鋼筋混凝土框排架結構在實際工程中的應用

許巖

（中鐵華鐵工程設計集團有限公司，北京100071）

1 工程概況

北京地鐵某聯合檢修庫，基本烈度8度0.20g，第一組。場地土類別Ⅱ類，特征周期Tg=0.35s，抗震設防類別丙類?？v向柱距 6.0m，跨度為 12m、18m、15m，總寬 45.48m，總長 270.30m。18m、15m跨為單層廠房，12m跨為2層的輔助間。廠房沿縱向設2道伸縮縫兼抗震縫，將結構分為3個區段，每段長度≤100m，本文取區段一進行分析。區段一的結構平面圖和剖面圖見圖1、圖2。

2 結構體系選取

由于工藝的需要，庫內出現了一部分多層、一部分單層且有橋式吊車的大空間體系。這類工程的結構方案有中間設抗震縫分割成排架和框架的結構形式，也有合為一體的框排架結構形式。高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構，在汶川地震中抗震縫兩側結構發生碰撞破壞也是造成震害的主要原因之一。從經濟的角度考慮，不設縫可以減少一排框架柱并節約用地。經過方案論證，多層框架和單層排架相互連為一體的鋼筋混凝土框排架結構體系更適合本工程。

圖1 區段一的結構平面布置圖

圖2 區段一的建筑剖面圖

本工程從結構概念設計上不利于抗震，框架和排架沿豎向的質量、剛度分布不均勻，豎向有高差，抗側力構件分布不對稱，結構抵抗扭轉的剛度偏小。設計中應通過調整結構不規則指標來盡量減小扭轉作用帶來的影響。

排架柱截面寬度均為400mm，截面高度按照廠房柱頂高度分別取值為600mm、800mm和840mm。經過驗算，排架柱均滿足變形要求?？蚣苤孛鏋?00mm×600mm，縱向剛度較弱，當不設支撐時小震彈性層間位移角為1/440，不能滿足變形要求。為了提高縱向剛度，在柱間設置了雙角鋼交叉支撐，使得小震彈性位移角小于規范限值。

3 結構模型的建立

國內對排架結構設計多采用平面模型。GB 50191—2012《構筑物抗震設計規范》[1]6.2.2條中提出：框排架結構應按空間結構模型計算地震作用，復雜框排架結構進行多遇地震作用下的內力和變形分析時，應采用不少于2個不同的力學模型，并應對其計算結果進行分析比較。因此，在建立模型時考慮2種不同的力學模型進行分析比對。

模型①：按平面結構計算，分別計算廠房的橫縱向，此時模型有以下規定和簡化：（1）采用振型分解反應譜法，其振型數應不少于6個；（2）周期調整系數取0.8；（3）框架部分縱向按照設置支撐和不設支撐分別建模計算，阻尼比分別取0.045和0.05。根據多道防線的設計概念，支撐是第一道防線，框架部分承擔的地震作用取2種模型的較大值進行設計。模型①采用PKPM的平面分析軟件PK模塊。

模型②：按空間結構計算，考慮扭轉耦聯的雙向地震作用效應。此時，模型有以下規定和簡化：（1）采用振型分解反應譜法，振型數不少于12個；（2）不計入墻體剛度；（3）周期調整系數取 0.8；（4）屋架簡化為一軸力桿件，并認為屋架與排架柱理想鉸接，不考慮屋架在地震作用下失效的問題；（5）由于 12m 跨現澆樓板平面狹長，采用彈性板單元建模，反映真實的變形；（6）鋼支撐設置為只受拉力單元。模型②采用通用有限元軟件Midas/Gen建立空間模型。模型②三維結構布置圖見圖3。

圖3 模型②三維結構布置圖

4 主要計算結果分析

對周期和地震作用效應進行比對分析。模型①按GB 5011—2010《建筑抗震設計規范》[2]5.2.3-1條“增大系數法”考慮扭轉效應，對地震作用進行放大。模型②按照考慮雙向水平地震作用下的扭轉耦聯效應計算，并與模型①的結果進行對比。

4.1周期、振型的對比分析

結構的振型和周期見表1，模型②前3階振型圖見圖4。

表1 結構的振型和周期

通過2個模型的周期對比，平面模型的平動周期和空間模型的平動周期基本一致，最大相差不超過5%。2個模型具有分析對比的意義。

模型②的第二振型為扭轉振型，第三振型中的扭轉因子達到了0.37，高頻振型也有較大的扭轉效應。說明了結構存在質量、剛度不規則的特點。結構的扭轉周期比為0.95，抗扭剛度較弱。

圖4 模型②前3階振型圖

4.2 地震作用效應的對比分析

由周期和振型結果可知，結構抗側剛度較小的是Y向框排架體系。這里主要對比Y向水平地震作用和Y向柱內力結果。

模型①：Y向水平地震作用下每榀框排架底部剪力為262.272kN；柱Y向在單向地震SRSS振型組合條件下由地震作用產生的內力標準值：彎距M=300.62kN·m，軸力N=-110.96kN，剪力V=74.64kN。

模型②：Y向水平地震作用下每榀框排架底部剪力為281.7kN。角柱Y向在單向地震CQC振型組合條件下由地震作用產生的內力標準值：M=307.37kN·m，N=-129.06kN，V=81.72kN。在考慮雙向地震作用CQC振型組合條件下由地震作用產生的內力標準值：M=372.10kN·m，N=-242.8kN，V=98.9kN。

底層剪力對比分析，模型②采用考慮扭轉偶聯效應的CQC法，底層剪力281.7kN為平面模型①的1.07倍。由柱1的內力結果對比分析，雙向地震作用下的增大較為顯著，角柱在雙向地震作用下軸力比單向地震作用增加了88%?？紤]雙向地震作用的彎矩值為平面模型①彎矩值的1.24倍。

5 結論與設計建議

北京地鐵某聯合檢修庫采用了鋼筋混凝土框排架結構和鋼支撐-鋼筋混凝土框架的結構體系。在該項目設計過程中發現，結構的平面布置看似規則整齊，但實際上質量和剛度分布不均勻，豎向也存在錯層和剛度突變，屬于抗震概念上的不規則結構。通過本次對比分析，得出以下結論和設計建議：

1）框排架結構質量、剛度分布復雜，薄弱部位較多。尤其是不等高廠房的上柱截面較小，極易形成薄弱部位。在雙向地震的作用下，這些部位的地震反應較單向地震作用更為強烈。在汶川地震震害中，上柱折斷是排架結構的主要破壞形式之一。因此，對于上柱截面設計應提出比計算結果更高的要求。

2）由于框排架結構的不規則性，應采用空間計算模型?？紤]到結構橫縱向布置的特點，根據前述相關分析結果，對以平面模型的簡化計算方法來設計這類框排架結構提出建議：采用平面模型計算勢必會減小結構的實際地震效應，因而，需對此地震效應結果乘以增大系數，以考慮空間作用和扭轉效應的影響。而GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》的增大系數取值偏小，GB 50191—2012《構筑物抗震設計規范》的調整系數也沒有涵蓋所有框排架形式。需要根據結構布置的不規則程度選取合適的增大系數。

3）運用基于性能的抗震設計理論，對于鋼筋混凝土框排架結構，應提出將層間位移角作為結構性能的評定標準。建議彈性層間位移角限值為1/550～1/500，彈塑性層間位移角限值為1/200，極限荷載對應的層間位移角限值為1/50[3]。

4）縱向鋼支撐-框架結構體系，鋼支撐在小震彈性下的應力比不應超過0.75?？蚣懿糠职凑赵O置支撐和不設支撐分別建模計算，框架部分承擔的地震作用取2種模型的較大值進行設計。

5）鋼筋混凝土框排架結構體系抗扭剛度較弱，扭轉效應顯著，更適合用于低烈度區。在8度Ⅲ、Ⅳ類場地和9度區應慎用或采取消能減震措施。高度較高的框排架結構，建議在周邊布置剪力墻，形成框架-剪力墻-排架體系，可以顯著提高抗扭剛度。

6）加大周邊的鋼支撐和柱截面，提高邊榀及角部的剛度，有利于控制結構的扭轉效應。但由于調整后周期變小，也同時加大了地震作用，設計時應綜合考慮。