頂層單跨大空間結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

康 勇 薛征宇

中國天辰工程有限公司 天津 300400

框架結(jié)構(gòu)空間分隔靈活，對于多跨框架結(jié)構(gòu)通過合理布置跨度能夠達(dá)到功能性與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，因此在工程實踐中有廣泛的應(yīng)用。在使用上，像會議室、活動室等往往需要更大的空間以滿足使用功能要求。對于工業(yè)建筑，框架結(jié)構(gòu)頂層也常常通過抽掉中間柱設(shè)計成單跨大空間來滿足設(shè)備和管線布置等建筑功能需要。本文通過對頂層為單跨底層為多跨的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，總結(jié)探討了頂層單跨框架在現(xiàn)行規(guī)范意義的可行性，分析闡述了頂層單跨框架的加強(qiáng)措施，最后提出了鋼屋架與混凝土柱剛接連接的建議施工方法。

1.頂層單跨框架在規(guī)范意義的可行性

1.1 規(guī)范對單跨框架結(jié)構(gòu)的限制

單跨框架結(jié)構(gòu)屬于抗震不利的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)行規(guī)范對于單跨框架結(jié)構(gòu)的使用有明確的限制。

《抗規(guī)》混凝土部分6.1 .5 條：甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)；高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)?！犊挂?guī)》 鋼結(jié)構(gòu)部分8.1 .5 條對鋼框架有同樣的規(guī)定。《高規(guī)》6.1 .2 條同樣規(guī)定：抗震設(shè)計的框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用單跨框架。

1.2 單跨框架結(jié)構(gòu)的定義

然而，《抗規(guī)》條文說明解釋，從2008年局部修訂時開始增加控制單跨框架結(jié)構(gòu)適用范圍的要求?？蚣芙Y(jié)構(gòu)中某個主軸方向均為單跨，也屬于單跨框架結(jié)構(gòu);某個主軸方向有局部的單跨框架，可不作為單跨框架結(jié)構(gòu)對待?！陡咭?guī)》6.1 .2 條文說明解釋，單跨框架結(jié)構(gòu)是指整棟建筑全部或絕大部分采用單跨框架的結(jié)構(gòu)，不包括僅局部為單跨框架的框架結(jié)構(gòu)。

所以本文認(rèn)為底層多跨而頂層單跨的結(jié)構(gòu)不屬于單跨框架結(jié)構(gòu)。

Figure 1頂層單跨的框架結(jié)構(gòu)（a） 單跨框架結(jié)構(gòu)（b）

2.頂層單跨框架的加強(qiáng)措施

2.1 地震作用下單跨框架的破壞分析

單跨框架的抗側(cè)剛度小，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)少，耗能能力弱，不能形成多道抗震防線。對框架結(jié)構(gòu)而言，一旦框架出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)垮塌的可能性較大。震害調(diào)查表明，單跨框架結(jié)構(gòu)尤其是層數(shù)較多的高層建筑震害尤為嚴(yán)重。頂層單跨、下層多跨的框架雖然不屬于單跨框架結(jié)構(gòu)體系，但是框架頂層的柱和梁同樣存在冗余度低的缺點。當(dāng)必須采用單跨框架時，應(yīng)對薄弱部位加強(qiáng)，延遲構(gòu)件塑性鉸的出現(xiàn)，以提高抗震能力。

2.2 抗震性能化設(shè)計

建筑抗震性能化設(shè)計，就是根據(jù)工程的具體情況，確定合理的抗震性能目標(biāo)、采取恰當(dāng)?shù)挠嬎愫涂拐鸫胧詫崿F(xiàn)抗震性能目標(biāo)的要求。

對頂層單跨的框架結(jié)構(gòu)采用性能化設(shè)計時，需要加強(qiáng)與單跨框架相關(guān)的柱（從基礎(chǔ)開始）和屋面梁，確保頂層在整個結(jié)構(gòu)屈服后期才出現(xiàn)塑性鉸。

以SATWE或YJK設(shè)計軟件為例，在參數(shù)輸入菜單中的性能設(shè)計部分定義性能設(shè)計，根據(jù)工程要求選擇正截面和斜截面中震彈性或更高目標(biāo)。然后在軟件性能目標(biāo)菜單中選擇需要進(jìn)行性能設(shè)計的構(gòu)件。通過合理地提高地震作用或抗震措施，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.3 連接形式加強(qiáng)

根據(jù)頂層單跨冗余度低的特點，屋面梁或屋架與柱連接建議優(yōu)先考慮剛接節(jié)點而不應(yīng)采用鉸接。

為保持結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，頂層柱應(yīng)與下柱采用相同結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)柱為鋼柱時，屋面梁可以采用鋼梁或兩端剛接鋼桁架；當(dāng)柱為混凝土柱時，可采用混凝土梁或預(yù)應(yīng)力混凝土梁。

3.混凝土柱與鋼屋架連接施工

對于混凝土柱大跨度情況，為減輕自重或考慮施工方便，經(jīng)常采用鋼梁或鋼桁架。實現(xiàn)混凝土柱與鋼梁的剛接成為提高結(jié)構(gòu)冗余度的關(guān)鍵點。鋼梁或鋼桁架與混凝土柱連接節(jié)點宜采用預(yù)埋構(gòu)造型鋼的方式，梁柱剛接節(jié)點示意如下：

Figure 2 混凝土柱與鋼梁剛接節(jié)點

Figure 3混凝土柱與鋼梁剛桁架剛接節(jié)點

鋼梁或鋼桁架端部設(shè)置構(gòu)造型鋼埋于混凝土柱中。混凝土柱在構(gòu)造型鋼底板下50mm處設(shè)施工縫。型鋼上設(shè)置適量焊釘增強(qiáng)與混凝土連接。底板預(yù)埋螺栓兼做安裝調(diào)平用。待鋼梁或鋼桁架和構(gòu)造型鋼安裝完畢，底板二次灌漿后，再澆筑剩余柱混凝土。如在混凝土柱側(cè)設(shè)置拼接節(jié)點，待構(gòu)造型鋼就位，混凝土柱澆筑完畢后再安裝鋼梁或鋼桁架，容易因為誤差而造成施工困難。故可在大跨鋼梁或鋼桁架其他位置設(shè)置拼接點，而不是在混凝土柱側(cè)拼接。

鋼梁或鋼桁架伸入混凝土柱與構(gòu)造型鋼連接。另一方向也有系桿和柱間支撐通過節(jié)點與構(gòu)造型鋼相連。梁柱剛接節(jié)點范圍類似型鋼混凝土，柱中縱向鋼筋或箍筋避不開鋼構(gòu)件時，參照型鋼混凝土在鋼構(gòu)件上開孔。

4.結(jié)語

單跨框架由于缺少必的冗余度，不符合抗震體系宜有多道抗震防線的要求，設(shè)計中應(yīng)避免采用。多層框架結(jié)構(gòu)頂層通過抽柱形成頂部單跨大空間，這種結(jié)構(gòu)不屬于《抗規(guī)》禁止的單跨結(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)計必須采用單跨框架時需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)具有必要的抗震承載力。