王 鑫

(霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031400)

1 框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)主要是由鋼筋圈梁和混凝土柱共同組成，不僅可以承受豎向荷載，同時還可以承受水平荷載，其主要運(yùn)用于剛度均勻、外形規(guī)則的建筑物。該框架結(jié)構(gòu)可以通過靈活分隔空間，將空間利用率達(dá)到最大，整體性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，無論是在抗爆、抗震方面，還是在抗撞擊、抗震動方面都具有良好的性能。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)相比擁有更好的防火耐燒優(yōu)勢，和傳統(tǒng)磚墻結(jié)構(gòu)相比擁有更好的自身重量優(yōu)勢，且在原材料方面可以就地取材，具有成本造價低的優(yōu)勢。因此，在各大煤礦建筑中被廣泛應(yīng)用。

2 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要原則

2.1 抗震設(shè)計

根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，該框架結(jié)構(gòu)必須達(dá)到“小震不損壞，中震可維修，大震不傾倒”的預(yù)防抗震目標(biāo)，并通過相關(guān)力學(xué)計算來對設(shè)防要求進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。因此，在設(shè)計框架結(jié)構(gòu)時是可以出現(xiàn)局部損壞的，但是不允許出現(xiàn)整體變形和倒塌。根據(jù)要求，框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計內(nèi)容主要包含如下三個方面：第一方面是抗震概念設(shè)計；第二方面是抗震計算設(shè)計；第三方面是抗震構(gòu)造設(shè)計?？拐鸶拍钤O(shè)計就是根據(jù)地震對框架結(jié)構(gòu)的破壞程度靈活采取抗震措施，從設(shè)計初期就對框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行全面把握，從而能夠制定出更加合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以此來消除抗震結(jié)構(gòu)中的薄弱部分；抗震計算設(shè)計主要包含兩部分：一部分是地震作用，另一部分是抗力計算，其主要作用就是通過定量分析來為結(jié)構(gòu)合理化設(shè)計提供保障；抗震構(gòu)造設(shè)計主要是通過其他方式，來對抗震計算的有效性進(jìn)行驗證。

2.2 結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

在總體布置框架結(jié)構(gòu)時其是否規(guī)則會對抗震性能產(chǎn)生直接影響。采用平面布置方式時一定要對抵抗豎向、水平方向的荷載有利。與此同時，無論是平面形狀結(jié)構(gòu)，還是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)在設(shè)計時都應(yīng)該按照均勻?qū)ΨQ的簡單規(guī)格進(jìn)行布置，以此來降低扭轉(zhuǎn)影響。采用豎向布置方式可以讓結(jié)構(gòu)的豎向剛度和承載力逐漸減小，從而使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不容易發(fā)生突變。因此，在工藝要求允許情況下應(yīng)盡量減少不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。如果一定要有不規(guī)則結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時，應(yīng)盡量采取有效措施對不規(guī)則結(jié)構(gòu)的數(shù)量進(jìn)行降低，假如遇到非常不規(guī)則的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該對其進(jìn)行專門討論和研究。

2.3 適用高度

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)最大使用高度如下所示：當(dāng)抗震設(shè)防烈度等級為6度時，其最大高度為60m；當(dāng)抗震設(shè)防烈度等級為7度時,其最大高度為50m；當(dāng)抗震設(shè)防烈度等級為8(0.2g)度時，其最大高度為40m；當(dāng)抗震設(shè)防烈度等級為8(0.3g)度時，其最大高度為30m；當(dāng)抗震設(shè)防烈度等級為9度時，其最大高度為24m；假如框架中存在不規(guī)格結(jié)構(gòu)需要對其高度進(jìn)行降低。

2.4 結(jié)構(gòu)布置的要求

框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計方面應(yīng)該受力明確，結(jié)構(gòu)合理，有簡潔的計算簡圖，同時承載力和結(jié)構(gòu)剛度也應(yīng)該均勻分布，應(yīng)具備較強(qiáng)的抗震設(shè)防能力和地震能量緩沖能力。同時，應(yīng)按照雙向梁柱方式進(jìn)行抗側(cè)力系統(tǒng)設(shè)計，將縱、橫這兩個方向上的動力特性誤差控制在20%左右。當(dāng)高度超過24m時，甲類和乙類建筑都不允許進(jìn)行單跨結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.5 延性框架

為了讓建筑物在地震時擁有更強(qiáng)的抗倒塌能力，應(yīng)該對框架結(jié)構(gòu)的延性進(jìn)行增加。嚴(yán)格按照國家規(guī)范對抗設(shè)防烈度、類別以及建筑物高度進(jìn)行不同等級抗震劃分，通過內(nèi)力調(diào)整等措施來對其結(jié)構(gòu)延性進(jìn)行控制，換而言之就是按照弱梁配強(qiáng)柱、弱彎配強(qiáng)剪等原則，有效提高結(jié)構(gòu)部件的延性。其加強(qiáng)措施如下：一是提高結(jié)構(gòu)部件的抗剪切力，以避免結(jié)構(gòu)不佳被剪切破壞；二是對框架支柱的軸壓比進(jìn)行有效減小；三是對框架結(jié)構(gòu)梁的高度進(jìn)行降低；四是對框架鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，增大混凝土的屈服強(qiáng)度；五是對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)，防止節(jié)點(diǎn)最先遭到破壞。

3 煤礦工業(yè)建筑中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

3.1 建造場地

作為地震作用的主要影響因素，場地條件選擇非常重要。在進(jìn)行煤礦工業(yè)場地前期選址和平面結(jié)構(gòu)方案設(shè)計時，應(yīng)該對其場所地質(zhì)、地形以及周圍環(huán)境狀況進(jìn)行全面掌握，通過和工藝、總圖等及時溝通協(xié)調(diào)，最大程度避開危險地段，選擇有利地形，從而使所選的建造場抗震性能得到有效提高。

3.2 地基和基礎(chǔ)設(shè)計

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，地面所產(chǎn)生的震動會通過基礎(chǔ)傳遞給上部框架。因此，無論是地基，還是上部結(jié)構(gòu)都必須具備良好的剛度和承載力，基礎(chǔ)地面盡量按照同一標(biāo)高進(jìn)行設(shè)計，并且相同結(jié)構(gòu)單元在基礎(chǔ)建造時最好選擇在性質(zhì)相同的地基，不要同時采用樁基和天然地基，這樣很容易產(chǎn)生傳遞差異從而給框架造成震害。在進(jìn)行基礎(chǔ)建造時，應(yīng)該對地基自身的承載力進(jìn)行充分利用，同時對基礎(chǔ)偏心進(jìn)行減小，優(yōu)先選擇天然淺地基，假如淺地基在土層穩(wěn)定性、強(qiáng)度等方面無法滿足需求時，那么也可以選擇深地基。同時應(yīng)該對地基中的黏性土和液化土采取減輕措施，避免因地質(zhì)不均勻而造成地基下沉。

3.3 柱的設(shè)計

在進(jìn)行柱網(wǎng)設(shè)計時，要傳力系統(tǒng)明確，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，同時還要確保規(guī)則間距都要適中整齊。為了避免柱網(wǎng)對煤礦建筑的正常使用產(chǎn)生影響，應(yīng)該對框架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化和施工便利性進(jìn)行充分考慮，盡量確保結(jié)構(gòu)模型簡單化。相同樓層在進(jìn)行框架柱建造時截面尺寸誤差不宜過大，最好這些框架柱具有相同的延性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這樣才能確保所有的框架柱均勻受力，從而避免因承受力不均勻而導(dǎo)致框架柱被地震逐個擊破，通常都是采用豎向分段的方式來對框架柱的強(qiáng)度進(jìn)行改變，從而和強(qiáng)度過低的樓層相錯開，以避免相同樓層同時發(fā)生變形。在框架柱建造時盡量避免使用短柱，因為短柱很容易發(fā)生破壞變形。

3.4 梁、板的設(shè)計

煤層工業(yè)建筑通常都會在樓層上布置大型工業(yè)設(shè)備，因此需要在煤炭破碎機(jī)、帶式運(yùn)輸機(jī)等大型振動設(shè)備下方設(shè)計支撐梁，如果單個設(shè)備也具有較大荷載時也應(yīng)該設(shè)梁，與此同時梁的外形尺寸和設(shè)置位置等都應(yīng)該同時滿足框架結(jié)構(gòu)要求。在樓層進(jìn)行洞口預(yù)留時應(yīng)確保洞口最小尺寸超過0.3m，假如洞口周圍存在集中載荷或者洞口尺寸相對較大時，都應(yīng)該在洞口周圍布置支撐梁。與此同時，還應(yīng)通過雙層雙向配筋的方式來對洞口周圍的樓板進(jìn)行加厚，確保梁板的強(qiáng)度滿足使用要求。

3.5 樓梯的設(shè)計

在進(jìn)行樓梯間設(shè)計時，應(yīng)該盡量避免使用不規(guī)則結(jié)構(gòu)，從而將不規(guī)則結(jié)構(gòu)影響降到最低。最好采用鋼筋混凝土的方式來進(jìn)行樓梯澆筑。當(dāng)框架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土樓梯形成一個有機(jī)整體時，在對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計算時也應(yīng)該把樓梯計算在內(nèi)。

3.6 防震縫

通過防震縫可以對外形復(fù)雜的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)則單元劃分，同時還可以對抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計難度進(jìn)行降低，但是因為防震縫兩側(cè)位置需要搭建框架柱，在很大程度上提高了結(jié)構(gòu)施工難度，同時還會對煤炭工業(yè)建筑的投入使用產(chǎn)生重大影響，假如有地震發(fā)生，防震縫兩側(cè)框架結(jié)構(gòu)必然會發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)因膨脹而發(fā)生損壞。因此，防震縫應(yīng)該結(jié)合建筑實(shí)際情況進(jìn)行采用，當(dāng)遇到復(fù)雜地形，框架結(jié)構(gòu)盡量不要使用防震縫，而是采取其他有效措施增加框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

4 優(yōu)化混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的細(xì)節(jié)優(yōu)化策略

4.1 嚴(yán)格控制混凝土框架結(jié)構(gòu)尺寸

施工場所的環(huán)境溫度對于施工質(zhì)量有一定影響，施工溫度較高或較低都會在一定程度上影響施工材料的性能，因此要對環(huán)境溫度進(jìn)行控制。施工完畢后，由于外部載荷的影響使得施工材料出現(xiàn)一定程度的形變，使得混凝土框架結(jié)構(gòu)不牢固乃至表面出現(xiàn)裂隙等情況。為了避免此類問題的產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)對混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行高精度科學(xué)合理的設(shè)計，特別要注意建筑結(jié)構(gòu)尺寸精確合理。將設(shè)計重點(diǎn)放在建筑結(jié)構(gòu)中的非線性部分，通過簡化整體結(jié)構(gòu)的方式提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和受力均勻性。

4.2 梁體與柱體中心線重合

混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，對于梁體和柱體中心的重合度要求較高，一旦發(fā)現(xiàn)柱體同中心線沒有重合的情況，應(yīng)當(dāng)及時由相關(guān)人員進(jìn)行調(diào)整，避免由于不重合問題導(dǎo)致的工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量問題。設(shè)計方案的制定需要考慮實(shí)際施工條件對于工程周期的影響，保證工程按時完成。從框架結(jié)構(gòu)設(shè)計角度而言，框架結(jié)構(gòu)的梁體和柱體中心線的重合度對于建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要影響。所以，設(shè)計者需要根據(jù)建筑構(gòu)成確定恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計形式，計算出科學(xué)合理的中心線偏心距，保證混凝土框架結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

節(jié)點(diǎn)有效抗剪面積對于節(jié)點(diǎn)抗剪承載力高低有著重要影響，通常采用界面寬度對偏心節(jié)點(diǎn)的有效抗剪面積進(jìn)行計算。

4.3 結(jié)合公式確定柱體構(gòu)造形式

通常情況下，混凝土框架的柱端需要同時承受剪力和彎矩。柱體剪跨比通過下式計算:

X=M/Vh0

公式中:h0—沿彎矩方向柱截面的有效高度；V—剪力；M—彎矩。如果X≤1.5，選取極短柱；如果1.52，選取柱。根據(jù)實(shí)驗結(jié)果可知，極短柱由于剪切斜拉造成的損壞通常是脆性損壞，長柱以及短柱由于剪切斜拉造成的損壞通常是彎曲損壞以及剪切損壞。

4.4 梁端彎矩調(diào)幅問題

設(shè)計過程中由于梁端負(fù)彎矩較大，配筋較多難以進(jìn)行施工，因此通過豎向荷載的作用，使得塑性內(nèi)力重新分布，采用梁端彎矩降低的方式進(jìn)行配筋。依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)澆框架支座彎矩調(diào)幅系數(shù)在0.8～0.9間，整體式框架調(diào)幅系數(shù)在0.7～0.8間。支座彎矩下降后，通過塑性內(nèi)力重新分布的方式提高跨中彎矩。此外要求僅能在豎向荷載作用產(chǎn)生的梁端彎矩的情況下進(jìn)行調(diào)幅，對于水平荷載作用產(chǎn)生的梁端彎矩不適用。設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守這一規(guī)范，應(yīng)當(dāng)在配筋計算過程中對于內(nèi)力設(shè)計值進(jìn)行調(diào)幅。具體方式為先對豎向荷載產(chǎn)生的彎矩調(diào)幅，之后同水平荷載產(chǎn)生的彎矩組合。

4.5 風(fēng)荷載作用下的框架柱剪力計算問題

當(dāng)前采用直接取計算單元承受風(fēng)荷載面積的大小的方式，對框架柱的內(nèi)力進(jìn)行計算，相關(guān)研究表明該方式同實(shí)際數(shù)值存在較大差異。在建筑物自身結(jié)構(gòu)規(guī)則勻稱的情況下，該方式的計算結(jié)果精度較高，在建筑物自身結(jié)構(gòu)不規(guī)則或構(gòu)件分布不規(guī)則的情況下，該方式計算結(jié)果精度較低，主要原因是將中間棍框架依照受風(fēng)面積進(jìn)行計算，導(dǎo)致計算內(nèi)力結(jié)果偏小。本文關(guān)注風(fēng)荷載作用，將建筑物當(dāng)成整體進(jìn)行研究，現(xiàn)澆框架以及裝配式鋼筋混凝土多層框架結(jié)構(gòu)，設(shè)定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，也就是樓板在該平面內(nèi)不產(chǎn)生撓曲變形，在水平載荷的作用下相同樓層的各柱側(cè)移量一致，樓層剪力依照側(cè)移剛度進(jìn)行分配。

4.6 細(xì)節(jié)處理

混凝土框架工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守當(dāng)?shù)氐姆煞ㄒ?guī)，同時兼顧工程建筑的相關(guān)要求，包括設(shè)計類型以及功能特征等。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，尤其應(yīng)當(dāng)注意抗震構(gòu)造措施以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

建筑結(jié)構(gòu)布置以及樓層對于建筑防震作用存在顯著影響。采用統(tǒng)一級別的混凝土進(jìn)行施工建設(shè)能夠顯著減少其對建筑物防震功能的影響。除此之外，應(yīng)當(dāng)保證柱長在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)以及計算模型，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中重點(diǎn)考慮框架梁截面相關(guān)內(nèi)容，框架結(jié)構(gòu)中電梯井壁設(shè)計的方案應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行調(diào)整。比如，構(gòu)件最小配筋率驗算過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)選取，如果發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在不妥之處，需要及時終止施工，進(jìn)行方案的調(diào)整，重新制定科學(xué)合理的施工方案并進(jìn)行施工安排。

5 結(jié) 語

在進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須要和實(shí)時抗震情況相結(jié)合，只有如此才能設(shè)計出性能優(yōu)良的抗震結(jié)構(gòu)，從而為煤礦工業(yè)建筑的推廣應(yīng)用提供安全保障。