现 “强节点弱构件”的结构体系。但节点核心区是保证框架承载力和抗倒塌能力的关键部位，其受力复杂，易发生非延性破坏，引起与节点相连接的各构件破坏，所以在设计中节点区通过构造措施有所加强 ( 具体表现在梁柱钢筋的相互锚固) ,并按三级抗震等级进行抗震受剪承载力的验算。注明;其节点核心区承载力的验算并非 ( 高规) 规定，而应按 ( 混凝土结构设计规范) GB50010 的有关规定执行。规范对顶层和中间层节点核心区取值是按不同计算公式的。软件分析结构 “高层塔”框架梁柱中间层节点，顶层节点在地震力，风荷载等水平力反复作用下，都会产生位移，造成梁柱节点内钢筋发生滑移现象。分析结构表明，顶层节点的延性需求比中间层节点较小; 顶层的震害比其他楼层的震害要轻，故中间层梁柱节点处梁内上部钢筋的锚入柱内应有所加大。

　　6 结束语

　　综上所述，就是通过近几年的两个亲自参与的工程实例与相应规范要求，得出的作为工业厂房中的 “塔式结构”设计及构造的一些体会，可供同行参考。

　　《工业厂房“塔式结构”设计及构造的心得》来源：《林业科技情报》，作者：赵巍,黄树强