随着社会的发展,建筑的安全性和舒适度要求日益提高,相关规范对其也作出相应要求: 在结构设计中既要对结构构件进行承载力计算,又要根据其使用功能及外观要求等,对结构及构件的变形位移充分考虑,必要时进行验算.在铝工业建筑结构设计工作中,设计者通常看重结构的承载力计算,而往往忽视了结构正常使用状态,这样会造成建筑某种功能的缺失,例如吊车轨道卡轨、连通管道被拉弯等现象.大量震害也表明由于建筑存在薄弱层,在强烈地震作用下,会造成结构构件严重破坏甚至引起结构倒塌等问题.本文在依据规范设计的前提下,结合有色金属工程实际,浅谈结构及构件在各种情况下位移变形的要求及相关设计概念.
1 单层工业厂房
单层厂房是铝工业建筑中应用范围比较广泛的一种建筑类型,例如: 电解铝厂的铸造车间,炭素厂的焙烧车间、炭块库等,多用于机械设备和产品较重且轮廓尺寸较大的生产车间,这样大型设备可直接安装在地面上,使生产工艺流程和车间内部运输比较容易组织.单层厂房便于定型设计,使构配件标准化、系列化、通用化,从而提高了构配件生产工厂化、施工机械化的程度,缩短了设计和施工时间.但单层厂房投资较大,占地多,设计时应力求技术先进、经济合理、安全适用、施工方便.单层厂房依据其生产规模和主要承重结构材料包括钢筋混凝土排架,门式刚架,单层框架等.
( 1) 钢筋混凝土排架
钢筋混凝土排架是传统的单层厂房结构形式,一般是由预制构件装配组成的,设计中应注意确保屋盖的整体性、正确设置支撑体系、设置抗震圈梁等,以使厂房具有良好的整体抗震性能.其设计的重点在于厂房结构构件的连接和节点设计,这直接关系到整个装配式厂房抗震能力的发挥.
震害经验表明: 高大的单层钢筋混凝土柱厂房等结构,在大地震中往往受到严重破坏甚至倒塌,这种结构刚度相对较小而变形较大,还存在承载力验算所没有发现的薄弱部位,即其承载力本身虽满足设计地震作用下抗震承载力的要求,却比相邻部位要弱得多.所以《建筑抗震设计规范》中规定"8 度Ⅲ、Ⅳ类场地和 9 度时,高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架"应进行在罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形验算.《建筑抗震设计规范》中还规定"结构薄弱层( 部位) 弹塑性层间位移限值要求: 钢筋混凝土柱排架为 1/30".由于钢筋混凝土排架厂房的弹性层间位移角需根据吊车使用要求加以限制,严于抗震要求,因此不必再对地震作用下的弹性位移加以限制.当排架厂房柱需要进行侧向变形计算时,应按一台最大吊车的横向水平荷载标准值的 1/2 作用于排架柱吊车梁顶面标高处的侧移值 Δk 来控制: 按平面排架计算时 Δk≤Hk/1100; 按空间排架计算时 Δk≤Hk/2200.设有重级工作制吊车的厂房控制严格,按平面结构图形计算所得的柱水平位移允许值为 Hc/1250.
( 2) 门式刚架
门式刚架是我国铝工业建筑钢结构中应用最广泛的类型之一,在单层工业建筑中也经常采用,如仓库、维修车间等.对于轻型门式刚架的柱顶位移限值,《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中规定"刚架柱顶位移限值在无吊车采用轻型钢墙板时为h /60,砌体墙维护时为 h /100; 有桥式吊车且有驾驶室时为 h/400,吊车由地面操作时为 h/180".在此规定中应该注意到: 砌体砖墙维护时的位移限值要求是偏低的,在刚架位移过大时,会使两者间位移差过大,从而会造成围护砖墙遭到不同程度破坏,有的损害甚至超过了主体结构,导致不必要的经济损失.
因此,规程管理组也对条文作出修正,要求"无吊车采用砌体墙时的柱顶位移限值 h/100 应改为 h/240".另外从构造措施上来说,采用砌体墙时,应采取措施减少对门式刚架结构的不利影响,并应设置拉结筋、水平系梁、圈梁、构造柱等与主体结构可靠拉结.门式刚架中受弯构件的挠度与跨度比限值,对于轻型门式刚架可查阅《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》表 3. 4. 2 ~2.
( 3) 单层框架
对于设有起重量大于 20t 的 A1 ~ A5 工作级别桥式吊车,A6 ~ A8 工作级别桥式吊车或 3t 以上悬挂吊车的单层房屋钢结构,就应按钢框架要求确定框架柱顶位移限值,如电解车间等.即《钢结构设计规范》附录 A. 2. 1"在风荷载标准值作用下,有桥式吊车的单层框架的柱顶位移为 H/400".在吊车梁顶面标高处,由一台最大吊车水平荷载所产生的计算变形值 A7,A8 级为 1/1250,A6 级可为 1/800.
对于按单层钢框架考虑的屋面刚架梁,《钢结构设计规范》规定挠度[vT]为 l/400,[vQ]为 l/500.由于工业建筑外观要求不高,在有可靠工程经验的情况下,对单坡和双坡屋面梁,梁的跨中挠度应根据应力发挥水平适当放宽,梁的应力比 < 0. 9 时取 1/300,应力比为 0. 9 ~ 0. 95 时取 1 /350.设计者可在计算中进行调整和比较,选择经济合理的梁柱断面.
2 多、高层工业厂房
多、高层厂房在铝工业建筑中也经常采用,例如生阳极制造、高压溶出车间等.由于工业建筑受工艺流程限制,钢筋混凝土框架 - 剪力墙、框架 - 核心筒等抗测力比较好的结构很难有效实施.因此通常采用的结构形式为: 钢筋混凝土框架、钢框架.《建筑抗震设计规范》对其位移作出以下规定"…各类结构应进行多遇地震作用下的抗震变形验算,其楼层内的最大的弹性层间位移应符合要求: 钢筋混凝土框架为1/550,多、高层钢结构为1/250"; "结构薄弱层( 部位) 弹塑性层间位移应符合要求: 钢筋混凝土框架、多、高层钢结构为 1/50".下面以地震区高层钢筋混凝土框架厂房以及钢框架厂房为例,具体说明设计中的结构位移控制.
钢筋混凝土框架结构是一种传统的工业建筑结构形式,设计中要注意的是: 地震区高层钢筋混凝土框架结构的设计,其竖向荷载作用下的承载力要求十分容易满足,但由于其自身抗侧刚度较弱的特点,在水平力作用下的位移,较难控制.在实际设计过程中,钢筋混凝土框架结构的柱、梁截面确定,特别是在高烈度区远非竖向承载力的要求所控制,多是为了调整结构整体的刚度,以满足《建筑抗震设计规范》对结构弹性层间位移限值的要求.设计中可采取以下措施,控制框架的层间位移角.① 控制整体刚度.通过对柱、梁截面的调整,起到增大整体刚度以达到减小整体位移值,控制最大层间位移角的目的.其中对框架梁的截面调整也是重要手段之一,柱的刚度和梁柱的刚度比越大,框架抗侧刚度也就越大.此外建筑层高的控制在整体刚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,对位移控制较为有利,同时在抗震分析上,扭转效应可相应减小,最大位移与平均位移比值也容易控制.② 提高最大位移发生区域角部的局部刚度.由于最大弹性层间位移角限值是多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性位移与楼层层高的比值,因此控制好最大位移发生区域的刚度,进而直接控制最大层间位移角.为了满足工艺净高的要求和对结构经济性的控制,不可能也没有必要为控制位移将整体框柱和框梁的截面都做的很大.对角柱和与角柱相连的两向的边框梁增大截面,一般不会影响建筑的功能和使用,可直接减少角区的位移值.③ 合理地设置结构分析程序中的设计参数.在规范允许的范围内选取用合理的参数,既真实、有效反映出结构的层间位移角,同时得到一个既安全、又经济的建筑结构设计.现今的结构分析都是依靠相应的分析软件得以实现,而分析软件为适应各类不同的工程,设计参数都有一定选取范围,有些参数的设置不合理,会直接造成分析结果的失真,甚至完全错误.《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》对结构分析以及结构分析软件中的参数设置都提出了具体要求.由于考虑到填充墙对建筑结构自振周期的影响,《高层建筑混凝土结构技术规程》第 4. 3. 17 条要求,在非承重墙体为填充砖墙情况下,应对高层建筑的计算自振周期进行折减,规范建议框架结构可取 0. 6 ~ 0. 7,并表明对采用其他非承重墙体时,可根据工程情况确定该系数.
当设计的工程只有周边维护,维护墙体较少时,不宜折减太多,以免过多地增大结构地震作用.根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第 5. 2. 2 条要求,考虑现浇楼面对框梁的翼缘作用,楼面梁刚度增大系数可根据翼缘情况取 1. 3 ~ 2. 0.在软件中对中梁和边梁刚度的放大可按规范取值,以在计算中增大框架结构整体的抗侧刚度.此外,《高层建筑混凝土结构技术规程》第 3. 7. 3 条有楼层位移计算不考虑偶然偏心影响的注释,因此在进行结构弹性层间位移分析时,可不用考虑偶然偏心.钢框架结构由于施工周期短,工厂化程度高,承载性能良好,在现代工业建筑中的应用日益广泛.
其类型按抗侧力体系可以分为: 纯框架( UBF) 、中心支撑框架( CBF) 和偏心支撑框架( EBF) 等.中心支撑框架( CBF) 结构体系是指支撑斜杆连接于框架梁柱节点上.偏心支撑框架( EBF) 中的支撑斜杆,应至少有一端与梁连接( 不在柱节点处) ,另一端可连接在梁与柱相交处,或在偏离另一支撑的连接点与梁连接,并在支撑与柱之间或支撑与支撑之间形成耗能梁段.当建筑物高度增加时,水平荷载( 风荷载及地震作用) 对结构起的作用愈来愈大,除了结构内力明显加大外,结构的侧向位移增加更快.结构内力、位移与高度的关系,都呈指数曲线上升( N= f( h) ,M = f( h2) ,= f( h4) ) .由于纯钢框架体系刚度小,通常 6 层以上的钢框架结构建筑,往往是层间位移起控制作用.增加支撑体系,可提高结构的整体刚度,减少梁、柱用钢量,使梁、柱节点承受的弯矩减小,构造相对简单.此外,结构中沿竖向布置支撑,也使得结构承受水平荷载( 地震、风荷载) 时有了双重防线: 第一道防线是竖向支撑; 第二道防线是框架,有利于结构抵抗地震作用.因而框架一支撑体系在多、高层钢结构工业建筑中得到了广泛应用.
但在中、高层钢结构中,支撑布置方式的改变,会导致结构抗侧刚度的相应改变,而不同的侧向刚度使得结构承受的地震作用的大小也不同.有关文献中通过侧移计算结果与比较分析得出结论: 在抗侧刚度方面,人字形支撑比单斜杆支撑要好; 在用钢量方面,人字形支撑显然要比单斜杆支撑经济很多.因此在多高层钢框架支撑结构中,应优先采用人字形支撑.另有研究表明: 偏心支撑框架体系是一种非常刚劲的结构体系,它具有极好的耗能能力以抵抗大的地震作用.在中小地震烈度地区,优先考虑采用人字形中心支撑体系,而在大地震烈度设防地区,宜优先考虑采用人字形偏心支撑体系.建议支撑设置可按以下原则: ① 在多高层钢框架结构中,不论采用单斜杆支撑,还是人字形支撑,其抗侧刚度都远好于纯框架结构.② 不论是采用中心支撑,还是偏心支撑,将支撑沿竖向集中布置于中间跨的抗侧刚度都好于将支撑布置在边跨以及其他跨上.③ 在相同支撑布置形式下,采用人字形支撑比采用单斜杆支撑经济且抗侧移刚度好.④ 偏心支撑框架在节省用钢量、不至于降低抗侧移刚度方面,可保证与中心支撑框架相当的效果.⑤ 对于单斜杆偏心支撑,综合考虑结构的承载力、抗侧刚度、耗能能力和已有研究成果.建议耗能梁段长度 e 的取值 e =( 0. 7 ~1. 3) Mp/Vp,考虑刚度因素为主时取小值,耗能能力为主时取大值.
3 结 语
严格来讲,目前还很难找到能够从宏观上对结构变形给出综合描述的参数指标.在当前世界各国的抗震设计规范中,尽管对变形验算的控制目标和采用的标准有所区别,但基本上都是采用层间位移角和柱顶位移作为变形验算的控制参数.虽然层间位移角和柱顶位移在实际应用上具有简单易行的优点,但为了能够对结构的变形状态给出准确地描述和判断,在层间位移角和柱顶位移的使用上需考虑结构体系的区别、结构设计水平和计算分析水平以及实际工程的可行性等诸多条件的限制,才能对结构反应状态给出合理的评价.
铝工业建筑位移变形控制的重点在于依据规范,要求设计者能掌握各种结构构件的作用,并加强对房屋整体工作的理解,详细解读规范中有关规定的依据、参数及适用条件,既能从量的方面符合要求,又能从构造措施方面进行概念设计,灵活地运用在工程实际中.文中关于混凝土框架中调整梁、柱截面尺寸,钢框架结构中加设支撑等方法希望能为广大设计者提供一些设计思路.
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