局部帶夾層的框架結構設計分析

趙 琳

(中國中輕國際工程有限公司,北京 100026)

0 引 言

目前，工業建筑發展迅速，鋼筋混凝土框架結構的工業廠房應用逐漸增多.一方面，工業建筑的車間有時為了滿足工藝布置設備的要求，層高較高.另外一方面，為了滿足建筑使用功能和空間布局的要求，會在局部區域設置輔助用房，這就使得結構在設計過程中會出現樓面夾層.由于其帶有夾層，并非是標準框架結構，夾層的建模方法就會對結構的計算結果產生不同的影響.

賀方倩[1]等用PKPM計算軟件對帶夾層的多層混凝土廠房的建模方法進行了研究，發現不同的建模方法在梁柱的配筋結果上并沒有太大的不同，只是在指標參數上有一定的區別.該模型選用工程位于6度設防區，往往地震工況不會起到控制作用.吳敏莉[2]等用YJK 軟件對高烈度抗震設防地區帶夾層的單層混凝土框架廠房的建模方法進行了研究，表明采用層間梁建模方法得到的計算指標更為合理，采用分層建模計算出的結構總質量少，梁柱鋼筋用量也最少.該模型夾層區域較小，采用層間梁建模方法導荷一般比較容易.但實際工業車間往往會存在夾層區域較大和位于高度設防區的情況，本文將采用PKPM計算軟件，并結合實際工程對局部帶夾層的框架結構進行設計分析.

1 工程概況

該工業車間為兩層框架結構，在樓面上有大面積的設備.本文為研究帶夾層框架結構的設計方法，選取帶夾層的第一層部分進行建模分析.其中，車間第一層全長52.2m，寬53.9m，層高7.5m，在局部3.75m高處設有夾層.3.75m夾層處考慮活荷載3.5kN/m2，板厚120mm，7.5m處樓面應工藝要求考慮活荷載10kN/m2，板厚150mm.結構層平面圖如圖1和圖2所示.其中，框架柱截面800×800，框架梁截面400×700，次梁主要截面300×600，樓面設置設備的位置樓板開洞.

此工業車間抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.20g，設計地震分組為第二組；場地類別為Ⅱ類場地，基本地震動加速度反應譜特征周期值0.40s.設計基本風壓：0.45kN/m2(50年一遇)，設計基本雪壓：0.4kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度為B類.建筑物設計使用年限為50年，建筑抗震設防類別為丙類，抗震等級為二級.

圖1 7.5m平面布置圖

圖2 3.75m夾層平面布置圖

2 結構建模

該車間采用PKPM軟件進行建模設計，首先將夾層作為一個標準層來單獨建模，把所有荷載輸入到標準層上.由于夾層和柱子是剛接的，當作一個標準層來輸入也比較符合實際情況.此時，沒有夾層的柱子設置為躍層柱，即夾層位置不設置節點，通過調整上一層柱子的下節點高，使其直接落到下一層去，這樣柱子的計算長度也比較準確.此模型定義為模型一，見圖3.此種建模方法計算出的夾層處梁柱配筋比較直觀.

(a)第一標準層

(b)第二標準層

由于夾層面積較大，且存在樓梯、電梯等，若直接采用層間梁方法建模，荷載輸入較為繁瑣.為了實現組合建模，先把模型一的第二標準層柱子長度恢復默認值，再用層間編輯功能將第一標準層的構件和荷載復制到第二標準層中，組合成新的標準層.新標準層和采用布置層間梁的方法建模結果相同，將此模型定義為模型二，見圖4.此種建模方法結構中梁柱配筋不夠直觀，但樓層質量沿高度均勻分布，指標更符合實際.

圖4 模型二示意圖

3 計算結果分析

3.1 指標參數

3.1.1 周期及振型

周期比是評定結構平面布置規則性的一個重要指標.《高規》中3.4.5條文[3]規定，結構平面布置應減少扭轉的影響.結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比不應大于0.9.條文5.1.13規定，計算振型數應使各振型參與質量之和不小于總質量的90%.兩種建模方法計算得到的周期及振型參數見表1.由表可得，兩種建模方法的周期相差不大，周期比均滿足規范要求；參與振型相差不大，均滿足規范要求.

表1 周期及振型對比

3.1.2 位移角及位移比

最大層間位移角是衡量結構抗震變形驗算的一個重要指標，《抗規》5.5.1條文[4]規定，結構在多遇地震作用下，樓層層間最大水平位移與層高之比Δu/h不宜大于1/550.條文3.4.3對于扭轉不規則的定義為，在規定的水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移，大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍.兩種建模方法計算得到的位移角和位移比參數見表2.由表可得，兩種建模方法計算得到的層間位移比相差很小，且都滿足規范要求，結構不屬于扭轉不規則.兩種建模方法計算得到的層間位移角均滿足規范要求，采用模型二得到的X向和Y向的層間位移角均大于模型一計算結果.因此，模型二即組合建模計算得到的層間位移角參數更合理.

表2 位移角及位移比對比

3.1.3 質量比

結構總質量包括恒載、活載產生的質量和附加質量以及自定義工況荷載產生的質量.模型一和模型二的結構自重和外加荷載均相同，因此總質量并沒有明顯的差別.質量比是衡量結構豎向規則性的一個重要指標.《高規》3.5.6條文[3]規定，樓層質量沿高度宜均勻分布，樓層質量不宜大于相鄰下部樓層質量的1.5倍.模型一計算得到的質量比為10.47，超過規范限值.這是由于夾層的質量遠小于上部樓層的質量，分開建模方法的夾層處質量沿高度分布不均勻.

3.1.4 受剪承載力

樓層受剪承載力是判斷樓層承載力有無突變和結構薄弱層的一個重要指標.《高規》3.5.3條文[3]規定，A級高度建筑的樓層抗側力結構的層間受剪承載力不宜小于其相鄰上一層受剪承載力的80%.兩種建模方法的受剪承載力比值見表3.由表可得，模型一由于夾層為單獨的標準層，抗剪承載力在夾層處發生突變，樓層抗剪承載力不滿足規范要求，屬于豎向不規則結構.模型二為組合結構，并無樓層承載力突變的情況，滿足規范要求.

表3 受剪承載力及承載力比值

3.2 梁柱配筋

3.2.1 梁配筋

兩種建模方法得到的框架梁的配筋結果如圖5和圖6所示，取一跨表示.由圖可得，在7.5m樓層處，模型一和模型二的框架梁配筋結果完全相同.而在3.75m夾層處，模型二計算配筋比模型一大.這是由于模型二為組合模型，夾層處的框架梁在框架結構中吸收的地震力較大，從而框架梁配筋增加.模型一中，夾層為一獨立的標準層，是薄弱層，夾層處配筋較小.采用分開建模和組合建模的方法，只是對夾層處的框架梁配筋有影響，其余位置的梁配筋相同.

(a)夾層處梁配筋

(b)樓層處梁配筋

圖6 模型二梁配筋

3.2.2 柱配筋

兩種建模方法得到的框架柱的配筋結果如圖7和圖8所示，取一跨表示.由圖可得，模型一的框架柱在夾層的上下部分軸壓比和配筋均不相同.由于柱子是兩段，夾層處存在荷載，柱子在夾層處配筋均比樓層處配筋大.模型二中，柱子是一根連續柱，配筋從夾層到樓層沒有變化.模型二中柱子配筋和模型一中兩段柱子的較大配筋相同，軸壓比與樓層柱子的軸壓比相同.由此可得，把夾層當作一個標準層來輸入，和柱子剛接的模型，配筋也比較合理，總體上配筋也較少.

(a)夾層處柱配筋

(b)樓層處柱配筋

圖8 模型二柱配筋

3.2.3 躍層柱配筋

模型一得到的躍層柱的配筋結果如圖9所示，取模型二相同跨的框架柱如圖10所示.由圖可知，兩種建模方法中的躍層柱和同位置框架柱配筋差別較明顯，軸壓比幾乎沒有差別.模型一中柱縱向配筋比模型二少，最大少了1300mm2.模型一中，通過修改柱底標高，使柱的計算長度和模型二中一致，但配筋小了很多.在地震作用下，組合建模時，框架結構對地震作用更為敏感，且夾層面積越多，吸收的地震力也越多，配筋較分開建模時明顯增加.因此，按照分開建模的方法進行配筋鋼筋用量最少，較為經濟.

圖9 模型一躍層柱配筋

圖10 模型二同跨柱配筋

4 結 論

本文采用PKPM計算軟件，對兩種不同建模方法的帶夾層混凝土框架結構進行了計算.通過對周期及振型、位移、質量比和受剪承載力等指標分析和不同位置梁柱的配筋分析，得到了以下結論.

(1)兩種建模方法的周期相差不大，周期比均滿足規范要求；參與振型相差不大，均滿足規范要求.兩種建模方法計算得到的層間位移比相差很小，且都滿足規范要求，結構不屬于扭轉不規則.組合建模計算得到的層間位移角參數更合理.

(2)由于夾層的質量遠小于上部樓層的質量，分開建模方法的夾層處質量沿高度分布不均勻.當夾層建立為單獨的標準層時，抗剪承載力在夾層處發生突變，樓層抗剪承載力不滿足規范要求.組合建模時，并無樓層承載力突變的情況，滿足規范要求.

(3)采用分開建模和組合建模的方法，只是對夾層處的框架梁配筋有影響，其余位置的梁配筋相同.兩種建模方法的柱子配筋差異較大，分開建模的方法進行配筋鋼筋用量最少，較為經濟.

通過對該帶夾層的框架結構工業車間的建模研究，采用分層建模的模型計算的結果指標參數不滿足規范要求，但配筋更為合理；采用組合建模的模型計算的結果指標參數更合理，但配筋較大.綜上，作者認為對于較為復雜的帶夾層框架結構，可以分別采用兩種建模方法進行分析.