工業廠房塔式結構設計及構造的心得論文
[摘 要] 通過近幾年所設計的兩個工業廠房（ 內含工業高層塔） ,分析設計前后所考慮的問題并結合該工程的實際情況與相關的文獻，論述了設計后的一些看法與個人的體會。
[關鍵詞] 塔式結構； 軟件分析； 強柱弱梁； 塑性鉸； 工程實例； 體會。
本人于 2008 年和 2014 年分別在黑龍江省 （ 安達市及綏棱市） 兩個地市設計乳品廠房，其中廠房中重要的核心部分就是高層塔。所謂高層塔： 指的是該建筑物的長度與寬度大致相同，且平面尺寸皆不大，高度較高，整個建筑顯得細長 （ 尤其是該建筑位于整片單層廠房的一部分） ,所以在外觀上更似 “塔”的形狀。
1 工業高層塔的特點
它是整個鋼結構廠房的一部分，但它的承重材質非 “鋼結構”,而是鋼筋混凝土結構，即高層框架結構體系。受工藝條件的嚴格制約，層高較高（ 5 ~7m 左右） ; 局部樓層開洞較大，但一般皆可以控制在 30% 以內； 每層荷載分布極不均勻，而且荷載較大。
2 設計計算前所要考慮的問題
（ 1） 將 “塔”看成豎向彈性構件體系，控制體系的高寬比例，以保證其穩定性。
（ 2） 考慮颶風和地震力所產生的雙向水平側向力。
（ 3） 由于工業高層塔的自身特點 （ 各種工藝設備的形狀及荷載相差較大） ,所以盡可能使該建筑平面，體型，立面剛度盡量保持對稱與均勻（ 可通過框架平面主次梁及柱調整剛度和傳力荷載） 使結構整體不會出現薄弱環節。
（ 4） 妥善處理因水平力 （ 如颶風，地震力） ,溫度變化和基礎沉降所帶來的梁柱節點的變形要求，故在采用深基礎的前提下，加大承臺的埋深，保障結構的安全可靠性。
（ 5） 該建筑受工藝要求繁瑣； 設備管道多，具有特殊的消防，通風，排煙設置，尚需對散熱，供暖及加風壓進行的考慮，如此便要求合理的建筑層高，合理的布置豎向交通 （ 即確定樓梯及采用所需爬梯的位置） .
3 設計過程中所要考慮的注意事項
（ 1） 框架結構的豎向構件 - 柱，截面尺寸有限，抗側剛度較小，在地震力作用下，其水平位移比較大，自身容易較大變形而引起結構構件的破壞。
（ 2） 實現工程中的 “強柱弱梁”模式 - 某些構件進入非彈性，出現塑性鉸，避免其局部的脆性破壞，通過變形以吸收和耗散震能，從而提高結構的抗倒塌能力； 但在使用 SATWE 軟件計算中，其一框架梁的剛度是沒有考慮現澆混凝土樓板對框架梁的 “有利約束”故梁端彎矩相應增大，但是所增加的配筋全部配置在梁內，而樓板是按自身受力單獨計算配筋的； 軟件計算使用時，梁的裂縫控制一般在 0. 3mm 以內的，而實際正常情況下，梁是有翼緣的，且梁在受壓區是配有足夠鋼筋的，所以構件在現實的正常使用情況下其裂縫是不大的。以上兩點均使梁配筋過大，故設計時人為弱化梁的剛度及其支座處的配筋，同時將框架梁跨中的鋼筋稍增加 （ 原計算鋼筋量的 1. 05 -1. 1 倍左右） ,一方面用以控制，降低梁的裂縫。另一方面使建筑體系接近 “強柱弱梁”的模式。
（ 3） 此種 “塔式結構”在地震力的作用下，對建筑物的四角而言 - 角柱會產生極大的扭轉并承受較大的剪力，同時也可能受到雙向的彎矩作用，故應對角柱對稱放大其配筋率。平面布置中，樓梯間是不應布置在首跨中的 - 避免減少樓板及梁對角柱的約束，此外除正常樓面設置框架梁之外，首跨在窗頂處設置適量的'框架梁，用以減少水平力作用下，角柱在兩個方向的扭轉。對所有框架柱而言 -其在豎向力的作用下，通常情況梁受彎大于柱的受彎變形，但在強水平力的作用下，柱所受震害則遠大于梁所受震害，尤其柱底鋼筋在地震力反復作用下，混凝土極易剝落，而柱內主筋易達到屈服點，其抗剪強度明顯不足，所以設計時人為加大柱的剛度 （ 截面尺寸） 與柱底鋼筋的強度 （ 特別是柱底箍筋的強度） ,使得框架柱在抗震受力時難以出現塑性鉸，使每個框架柱皆具有足夠大的抗剪能力。
（ 4） “塔式結構”中的梁柱設計主要依據彎矩分配法對其內力進行計算，對框架梁柱節點的加強可通過構造節點措施的加強而實現。用 “反彎點法”對框架在水平荷載作用下進行計算，并應該進行變形的驗算。
4 工程實例一
2008 年于安達市設計一乳品工業廠房，主體為門式鋼結構，鋼柱跨度 24m 及 30m 兩種形式。廠房內設高層塔，六層，塔主體總高度為 42. 5m.塔平面設有大量設備且多為震動荷載，柱軸壓在 380T -570T 之間，單柱軸壓相差較大，故采用的是深基礎，而且加大承臺的剛度及其埋深。實際設計中采用 Φ600 超流態鉆孔灌注樁，樁端至少進入地質報告中的第六層土 （ 粗中砂） 2m 以上，樁長不應小于15m,單樁承載力設計值不小于 140t.布樁不應以平面豎向導荷為依據，考慮水平力對 “塔結構”影響較大，僅僅考慮豎向力其安全性差，故基礎布樁應以 SATWE 結果為準 （ 考慮水平力，所受彎矩較大） ,詳見圖1.樁基礎的剛度較小，決定其抗水平彎矩的能力弱，假若一旦彎矩使塑性鉸出現在柱底 （ 樁頂） 則對整個建筑極其不利。故在該設計中“高層塔”的嵌故可認為設置在零米層處，采用設置且加大零米層處的地基梁，由于工藝要求，零米層處要作 200 ~250mm 厚的建筑地面，結構將其按0. 2% 左右的配筋率雙向雙層構造配筋，形成剛性地面，如此可作為建筑物的嵌固端使用，即可調整其基礎的不均勻沉降，又可使主體形成一種穩定的體系，減少柱根處的位移，提升其穩定性能，增強建筑物的抗震能力，減少水平力所帶來的隱患，防止主體結構出現滑移，扭轉與傾覆。
5 工程實例二
（ 1） 工程概況； 單層廠房采用 24m 跨門式鋼架，柱頂標高 7. 500m,內設辦公區，沖洗區，食堂及 “工業高層塔”.塔總高度為 26. 2m,共 5 層（ 不 含 夾 層 ） . 局 部 樓 層 （ 標 高 為 6. 400m,10. 70m） 開設的洞口較大。部分面荷載為 3 - 7T /m2,線荷載為 2. 5 ~20T/m.
（ 2） 整體計算； “塔”在整個廠房中占地面積較小，橫縱兩個方向的柱跨數都不多，所以其建筑物的抗震能力不是很強，故框架柱的截面尺寸設計并非 按 其 軸 壓 所 確 定。該 工 程 柱 截 面 尺 寸 取800X800 及 850X850 兩種，而最大軸壓僅為 0. 22.建筑物的抗震分析不是太難，故陣型組合數值取 12~ 15 即可； 塔內的填充墻體不是很多，但層高較高，填充墻內每 3 ~5m 設 200X200 的構造柱，墻沿水平方向設200X300 梁以形成局部框架 （ 但應該注意的是； 所新設的梁與框架柱之間連接設成鉸接） ,所以在進行整體計算時，結構周期的折減系數宜取0. 7 ~ 0. 8 之間進行驗算。此外尚應注意的是； 填充墻是不可以采用120 承重砌塊的 （ 此雖非承重結構，但屬于剛性結構） ,因為其抗震變形與框架主體相差較大，影響 “塔”整體計算的結果。
（ 3） 使結構體系接近 “強柱弱梁”,軟件設計中的 “梁設計彎矩放大系數”和 “梁活荷放大系數”皆不可加大。適當減少梁的剛度-因為軟件設計時的框架梁是不考慮現澆樓板作為梁的受壓翼緣的，此難反應梁的真實性能。盡量減少柱端的梁對框架柱的約束，使在地震時梁端首先出現塑性鉸，可以出現較大的塑性變形 （ 其塑性鉸可出現在梁端，但應絕對避免塑性鉸出現在柱底部） ,產生一定的變形，用以耗散地震能量； 800X800 的柱作為下一道抗震防線-體積配箍率不小于 2. 0%,縱向鋼筋含量宜適中，配筋不宜過大，箍筋采用復合井字箍，形成核芯柱，當柱出現彎裂縫，特別是剪切裂縫時，構造所形成的核芯柱可以有效的減少柱的壓縮，特別是建筑物中框架柱的截面尺寸皆較大，大部接近于 “短柱”,如此措施可保證柱的外形和截面承載力，使其具有較好的延性，有利于提高其變形能力。
（ 4） 要有目的地加大框架梁柱 （ 特別是底層框架柱） 的剪力設計值，防止梁，柱底部在彎矩屈服前出現剪切破壞，實現 “強剪弱彎”,滿足各構件的延性，增加其塑性變形能力，防止其脆性破壞。尤其建筑體系中的角柱，易受雙向地震力的作用，扭轉效應對內力影響較大，震害相對嚴重，在設計中 -內力計算按兩個主軸方向分別考慮地震的作用。彎矩設計值，尤其是剪力設計值予以適當的加大。
（ 5） 高層工業塔中部分設備是貫通幾個樓層的，不僅每個樓層所受荷載相差過大，而且部分樓層板所開設的洞口也過大，單個層高之間亦不相同。如此在強水平力 （ 地震力） 作用下，整個結構的抗側位移剛度嚴重不規則，宜于某層產生較大的強行位移，形成薄弱層 （ 剛度變化不符合高規3. 5. 2 條要求的樓層； 承載力不符合高規 3. 5. 3 條要求的樓層） ,威脅整個建筑物的抗震能力，故在每層剛度調整中，層與層上下間的剛度差不宜大于30% ,同時在軟件分析中，可人為將 “認為” 是薄弱層的樓層的地震剪力放大 1. 15 倍，同時對結構進行強塑性變形驗算。所得數據滿足 （ 抗規）中 3. 4 章 （ 建筑設計和建筑結構的規則性） 的各項要求。另外在軟件的整體計算中應步入樓梯，從設計上可考慮減少樓梯剛度對整體結構的影響。樓梯不宜作成折梁或折板，避免其在地震作用下產生的拉、壓力對框架柱造成影響。
（ 6） 框架梁及所受荷載較大的環形梁 （ 線荷20T / m） 截面寬度不宜小于 400mm,配置 4 肢箍筋，次梁的截面尺寸也不宜小于 300mm,適當的加大梁跨中的計算鋼筋 （ 1. 1 ~ 1. 15 倍） ,同時相應減少梁支座處的鋼筋含量，配置抗拉強度高的鋼筋，提高混凝土的標號 （ 不小 C40） ,使得框架梁在抗震設計中達到 “強剪弱彎”的效果。部分梁柱平面圖詳見圖 2.
（ 7） 在本設計中，各構件 （ 框架梁柱，特別是底層框架柱） 的剛度及配筋都較大。故難以實現 “強節點弱構件”的結構體系。但節點核心區是保證框架承載力和抗倒塌能力的關鍵部位，其受力復雜，易發生非延性破壞，引起與節點相連接的各構件破壞，所以在設計中節點區通過構造措施有所加強 （ 具體表現在梁柱鋼筋的相互錨固） ,并按三級抗震等級進行抗震受剪承載力的驗算。注明；其節點核心區承載力的驗算并非 （ 高規） 規定，而應按 （ 混凝土結構設計規范） GB50010 的有關規定執行。規范對頂層和中間層節點核心區取值是按不同計算公式的。軟件分析結構 “高層塔”框架梁柱中間層節點，頂層節點在地震力，風荷載等水平力反復作用下，都會產生位移，造成梁柱節點內鋼筋發生滑移現象。分析結構表明，頂層節點的延性需求比中間層節點較小； 頂層的震害比其他樓層的震害要輕，故中間層梁柱節點處梁內上部鋼筋的錨入柱內應有所加大。
6 結束語
綜上所述，就是通過近幾年的兩個親自參與的工程實例與相應規范要求，得出的作為工業廠房中的 “塔式結構”設計及構造的一些體會，可供同行參考。
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