王 鑫

(霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031400)

1 框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)主要是由鋼筋圈梁和混凝土柱共同組成，不僅可以承受豎向荷載，同時(shí)還可以承受水平荷載，其主要運(yùn)用于剛度均勻、外形規(guī)則的建筑物。該框架結(jié)構(gòu)可以通過(guò)靈活分隔空間，將空間利用率達(dá)到最大，整體性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，無(wú)論是在抗爆、抗震方面，還是在抗撞擊、抗震動(dòng)方面都具有良好的性能。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)相比擁有更好的防火耐燒優(yōu)勢(shì)，和傳統(tǒng)磚墻結(jié)構(gòu)相比擁有更好的自身重量?jī)?yōu)勢(shì)，且在原材料方面可以就地取材，具有成本造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)。因此，在各大煤礦建筑中被廣泛應(yīng)用。

2 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則

2.1 抗震設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，該框架結(jié)構(gòu)必須達(dá)到“小震不損壞，中震可維修，大震不傾倒”的預(yù)防抗震目標(biāo)，并通過(guò)相關(guān)力學(xué)計(jì)算來(lái)對(duì)設(shè)防要求進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)時(shí)是可以出現(xiàn)局部損壞的，但是不允許出現(xiàn)整體變形和倒塌。根據(jù)要求，框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包含如下三個(gè)方面：第一方面是抗震概念設(shè)計(jì)；第二方面是抗震計(jì)算設(shè)計(jì)；第三方面是抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)就是根據(jù)地震對(duì)框架結(jié)構(gòu)的破壞程度靈活采取抗震措施，從設(shè)計(jì)初期就對(duì)框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行全面把握，從而能夠制定出更加合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此來(lái)消除抗震結(jié)構(gòu)中的薄弱部分；抗震計(jì)算設(shè)計(jì)主要包含兩部分：一部分是地震作用，另一部分是抗力計(jì)算，其主要作用就是通過(guò)定量分析來(lái)為結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計(jì)提供保障；抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)主要是通過(guò)其他方式，來(lái)對(duì)抗震計(jì)算的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

在總體布置框架結(jié)構(gòu)時(shí)其是否規(guī)則會(huì)對(duì)抗震性能產(chǎn)生直接影響。采用平面布置方式時(shí)一定要對(duì)抵抗豎向、水平方向的荷載有利。與此同時(shí)，無(wú)論是平面形狀結(jié)構(gòu)，還是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)該按照均勻?qū)ΨQ的簡(jiǎn)單規(guī)格進(jìn)行布置，以此來(lái)降低扭轉(zhuǎn)影響。采用豎向布置方式可以讓結(jié)構(gòu)的豎向剛度和承載力逐漸減小，從而使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不容易發(fā)生突變。因此，在工藝要求允許情況下應(yīng)盡量減少不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。如果一定要有不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)盡量采取有效措施對(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)的數(shù)量進(jìn)行降低，假如遇到非常不規(guī)則的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行專門討論和研究。

2.3 適用高度

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)最大使用高度如下所示：當(dāng)抗震設(shè)防烈度等級(jí)為6度時(shí)，其最大高度為60m；當(dāng)抗震設(shè)防烈度等級(jí)為7度時(shí),其最大高度為50m；當(dāng)抗震設(shè)防烈度等級(jí)為8(0.2g)度時(shí)，其最大高度為40m；當(dāng)抗震設(shè)防烈度等級(jí)為8(0.3g)度時(shí)，其最大高度為30m；當(dāng)抗震設(shè)防烈度等級(jí)為9度時(shí)，其最大高度為24m；假如框架中存在不規(guī)格結(jié)構(gòu)需要對(duì)其高度進(jìn)行降低。

2.4 結(jié)構(gòu)布置的要求

框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方面應(yīng)該受力明確，結(jié)構(gòu)合理，有簡(jiǎn)潔的計(jì)算簡(jiǎn)圖，同時(shí)承載力和結(jié)構(gòu)剛度也應(yīng)該均勻分布，應(yīng)具備較強(qiáng)的抗震設(shè)防能力和地震能量緩沖能力。同時(shí)，應(yīng)按照雙向梁柱方式進(jìn)行抗側(cè)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將縱、橫這兩個(gè)方向上的動(dòng)力特性誤差控制在20%左右。當(dāng)高度超過(guò)24m時(shí)，甲類和乙類建筑都不允許進(jìn)行單跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.5 延性框架

為了讓建筑物在地震時(shí)擁有更強(qiáng)的抗倒塌能力，應(yīng)該對(duì)框架結(jié)構(gòu)的延性進(jìn)行增加。嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)范對(duì)抗設(shè)防烈度、類別以及建筑物高度進(jìn)行不同等級(jí)抗震劃分，通過(guò)內(nèi)力調(diào)整等措施來(lái)對(duì)其結(jié)構(gòu)延性進(jìn)行控制，換而言之就是按照弱梁配強(qiáng)柱、弱彎配強(qiáng)剪等原則，有效提高結(jié)構(gòu)部件的延性。其加強(qiáng)措施如下：一是提高結(jié)構(gòu)部件的抗剪切力，以避免結(jié)構(gòu)不佳被剪切破壞；二是對(duì)框架支柱的軸壓比進(jìn)行有效減小；三是對(duì)框架結(jié)構(gòu)梁的高度進(jìn)行降低；四是對(duì)框架鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，增大混凝土的屈服強(qiáng)度；五是對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)，防止節(jié)點(diǎn)最先遭到破壞。

3 煤礦工業(yè)建筑中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 建造場(chǎng)地

作為地震作用的主要影響因素，場(chǎng)地條件選擇非常重要。在進(jìn)行煤礦工業(yè)場(chǎng)地前期選址和平面結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該對(duì)其場(chǎng)所地質(zhì)、地形以及周圍環(huán)境狀況進(jìn)行全面掌握，通過(guò)和工藝、總圖等及時(shí)溝通協(xié)調(diào)，最大程度避開危險(xiǎn)地段，選擇有利地形，從而使所選的建造場(chǎng)抗震性能得到有效提高。

3.2 地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地面所產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)通過(guò)基礎(chǔ)傳遞給上部框架。因此，無(wú)論是地基，還是上部結(jié)構(gòu)都必須具備良好的剛度和承載力，基礎(chǔ)地面盡量按照同一標(biāo)高進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且相同結(jié)構(gòu)單元在基礎(chǔ)建造時(shí)最好選擇在性質(zhì)相同的地基，不要同時(shí)采用樁基和天然地基，這樣很容易產(chǎn)生傳遞差異從而給框架造成震害。在進(jìn)行基礎(chǔ)建造時(shí)，應(yīng)該對(duì)地基自身的承載力進(jìn)行充分利用，同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)偏心進(jìn)行減小，優(yōu)先選擇天然淺地基，假如淺地基在土層穩(wěn)定性、強(qiáng)度等方面無(wú)法滿足需求時(shí)，那么也可以選擇深地基。同時(shí)應(yīng)該對(duì)地基中的黏性土和液化土采取減輕措施，避免因地質(zhì)不均勻而造成地基下沉。

3.3 柱的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行柱網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，要傳力系統(tǒng)明確，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，同時(shí)還要確保規(guī)則間距都要適中整齊。為了避免柱網(wǎng)對(duì)煤礦建筑的正常使用產(chǎn)生影響，應(yīng)該對(duì)框架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化和施工便利性進(jìn)行充分考慮，盡量確保結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)單化。相同樓層在進(jìn)行框架柱建造時(shí)截面尺寸誤差不宜過(guò)大，最好這些框架柱具有相同的延性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這樣才能確保所有的框架柱均勻受力，從而避免因承受力不均勻而導(dǎo)致框架柱被地震逐個(gè)擊破，通常都是采用豎向分段的方式來(lái)對(duì)框架柱的強(qiáng)度進(jìn)行改變，從而和強(qiáng)度過(guò)低的樓層相錯(cuò)開，以避免相同樓層同時(shí)發(fā)生變形。在框架柱建造時(shí)盡量避免使用短柱，因?yàn)槎讨苋菀装l(fā)生破壞變形。

3.4 梁、板的設(shè)計(jì)

煤層工業(yè)建筑通常都會(huì)在樓層上布置大型工業(yè)設(shè)備，因此需要在煤炭破碎機(jī)、帶式運(yùn)輸機(jī)等大型振動(dòng)設(shè)備下方設(shè)計(jì)支撐梁，如果單個(gè)設(shè)備也具有較大荷載時(shí)也應(yīng)該設(shè)梁，與此同時(shí)梁的外形尺寸和設(shè)置位置等都應(yīng)該同時(shí)滿足框架結(jié)構(gòu)要求。在樓層進(jìn)行洞口預(yù)留時(shí)應(yīng)確保洞口最小尺寸超過(guò)0.3m，假如洞口周圍存在集中載荷或者洞口尺寸相對(duì)較大時(shí)，都應(yīng)該在洞口周圍布置支撐梁。與此同時(shí)，還應(yīng)通過(guò)雙層雙向配筋的方式來(lái)對(duì)洞口周圍的樓板進(jìn)行加厚，確保梁板的強(qiáng)度滿足使用要求。

3.5 樓梯的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行樓梯間設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量避免使用不規(guī)則結(jié)構(gòu)，從而將不規(guī)則結(jié)構(gòu)影響降到最低。最好采用鋼筋混凝土的方式來(lái)進(jìn)行樓梯澆筑。當(dāng)框架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土樓梯形成一個(gè)有機(jī)整體時(shí)，在對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)也應(yīng)該把樓梯計(jì)算在內(nèi)。

3.6 防震縫

通過(guò)防震縫可以對(duì)外形復(fù)雜的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)則單元?jiǎng)澐?，同時(shí)還可以對(duì)抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度進(jìn)行降低，但是因?yàn)榉勒鹂p兩側(cè)位置需要搭建框架柱，在很大程度上提高了結(jié)構(gòu)施工難度，同時(shí)還會(huì)對(duì)煤炭工業(yè)建筑的投入使用產(chǎn)生重大影響，假如有地震發(fā)生，防震縫兩側(cè)框架結(jié)構(gòu)必然會(huì)發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)因膨脹而發(fā)生損壞。因此，防震縫應(yīng)該結(jié)合建筑實(shí)際情況進(jìn)行采用，當(dāng)遇到復(fù)雜地形，框架結(jié)構(gòu)盡量不要使用防震縫，而是采取其他有效措施增加框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

4 優(yōu)化混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)優(yōu)化策略

4.1 嚴(yán)格控制混凝土框架結(jié)構(gòu)尺寸

施工場(chǎng)所的環(huán)境溫度對(duì)于施工質(zhì)量有一定影響，施工溫度較高或較低都會(huì)在一定程度上影響施工材料的性能，因此要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行控制。施工完畢后，由于外部載荷的影響使得施工材料出現(xiàn)一定程度的形變，使得混凝土框架結(jié)構(gòu)不牢固乃至表面出現(xiàn)裂隙等情況。為了避免此類問(wèn)題的產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)對(duì)混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行高精度科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，特別要注意建筑結(jié)構(gòu)尺寸精確合理。將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在建筑結(jié)構(gòu)中的非線性部分，通過(guò)簡(jiǎn)化整體結(jié)構(gòu)的方式提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和受力均勻性。

4.2 梁體與柱體中心線重合

混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于梁體和柱體中心的重合度要求較高，一旦發(fā)現(xiàn)柱體同中心線沒有重合的情況，應(yīng)當(dāng)及時(shí)由相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)整，避免由于不重合問(wèn)題導(dǎo)致的工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量問(wèn)題。設(shè)計(jì)方案的制定需要考慮實(shí)際施工條件對(duì)于工程周期的影響，保證工程按時(shí)完成。從框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度而言，框架結(jié)構(gòu)的梁體和柱體中心線的重合度對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要影響。所以，設(shè)計(jì)者需要根據(jù)建筑構(gòu)成確定恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)形式，計(jì)算出科學(xué)合理的中心線偏心距，保證混凝土框架結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

節(jié)點(diǎn)有效抗剪面積對(duì)于節(jié)點(diǎn)抗剪承載力高低有著重要影響，通常采用界面寬度對(duì)偏心節(jié)點(diǎn)的有效抗剪面積進(jìn)行計(jì)算。

4.3 結(jié)合公式確定柱體構(gòu)造形式

通常情況下，混凝土框架的柱端需要同時(shí)承受剪力和彎矩。柱體剪跨比通過(guò)下式計(jì)算:

X=M/Vh0

公式中:h0—沿彎矩方向柱截面的有效高度；V—剪力；M—彎矩。如果X≤1.5，選取極短柱；如果1.52，選取柱。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，極短柱由于剪切斜拉造成的損壞通常是脆性損壞，長(zhǎng)柱以及短柱由于剪切斜拉造成的損壞通常是彎曲損壞以及剪切損壞。

4.4 梁端彎矩調(diào)幅問(wèn)題

設(shè)計(jì)過(guò)程中由于梁端負(fù)彎矩較大，配筋較多難以進(jìn)行施工，因此通過(guò)豎向荷載的作用，使得塑性內(nèi)力重新分布，采用梁端彎矩降低的方式進(jìn)行配筋。依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)澆框架支座彎矩調(diào)幅系數(shù)在0.8～0.9間，整體式框架調(diào)幅系數(shù)在0.7～0.8間。支座彎矩下降后，通過(guò)塑性內(nèi)力重新分布的方式提高跨中彎矩。此外要求僅能在豎向荷載作用產(chǎn)生的梁端彎矩的情況下進(jìn)行調(diào)幅，對(duì)于水平荷載作用產(chǎn)生的梁端彎矩不適用。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守這一規(guī)范，應(yīng)當(dāng)在配筋計(jì)算過(guò)程中對(duì)于內(nèi)力設(shè)計(jì)值進(jìn)行調(diào)幅。具體方式為先對(duì)豎向荷載產(chǎn)生的彎矩調(diào)幅，之后同水平荷載產(chǎn)生的彎矩組合。

4.5 風(fēng)荷載作用下的框架柱剪力計(jì)算問(wèn)題

當(dāng)前采用直接取計(jì)算單元承受風(fēng)荷載面積的大小的方式，對(duì)框架柱的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)研究表明該方式同實(shí)際數(shù)值存在較大差異。在建筑物自身結(jié)構(gòu)規(guī)則勻稱的情況下，該方式的計(jì)算結(jié)果精度較高，在建筑物自身結(jié)構(gòu)不規(guī)則或構(gòu)件分布不規(guī)則的情況下，該方式計(jì)算結(jié)果精度較低，主要原因是將中間棍框架依照受風(fēng)面積進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致計(jì)算內(nèi)力結(jié)果偏小。本文關(guān)注風(fēng)荷載作用，將建筑物當(dāng)成整體進(jìn)行研究，現(xiàn)澆框架以及裝配式鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)，設(shè)定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無(wú)限大，也就是樓板在該平面內(nèi)不產(chǎn)生撓曲變形，在水平載荷的作用下相同樓層的各柱側(cè)移量一致，樓層剪力依照側(cè)移剛度進(jìn)行分配。

4.6 細(xì)節(jié)處理

混凝土框架工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守當(dāng)?shù)氐姆煞ㄒ?guī)，同時(shí)兼顧工程建筑的相關(guān)要求，包括設(shè)計(jì)類型以及功能特征等。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，尤其應(yīng)當(dāng)注意抗震構(gòu)造措施以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

建筑結(jié)構(gòu)布置以及樓層對(duì)于建筑防震作用存在顯著影響。采用統(tǒng)一級(jí)別的混凝土進(jìn)行施工建設(shè)能夠顯著減少其對(duì)建筑物防震功能的影響。除此之外，應(yīng)當(dāng)保證柱長(zhǎng)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)以及計(jì)算模型，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮框架梁截面相關(guān)內(nèi)容，框架結(jié)構(gòu)中電梯井壁設(shè)計(jì)的方案應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行調(diào)整。比如，構(gòu)件最小配筋率驗(yàn)算過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)選取，如果發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在不妥之處，需要及時(shí)終止施工，進(jìn)行方案的調(diào)整，重新制定科學(xué)合理的施工方案并進(jìn)行施工安排。

5 結(jié) 語(yǔ)

在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要和實(shí)時(shí)抗震情況相結(jié)合，只有如此才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的抗震結(jié)構(gòu)，從而為煤礦工業(yè)建筑的推廣應(yīng)用提供安全保障。