高震區(qū)結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

Suggestions on Structure Analysis and Optimization Design in High Intensity Seismic Zone

李紅雨

針對(duì)處于高震區(qū)的工業(yè)建筑，本文從結(jié)構(gòu)體系、計(jì)算及構(gòu)造、概念設(shè)計(jì)等方面著手，以保證工程的合理安全性為前提，以努力實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性為目的，提出了一些結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議。

工業(yè)建筑；高震區(qū)；結(jié)構(gòu)體系；優(yōu)化設(shè)計(jì)；經(jīng)濟(jì)性

隨著總承包及涉外工程項(xiàng)目的增多，在高震區(qū)建設(shè)工業(yè)廠房的概率也越來越大，本文從結(jié)構(gòu)體系、計(jì)算及構(gòu)造、概念設(shè)計(jì)等方面著手，以保證工程的合理安全性為前提，以努力實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性為目的，對(duì)處于高震區(qū)的工業(yè)建筑，提出了一些結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議，以供同仁參考。

1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

在高震區(qū)環(huán)境下，結(jié)構(gòu)物承受大的橫向作用的途徑只有兩種，要么以柔克剛，要么以剛治剛。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)而言，其自身高強(qiáng)、輕巧的特性決定了其在高震區(qū)結(jié)構(gòu)有更廣泛的利用空間，更能實(shí)現(xiàn)以柔克剛的目的。除為滿足特殊生產(chǎn)需要外，對(duì)于一些生產(chǎn)布局簡單、設(shè)備小型化的生產(chǎn)車間而言，鋼結(jié)構(gòu)形式（鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)）都不失為一個(gè)很好的選擇，能很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)省工程造價(jià)、縮短工期的目的，如轉(zhuǎn)運(yùn)站結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)料堆棚、帶吊車的框排架結(jié)構(gòu)等都可以采用。

對(duì)于大型車間尤其是帶有重型設(shè)備的車間或者是其他因?yàn)樯a(chǎn)需要的，如有防火等需求的車間等，混凝土結(jié)構(gòu)尤其是框架結(jié)構(gòu)的選擇將是不可避免的，當(dāng)然在工業(yè)建筑中混凝土結(jié)構(gòu)以其廣闊的適應(yīng)性、后期的無需維護(hù)性一直以來被廣泛采用。在高震區(qū)下，混凝土結(jié)構(gòu)由于自身較大的自重會(huì)產(chǎn)生更大的橫向作用，結(jié)構(gòu)自身的承載能力會(huì)被自重部分抵消，有效承載能力有所降低，因此在設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)我們需根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特性盡量避免肥梁胖柱，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕巧化以減輕自重，從而降低地震作用，降低造價(jià)。

結(jié)構(gòu)體系的選擇也直接受抗震規(guī)范的約束：規(guī)范給出了現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的結(jié)構(gòu)類型和最大高度，見表1。

可以看出，在9度地區(qū)，框架結(jié)構(gòu)的適應(yīng)高度只到24m，超過此高度的結(jié)構(gòu)或者是平面和豎向均不規(guī)則的結(jié)構(gòu)在＜24m的情況下就應(yīng)采用框架-抗震墻結(jié)構(gòu)等其他結(jié)構(gòu)形式或鋼結(jié)構(gòu)。具體采用何種結(jié)構(gòu)，應(yīng)視情況而定。

同樣，規(guī)范也指出了鋼結(jié)構(gòu)民用房屋的結(jié)構(gòu)類型和最大高度，見表2。

對(duì)于工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)中的框架、支撐框架、框排架等結(jié)構(gòu)體系的多層廠房的結(jié)構(gòu)類型和最大高度表1仍是適用的，但其抗震等級(jí)的高度分界較規(guī)范相應(yīng)規(guī)定（第8.1.3條）降低了10m。

表1 現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的結(jié)構(gòu)類型和最大高度

在工業(yè)建筑中，上層為鋼結(jié)構(gòu)下層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混合型結(jié)構(gòu)因很好地滿足生產(chǎn)需要的適應(yīng)性也經(jīng)常出現(xiàn)（如下部為砼框架上部為門式鋼架，下部為砼框架上部為鋼倉，

當(dāng)然下部為砼框架上部為大型收塵器的此種形式也可以劃歸此類）。它綜合了兩種材料的結(jié)構(gòu)形式，在抗震分析中是有其特殊性的，如阻尼比、周期等方面。規(guī)范中對(duì)于此種情況也有明確的規(guī)定：突出屋面的小建筑，一般按其重力荷載小于標(biāo)準(zhǔn)層1/ 3控制，對(duì)于頂層帶有空曠大房間或輕鋼結(jié)構(gòu)的房屋，不宜視為突出的小屋并采用底部剪力法乘以增大系數(shù)的辦法計(jì)算地震作用，而應(yīng)視為結(jié)構(gòu)體系的一部分，用振型分解法等計(jì)算。可見對(duì)于此種結(jié)構(gòu)形式，整體建模方式是其分析的最佳途徑。其次抗震分析中結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性對(duì)計(jì)算結(jié)果有著直接影響，需要認(rèn)真對(duì)待，如阻尼比、結(jié)構(gòu)周期等，它們對(duì)結(jié)構(gòu)的影響（包括以上提到的混凝土和鋼結(jié)構(gòu)）體現(xiàn)在地震影響系數(shù)上（見圖1），而這一系數(shù)直接決定著地震作用的大小。

表2 鋼結(jié)構(gòu)民用房屋的結(jié)構(gòu)類型和最大高度

結(jié)構(gòu)的阻尼可以消耗和吸收地震能量，阻尼越大，地震影響系數(shù)越小，對(duì)于阻尼比0.02的鋼結(jié)構(gòu)和阻尼比0.05的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)值，在Tj＜Tg時(shí)，其值比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)約增大20%～30%；在長周期Tj＞5Tg時(shí)，仍約增大20%。

對(duì)于阻尼比的取值，規(guī)范給出了各種結(jié)構(gòu)形式的相應(yīng)阻尼比，見表3。

除此外，規(guī)范還規(guī)定：

對(duì)于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的阻尼比，可依據(jù)屋蓋和圍護(hù)墻的類型，取0.045～0.05。

對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)廠房，在多遇地震下，結(jié)構(gòu)阻尼比可采用0.03～0.04；在罕遇地震下，阻尼比可采用0.05。

對(duì)于大跨屋蓋建筑，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)和下部支承結(jié)構(gòu)協(xié)同分析時(shí)，阻尼比應(yīng)符合下列規(guī)定：

當(dāng)下部支承結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)或屋蓋直接支承在地面時(shí)，阻尼比可取0.02。

當(dāng)下部支承結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，阻尼比可取0.025～0.035。

因此，對(duì)于上層為鋼結(jié)構(gòu)下層為鋼筋混凝土的混合型結(jié)構(gòu)，應(yīng)整體協(xié)同分析，其阻尼比與上部和下部結(jié)構(gòu)的組成比例有關(guān)，規(guī)范根據(jù)位能等效原則提出兩種計(jì)算整體結(jié)構(gòu)阻尼比的方法：

（1）振型阻尼比法

根據(jù)各階振型下的單元變形能，采用加權(quán)平均的方法計(jì)算出振型阻尼比。

（2）統(tǒng)一阻尼比法

要充分重視大型風(fēng)機(jī)、動(dòng)態(tài)選粉機(jī)等處于框架上的動(dòng)力設(shè)備，因?yàn)閯?dòng)力設(shè)備自身的運(yùn)轉(zhuǎn)是有一定頻率的，對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)速率較慢的設(shè)備，其周期較長，有可能與結(jié)構(gòu)的主要振型周期相

圖1 地震影響系數(shù)

表3 各種結(jié)構(gòu)形式的相應(yīng)阻尼比

兩種方法對(duì)于實(shí)際工程阻尼比的獲得有一定的操作難度，建議實(shí)際分析時(shí)可以根據(jù)上下兩種結(jié)構(gòu)的體量占比，結(jié)合規(guī)范對(duì)各結(jié)構(gòu)形式阻尼比的規(guī)定，采用內(nèi)插法的方式確定混合結(jié)構(gòu)的阻尼比。

另一對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響的因素是結(jié)構(gòu)的自振周期Tj，其合理取值直接影響地震作用的大小，對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)節(jié)也是通過這一因素加以體現(xiàn)，從而為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供有利途徑：在Tj＜Tg情況下，結(jié)構(gòu)受的地震作用是最大的（Tj＜0.1s此階段結(jié)構(gòu)基本處于剛體階段，不做考慮）；在Tj＞Tg情況下，隨著周期的增長，結(jié)構(gòu)所受的地震作用是經(jīng)歷（Tg＜T＜5Tg；5Tg＜T＜6s）兩階段在逐漸減小，當(dāng)然這種減小不是不受限制的，為了保證結(jié)構(gòu)的安全，抗震規(guī)范規(guī)定了結(jié)構(gòu)的最小剪重比，對(duì)最小地震力有限值要求?？梢娬{(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度改變結(jié)構(gòu)周期，能減小地震作用，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化。

同或相近，此種狀態(tài)對(duì)于結(jié)構(gòu)與設(shè)備而言都是很危險(xiǎn)的，對(duì)結(jié)構(gòu)與設(shè)備的作用力都有放大的可能。因此，應(yīng)盡可能調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期，避開設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)周期區(qū)間，或在條件允許情況下調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速率到結(jié)構(gòu)的自振周期區(qū)間之外，以避免引發(fā)共振。

2 合理施加荷載

對(duì)結(jié)構(gòu)分析、造價(jià)影響最大的還是結(jié)構(gòu)所受荷載（常規(guī)的恒、活樓面荷載、屋面荷載、積灰荷載、設(shè)備荷載、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)荷載、堵料事故荷載、倉載、偶然荷載等），尤其是在抗震設(shè)計(jì)計(jì)算直接影響結(jié)構(gòu)的重力荷載代表值的取得，從而決定地震作用的大小，因此荷載的正確有效施加在高烈度工況下對(duì)結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化顯得越發(fā)重要。

計(jì)算地震作用時(shí)，建筑的重力荷載代表值應(yīng)取結(jié)構(gòu)和構(gòu)配件自重標(biāo)準(zhǔn)值和各可變荷載組合值之和，抗震規(guī)范規(guī)定了各可變荷載的組合值系數(shù)，見表4。

另外規(guī)范也規(guī)定：在確定重力荷載代表值時(shí)，可變荷載應(yīng)根據(jù)行業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)樓面活荷載、樓面檢修荷載、成品或原料堆積樓面荷載、設(shè)備和料斗及管道內(nèi)的物料等采用相應(yīng)的組合值系數(shù)，貯料的荷載組合值系數(shù)可采用0.9。

除此外《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)此也有部分規(guī)定可供借鑒，其規(guī)定構(gòu)筑物的重力荷載代表值應(yīng)取結(jié)構(gòu)構(gòu)件、內(nèi)襯和固定設(shè)備自重標(biāo)準(zhǔn)值和可變荷載組合值之和，可變荷載的組合值系數(shù)見表5。

《水泥工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》也給出了地震作用時(shí)部分可變荷載的組合值系數(shù)，見表6。

綜上所述，在抗震分析中，荷載施加過程中有以下幾點(diǎn)需要注意：

（1）對(duì)于屋面活荷載（用作樓面用途的屋面除外）其組合值系數(shù)為0，不需要考慮，這對(duì)具有很大覆蓋面積的屋面（如儲(chǔ)棚結(jié)構(gòu)，大型框架結(jié)構(gòu)的屋面等）的地震作用的降低有很大影響，需要引起注意。

（2）當(dāng)確有根據(jù)時(shí)，樓屋活荷載可根據(jù)實(shí)際情況（樓面面積較大、活荷載有排它性不同時(shí)出現(xiàn)等），選用較小的組合值系數(shù)，以減小地震作用，達(dá)到優(yōu)化的目的。

（3）對(duì)于在水泥廠中有吊車的車間，其吊車大部分用于檢修吊裝，工作頻率很低，大都為吊車工作級(jí)別處于A1～A5的軟鉤吊車，因此在地震分析中其荷載不參與組合。

（4）對(duì)于空曠的轉(zhuǎn)運(yùn)站、廠前區(qū)的辦公樓、設(shè)備較少的結(jié)構(gòu)或者樓層面積較大從而匯聚很大的樓面活荷載而設(shè)備荷載占比又較少的結(jié)構(gòu)，可以參照荷載規(guī)范對(duì)活荷載按樓層折減，其樓層折減系數(shù)見表7。

對(duì)于有設(shè)備的車間，以上系數(shù)可供借鑒，并可根據(jù)設(shè)備荷載所占總荷載比重做出調(diào)整，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)墻、柱、基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表4 可變荷載的組合值系數(shù)*

表5 可變荷載的組合值系數(shù)

表6 地震作用時(shí)部分可變荷載的組合值系數(shù)

表7 樓層折減系數(shù)*

（5）在工業(yè)建筑中，設(shè)備荷載占有很大的比例，因此其荷載的合理施加對(duì)高震區(qū)結(jié)構(gòu)有至關(guān)重要的影響。設(shè)備荷載通常包括自重、運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的活荷載、動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的動(dòng)力荷載（目前這一荷載通常采用靜力荷載乘以動(dòng)力系數(shù)的擬靜法加以處理）、事故時(shí)產(chǎn)生的堵料等意外荷載等，規(guī)范對(duì)于設(shè)備荷載的地震作用時(shí)的組合值系數(shù)0.8，指的應(yīng)是設(shè)備活

荷載，當(dāng)然設(shè)備自重按恒載的組合值系數(shù)1.0考慮，其動(dòng)力系數(shù)附加部分作為非有效質(zhì)量是不應(yīng)考慮進(jìn)地震作用組合的。另外，地震作用為小概率事件與堵料意外荷載同時(shí)發(fā)生的概率微乎其微，因此將堵料等意外荷載工況不列入地震作用工況下同時(shí)分析是合理的。

由于樓面活荷載的組合值系數(shù)為0.5，而設(shè)備荷載的組合值系數(shù)為0.8，但現(xiàn)有計(jì)算程序無法區(qū)分樓面荷載的性質(zhì)，也無法嚴(yán)格區(qū)分實(shí)際屋面與計(jì)算頂層的關(guān)系，而統(tǒng)一將結(jié)構(gòu)計(jì)算的最頂層作為屋面考慮，這就給規(guī)范的嚴(yán)格執(zhí)行留了漏洞。對(duì)于此種情況，建議根據(jù)設(shè)備荷載達(dá)到總荷載的占比在0.5～0.8之間采用內(nèi)插的方法確定兩者的綜合組合值系數(shù)進(jìn)行抗震分析。

鑒于荷載問題的多樣性，建議在結(jié)構(gòu)分析中采用兩步甚至多步分析法，即考慮非地震作用下結(jié)構(gòu)最不利工況的靜力分析，再采用相同模型考慮合理的荷載組合工況下的地震作用分析，對(duì)各構(gòu)件取兩種情況分析下的包絡(luò)值作為設(shè)計(jì)結(jié)果采用。

以收塵器為例，設(shè)備荷載包括設(shè)備自重及設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的活荷載、設(shè)備發(fā)生事故時(shí)堵料的荷載，可以建立兩個(gè)相同模型來進(jìn)行分析。一個(gè)模型用于考慮除地震作用外的其他各種工況，另一個(gè)模型用于考慮地震作用分析，兩個(gè)模型分別輸入相應(yīng)荷載工況。對(duì)于前一種模型可以考慮堵料等意外荷載等最不利荷載，對(duì)于后一種模型施加合理優(yōu)化后的荷載進(jìn)行抗震分析，兩個(gè)模型分別分析完成后對(duì)各構(gòu)件選項(xiàng)取最不利設(shè)計(jì)輸出進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常這一調(diào)整過程要相互進(jìn)行多次才能完成。

（6）除以上情況外，由于工業(yè)建筑設(shè)備荷載的復(fù)雜性，在產(chǎn)生豎向荷載的同時(shí)也經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生水平荷載，如輸送頭尾輪、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備等。因此我們要根據(jù)工藝或設(shè)備廠家提供的荷載參數(shù)分設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況及啟動(dòng)關(guān)閉情況考慮，在進(jìn)行地震分析時(shí)，可以只考慮設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的水平力和地震作用。

3 清楚認(rèn)識(shí)位移比

在我們目前的設(shè)計(jì)中，位移比指標(biāo)是個(gè)很重要的設(shè)計(jì)復(fù)核指標(biāo)。

抗震變形驗(yàn)算是滿足建筑正常使用功能的重要措施，也是抗震性能設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，我國抗震設(shè)計(jì)采用兩階段三水準(zhǔn)設(shè)防，彈性變形驗(yàn)算實(shí)現(xiàn)的是第一水準(zhǔn)的設(shè)防要求，屬于正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算；彈塑性層間位移角限值是確保在罕遇地震作用下，建筑主體結(jié)構(gòu)遭受破壞或嚴(yán)重破壞時(shí)不倒塌，實(shí)現(xiàn)第三水準(zhǔn)的高防要求。因此，抗震規(guī)范對(duì)彈性層間位移比限值有清楚的限定，見表8。

對(duì)單層鋼筋混凝土柱排架結(jié)構(gòu)和單層及多層框排架結(jié)構(gòu)，規(guī)范未明確其彈性層間位移角限值，其值可參照規(guī)范5.5.5條的規(guī)定,確定為1/330，單層及多層框排架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值可結(jié)合實(shí)際工程中框架與排架的布置情況，取1/330～1/550的中間數(shù)值（框架為主時(shí)，取接近1/ 550的數(shù)值，排架為主時(shí)，取接近1/ 330的數(shù)值），并應(yīng)從嚴(yán)控制，偏框架取值。

除此外，規(guī)范也提出了最大層間位移與其平均值的比值這一比例系數(shù)，用以控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則程度，本文暫不做討論。

在目前我們常用的設(shè)計(jì)軟件PKPM的計(jì)算結(jié)果中，會(huì)提供地震作用及地震作用規(guī)定水平力下兩種情況的最大層間位移角及最大層間位移與平均層間位移的比值，應(yīng)清楚認(rèn)識(shí)此位移比，以避免不必要的錯(cuò)誤。

表8 彈性層間位移比限值的限定

新的抗震規(guī)范在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的判斷（扭轉(zhuǎn)位移比的計(jì)算）及地震傾覆力矩（包含框架傾覆力矩、短肢墻傾覆力矩、框支框架傾覆力矩和一般剪力墻的傾覆力矩）的計(jì)算方面均要求采用規(guī)定水平力。該水平力一般采用振型組合后的樓層地震剪力換算的水平作用力，并考慮偶然偏心。原則上水平作用力的換算為每一樓層處水平作用力，取該樓面上下兩個(gè)樓層地震剪力差的絕對(duì)值。采用規(guī)定水平力可避免有時(shí)CQC計(jì)算的最大位移出現(xiàn)在樓蓋邊緣的中部而不在角部，而且無限剛樓蓋、分塊無限剛樓蓋和彈性樓蓋均可采用相同的計(jì)算方法處理。

在結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移控制值（位移角）驗(yàn)算時(shí)，仍采用各振型位移的CQC的效應(yīng)組合?？梢愿鶕?jù)考慮地震作用的方式不同，采用不同的組合方式，對(duì)于平面振動(dòng)的多質(zhì)點(diǎn)彈性體系，可以用SRSS法，簡稱“平方和開平方”，它是基于假定輸入地震為平穩(wěn)隨機(jī)過程，各振型反應(yīng)之間相互獨(dú)立而推導(dǎo)得到的；對(duì)于考慮平—扭耦連的多質(zhì)點(diǎn)彈性體系，采用CQC法，即完全二次項(xiàng)組合方法，它不光考慮到各個(gè)主振型的平方項(xiàng)，而且還考慮到耦合項(xiàng)，對(duì)于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)比如考慮平扭耦連的結(jié)構(gòu)使用完全二次項(xiàng)組合，其結(jié)果比較精確。簡單說，就是RSS近似認(rèn)為每個(gè)振型的振動(dòng)是相互獨(dú)立的，而CQC考慮了平扭耦聯(lián)效應(yīng)、振型間的相互影響，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用此法。

由于高震區(qū)地震作用很大，結(jié)構(gòu)彈性層間位移比限值經(jīng)常不滿足規(guī)范要求，這種情況下要么犧牲結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性加大豎向構(gòu)件的尺寸，要么改變結(jié)構(gòu)形式，如框架結(jié)構(gòu)調(diào)整為框剪結(jié)構(gòu)，但在此種情況下出于工藝布置的考慮，往往不能得到很好的結(jié)構(gòu)方案，給我們的設(shè)計(jì)工作帶來很多因難。

鑒于此，對(duì)于工業(yè)廠房中應(yīng)用較多的混凝土框架結(jié)構(gòu)，對(duì)不滿足位移角限值的結(jié)構(gòu)提出以下建議供參考，我們可根據(jù)實(shí)際情況采取三步走：調(diào)?微改方案?改變結(jié)構(gòu)形式。

第一步：調(diào)，即首先仔細(xì)查看程序計(jì)算結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行判斷，如位移角未達(dá)到規(guī)范要求，查明哪層何處位移過大未達(dá)到要求，找到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，返回查看模型，找到問題所在，調(diào)整模型，加強(qiáng)相應(yīng)位移大的節(jié)點(diǎn)附加的梁柱或者薄弱層。此外對(duì)于周期的查看也是調(diào)整的輔助手段，對(duì)于受力合理的結(jié)構(gòu)，盡量避免前二階振型為扭轉(zhuǎn)振型，除此外也要注意根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使兩平動(dòng)振型的周期不要相差較大，如相差較大說明結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向剛度相差較大，應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件，達(dá)到合理的平衡。

第二步:微改方案，當(dāng)通過第一步仍無法達(dá)到要求時(shí)，我們可以在未達(dá)到相應(yīng)位移限值的方向布置少量抗震墻，從而使其彈性層間位移角滿足要求或者在滿足位移限值的基礎(chǔ)上改善框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，形成帶少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)。目前對(duì)此種結(jié)構(gòu)的分析還有一定的難度，規(guī)范對(duì)帶墻的框架結(jié)構(gòu)體系的判斷是通過結(jié)構(gòu)底部豎向構(gòu)件分別承受的傾覆力矩比例來判定的，見表9。對(duì)這一特殊的框架結(jié)構(gòu)，可以遵照以下設(shè)計(jì)原則來設(shè)計(jì)。

（1）對(duì)框架結(jié)構(gòu)

按純框架結(jié)構(gòu)（不計(jì)入抗震墻）和按框架與抗震墻協(xié)同工作（即按框架-抗震墻結(jié)構(gòu)）分別計(jì)算，包絡(luò)設(shè)計(jì)。對(duì)純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性位移驗(yàn)算?？蚣艿目拐鸬燃?jí)及軸壓比限值按純框架結(jié)構(gòu)確定。

（2）對(duì)抗震墻

抗震墻抗震等級(jí)可取框架-抗震墻結(jié)構(gòu)中框架的抗震等級(jí)。

對(duì)于抗震墻的配筋設(shè)計(jì)：

對(duì)計(jì)算不超筋的抗震墻按計(jì)算配筋；對(duì)抗剪不超筋而抗彎超筋的抗震墻，按計(jì)算要求配置抗震墻的水平及豎向分布鋼筋，按抗震墻端部最大配筋要求（配筋率不超過5%）配置端部縱向鋼筋。

對(duì)抗剪超筋的抗震墻，按抗震墻的剪壓比限值確定抗震墻的抗剪承載力并確定墻的水平鋼筋，按強(qiáng)剪弱彎要求確定墻的豎向鋼筋。

在抗震墻很少的框架結(jié)構(gòu)中，框架是主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，在風(fēng)載或地震作用很?。ǖ陀诙嘤龅卣鹱饔茫r(shí)，抗震墻輔助框架結(jié)構(gòu)能滿足規(guī)范對(duì)框架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角要求，提供的是抗震墻的彈性剛度，在設(shè)防烈度地震及罕遇地震時(shí)，抗震墻退出工作。當(dāng)然對(duì)于處于框架結(jié)構(gòu)上的大型動(dòng)力設(shè)備,為降低結(jié)構(gòu)震動(dòng)，減小設(shè)備引發(fā)的結(jié)構(gòu)位移，也可采用此種結(jié)構(gòu)。

第三步:改變結(jié)構(gòu)形式，在以上情況下如還不能滿足要求，只能尋求改變結(jié)構(gòu)形式來實(shí)現(xiàn)位移比限值要求。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)可以通過加鋼支承形成框架支承結(jié)構(gòu)，也可以在上一步配置很少剪力墻的基礎(chǔ)上盡一步加大剪力墻配筋形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，可以采用異型柱結(jié)構(gòu)或者下部為框架剪力墻結(jié)構(gòu)、上部為框架結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)。

其實(shí)對(duì)于框架結(jié)構(gòu)而言，在提高結(jié)構(gòu)塑性能力的前提下（加強(qiáng)豎向構(gòu)件水平筋的設(shè)置）或者根據(jù)廠房實(shí)際情況犧牲部分安全度，規(guī)范規(guī)定的位移角限值也是可以有限降低的，但是這個(gè)限度需要合理把握。

4 構(gòu)造及概念設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，眾多小細(xì)節(jié)的完善才能保證好結(jié)構(gòu)的安全，眾多小構(gòu)件的合理優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)總造價(jià)的有力降低。在高震區(qū)結(jié)構(gòu)中，有以下幾點(diǎn)需要引起我們的注意：

（1）對(duì)于處于高震區(qū)的結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)自身的自重而產(chǎn)生的地震作用往往占很大的比例，尤其是混凝土結(jié)構(gòu)，隨著地震作用的增大，造成結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件計(jì)算不能滿足要求，從而需要提高構(gòu)件的尺寸，隨著構(gòu)件體量的增大，地震作用又有所增加，這樣不斷循環(huán)，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求時(shí)，結(jié)構(gòu)已經(jīng)很笨重，已遠(yuǎn)離我們的設(shè)計(jì)初衷，因此，對(duì)于高震區(qū)結(jié)構(gòu)，如何減輕其自重反而比如何克服地震作用對(duì)我們的優(yōu)化設(shè)計(jì)有更為直接的作用。

出于以上考慮，以下幾點(diǎn)我們應(yīng)盡力做到：

a墻體的維護(hù)材料應(yīng)盡量輕，能用壓型鋼板的就不要用輕型砌塊，能用輕型砌塊的就不要用燒結(jié)磚。

b盡量利用高強(qiáng)材料，以提高結(jié)構(gòu)單位重量的承載能力。

表9 傾覆力矩比例*

c對(duì)于梁柱構(gòu)件，要多次重復(fù)計(jì)算直到各構(gòu)件都達(dá)到其合理配筋率或應(yīng)力比，應(yīng)避免一些較大的梁而其配筋率卻很小的情況的出現(xiàn)，如果對(duì)各構(gòu)件都能合理調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)自重的

減輕也是十分可觀的。

d在采用PKPM計(jì)算時(shí)，由于梁梁相交、梁柱相交、梁板相疊處的重量重復(fù)計(jì)算，造成結(jié)構(gòu)自重較實(shí)際有所放大，在計(jì)算中可以通過適當(dāng)調(diào)整部分參數(shù)等手段來減少結(jié)構(gòu)自重，以接近實(shí)際情況。

（2）基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)直接影響到了上部結(jié)構(gòu)安全及其合理性，尤其是高震區(qū)，在可能的情況下，要盡量降低基礎(chǔ)的埋置深度，從而有效地降低結(jié)構(gòu)高度，減小地震產(chǎn)生的傾覆力矩。另外，除高寬比大于4的高層建筑基底不宜出現(xiàn)脫離區(qū)（零應(yīng)力區(qū)），其他建筑基礎(chǔ)底面與地基土之間距離區(qū)（零應(yīng)力區(qū)）面積不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的15%，因此，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)可以對(duì)這一比例合理限定，從而減小基礎(chǔ)尺寸的大小。

對(duì)于高震區(qū)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)另一個(gè)需要注意的問題是，即使基底未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，但是如果其基底最小應(yīng)力小于上面覆土自重，那么基礎(chǔ)上部也是要承受部分拉力，需要配鋼筋。

（3）在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)由于砌墻的原因，通常會(huì)在需要的位置布置地梁，如果基礎(chǔ)埋深較淺則容易形成短柱，以至在抗震計(jì)算時(shí)常常造成柱抗剪能力不足，從而給設(shè)計(jì)工作帶來困難，此時(shí)可以采用圖2方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以避免此情況的發(fā)生。此外，規(guī)范對(duì)于一級(jí)框架和IV類場地的二級(jí)框架也是建議沿框架兩個(gè)主軸方向設(shè)置基礎(chǔ)系梁的，可采用圖2同樣作法。

（4）在帶有貯料型結(jié)構(gòu)或者帶有大型設(shè)備的結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)于倉體及設(shè)備的支承，應(yīng)盡量使其結(jié)構(gòu)支座靠近倉體及設(shè)備重心所在平面，以免附加彎矩引起設(shè)備及結(jié)構(gòu)受力而造成破壞。

圖2 基礎(chǔ)系梁的設(shè)置

（5）對(duì)于埋置較深的結(jié)構(gòu)，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件嵌固在土中，其結(jié)構(gòu)分析有一定的特殊性，由于土的作用，上部傳來的水平地震作用逐漸減小，但是由于土的類別、構(gòu)件的接觸面積等因素的影響，如何確定合理的減小程度有待研究。

樁基規(guī)范提出了土層水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m可供參考借鑒。該參數(shù)計(jì)算方法即是土力學(xué)中水平力計(jì)算常用的m法，可參閱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相關(guān)的書籍或規(guī)范，其取值范圍一般在2.5～100之間，在少數(shù)情況的中密、密實(shí)的沙礫、碎石類土中取值可達(dá)100～300。由于m值考慮了土的性質(zhì)，通過m值、地下室的深度（或框架柱）和側(cè)向迎土面積，可以得到結(jié)構(gòu)地面以下側(cè)向約束的附加剛度，該附加剛度與結(jié)構(gòu)自身剛度無關(guān)，而與土的性質(zhì)有關(guān)。用m值求出的地下室側(cè)向剛度約束呈三角形分布，在頂層處為0，并隨深度增加而增加。因此可以將該參數(shù)引入結(jié)構(gòu)分析中，以期得到合理優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。

（6）另一個(gè)需要談到的問題就不是我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員所能完全控制的，需要相關(guān)工藝等專業(yè)的配合才能達(dá)到更合理的優(yōu)化指標(biāo)。

出于概念設(shè)計(jì)的考慮，在高震區(qū)，能滿足生產(chǎn)需要的更低的廠房高度及結(jié)構(gòu)承受更小的地震作用及傾覆力矩是我們一直期望得到的，因此在可行的情況下，合理降低結(jié)構(gòu)總高度及各層層高，將重要設(shè)備重心下移甚至將其布置于地面上等措施，可有效降低地震作用，也希望其引起相關(guān)專業(yè)的更多關(guān)注。

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2010）[G].中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[2]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2012）[G].中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3]朱炳寅.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析[M]中國建筑工業(yè)出版社，2011.

TU312.1

A

1001-6171（2013）06-0100-06

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2013-03-27； 編輯：呂 光