工业厂房“塔式结构”设计及构造的心得

　　[摘 要] 通过近几年所设计的两个工业厂房（ 内含工业高层塔） ,分析设计前后所考虑的问题并结合该工程的实际情况与相关的文献，论述了设计后的一些看法与个人的体会。
　　
　　[关键词] 塔式结构； 软件分析； 强柱弱梁； 塑性铰； 工程实例； 体会。
　　
　　本人于 2008 年和 2014 年分别在黑龙江省 （ 安达市及绥棱市） 两个地市设计乳品厂房，其中厂房中重要的核心部分就是高层塔。所谓高层塔： 指的是该建筑物的长度与宽度大致相同，且平面尺寸皆不大，高度较高，整个建筑显得细长 （ 尤其是该建筑位于整片单层厂房的一部分） ,所以在外观上更似 “塔”的形状。
　　
　　1 工业高层塔的特点

      它是整个钢结构厂房的一部分，但它的承重材质非 “钢结构”,而是钢筋混凝土结构，即高层框架结构体系。受工艺条件的严格制约，层高较高（ 5 ~7m 左右） ; 局部楼层开洞较大，但一般皆可以控制在 30% 以内； 每层荷载分布极不均匀，而且荷载较大。
　　
　　2 设计计算前所要考虑的问题
   
      （ 1） 将 “塔”看成竖向弹性构件体系，控制体系的高宽比例，以保证其稳定性。
　　
　　（ 2） 考虑飓风和地震力所产生的双向水平侧向力。
　　
　　（ 3） 由于工业高层塔的自身特点 （ 各种工艺设备的形状及荷载相差较大） ,所以尽可能使该建筑平面，体型，立面刚度尽量保持对称与均匀（ 可通过框架平面主次梁及柱调整刚度和传力荷载） 使结构整体不会出现薄弱环节。
　　
　　（ 4） 妥善处理因水平力 （ 如飓风，地震力） ,温度变化和基础沉降所带来的梁柱节点的变形要求，故在采用深基础的前提下，加大承台的埋深，保障结构的安全可靠性。
　　
　　（ 5） 该建筑受工艺要求繁琐； 设备管道多，具有特殊的消防，通风，排烟设置，尚需对散热，供暖及加风压进行的考虑，如此便要求合理的建筑层高，合理的布置竖向交通 （ 即确定楼梯及采用所需爬梯的位置） .
　　
　　3 设计过程中所要考虑的注意事项

      （ 1） 框架结构的竖向构件 - 柱，截面尺寸有限，抗侧刚度较小，在地震力作用下，其水平位移比较大，自身容易较大变形而引起结构构件的破坏。
　　
　　（ 2） 实现工程中的 “强柱弱梁”模式 - 某些构件进入非弹性，出现塑性铰，避免其局部的脆性破坏，通过变形以吸收和耗散震能，从而提高结构的抗倒塌能力； 但在使用 SATWE 软件计算中，其一框架梁的刚度是没有考虑现浇混凝土楼板对框架梁的 “有利约束”故梁端弯矩相应增大，但是所增加的配筋全部配置在梁内，而楼板是按自身受力单独计算配筋的； 软件计算使用时，梁的裂缝控制一般在 0. 3mm 以内的，而实际正常情况下，梁是有翼缘的，且梁在受压区是配有足够钢筋的，所以构件在现实的正常使用情况下其裂缝是不大的。以上两点均使梁配筋过大，故设计时人为弱化梁的刚度及其支座处的配筋，同时将框架梁跨中的钢筋稍增加 （ 原计算钢筋量的 1. 05 -1. 1 倍左右） ,一方面用以控制，降低梁的裂缝。另一方面使建筑体系接近 “强柱弱梁”的模式。
　　
　　（ 3） 此种 “塔式结构”在地震力的作用下，对建筑物的四角而言 - 角柱会产生极大的扭转并承受较大的剪力，同时也可能受到双向的弯矩作用，故应对角柱对称放大其配筋率。平面布置中，楼梯间是不应布置在首跨中的 - 避免减少楼板及梁对角柱的约束，此外除正常楼面设置框架梁之外，首跨在窗顶处设置适量的框架梁，用以减少水平力作用下，角柱在两个方向的扭转。对所有框架柱而言 -其在竖向力的作用下，通常情况梁受弯大于柱的受弯变形，但在强水平力的作用下，柱所受震害则远大于梁所受震害，尤其柱底钢筋在地震力反复作用下，混凝土极易剥落，而柱内主筋易达到屈服点，其抗剪强度明显不足，所以设计时人为加大柱的刚度 （ 截面尺寸） 与柱底钢筋的强度 （ 特别是柱底箍筋的强度） ,使得框架柱在抗震受力时难以出现塑性铰，使每个框架柱皆具有足够大的抗剪能力。
　　
　　（ 4） “塔式结构”中的梁柱设计主要依据弯矩分配法对其内力进行计算，对框架梁柱节点的加强可通过构造节点措施的加强而实现。用 “反弯点法”对框架在水平荷载作用下进行计算，并应该进行变形的验算。
　　
　　4 工程实例一

      2008 年于安达市设计一乳品工业厂房，主体为门式钢结构，钢柱跨度 24m 及 30m 两种形式。厂房内设高层塔，六层，塔主体总高度为 42. 5m.塔平面设有大量设备且多为震动荷载，柱轴压在 380T -570T 之间，单柱轴压相差较大，故采用的是深基础，而且加大承台的刚度及其埋深。实际设计中采用 Φ600 超流态钻孔灌注桩，桩端至少进入地质报告中的第六层土 （ 粗中砂） 2m 以上，桩长不应小于15m,单桩承载力设计值不小于 140t.布桩不应以平面竖向导荷为依据，考虑水平力对 “塔结构”影响较大，仅仅考虑竖向力其安全性差，故基础布桩应以 SATWE 结果为准 （ 考虑水平力，所受弯矩较大） ,详见图1.桩基础的刚度较小，决定其抗水平弯矩的能力弱，假若一旦弯矩使塑性铰出现在柱底 （ 桩顶） 则对整个建筑极其不利。故在该设计中“高层塔”的嵌故可认为设置在零米层处，采用设置且加大零米层处的地基梁，由于工艺要求，零米层处要作 200 ~250mm 厚的建筑地面，结构将其按0. 2% 左右的配筋率双向双层构造配筋，形成刚性地面，如此可作为建筑物的嵌固端使用，即可调整其基础的不均匀沉降，又可使主体形成一种稳定的体系，减少柱根处的位移，提升其稳定性能，增强建筑物的抗震能力，减少水平力所带来的隐患，防止主体结构出现滑移，扭转与倾覆。