摘要: 工业建筑结构和一般的民用建筑结构有所不同，其建筑结构在确保满足安全的前提下，还需要考虑工艺及设备等专业要求。本文根据工程案例，对工业建筑结构设计中所遇到的结构超长、混凝土墙体建模等问题进行探析。
关键词: 结构设计; 框架剪力墙; 转换梁; 超长结构
一、工程概况
某工业建筑分为两个结构单元，单元1的总高度19.9m，单元2总高度13. 1m，为剪力墙结构形式。抗震设防烈度为7度，地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组。其结构特征主要是地下室除了几道内墙和外墙外，并没有其它结构构件，而且单元1的错层竖向布置不规则，抗侧力构件受力不明确。
二、设计中的主要问题
1.超长结构
单元1纵向长78m，单元2纵向长102m，不能像一般的民用结构设置伸缩缝，应结合工程实际设置超过规范中的最大间距。本工程采取以下措施：
(1)设置后浇带。 要求结构单元1的后浇带要在带两侧混凝土浇灌45d后用补偿收缩混凝土浇筑，混凝土强度等级提高一级，该部分混凝土养护期不应少于28d。“带”内的补偿收缩混凝土在施工过程中产生膨胀作用，在邻位约束下，钢筋受拉而混凝土受压。后浇带两侧可采用钢筋支架单层钢筋网或单层钢板网隔断，后浇混凝土时必须将其表面浮浆剔除。采用后浇带后，施工过程中必须采用措施对该处防水层进行保护，特别是在后浇带封堵前。该处防水层是薄弱区域，地下水位较高时，水压会对防水层造成影响和破坏。因此，需在地下室底板上均匀地设置降水井，在地下室底板压重平衡前保持降水，待后浇带混凝土施工完毕，混凝土达到一定强度后，再封堵降水井。
(2)为了考虑温度变化和混凝土收缩而在混凝土中产生的拉应力，在设计过程中适当加大了墙体、框架梁等通长纵向配筋的配筋率，且墙体在楼层标高处设置暗梁。为避免结构突变(或断面突变)产生应力集中，在转角及孔洞处增设构造加强筋。
(3)通过材料措施和施工措施来减少温差，使变化及收缩尽量缓慢，以发挥混凝土应力松弛效应。采取在混凝土内适量掺入粉煤灰，选用Ⅰ级粉煤灰，控制混凝土的水灰比、采用泌水性好、水化热低、收缩率低和抗裂性高的水泥等措施减少混凝土收缩。
(4)配置混凝土时要求选择弹性模量较大的骨料。
(5)在混凝土中掺入膨胀剂，形成补偿收缩性混凝土，加强混凝土的保温保湿养护，减小其内外温差。
(6)结构施工完成后地下室部分要及时回填，地上部分要采取隔热保温等措施，尽量将室内构件因施工而外露的时间缩短。
(7)屋面及墙面采取比一般建筑物要求更高的保温隔热措施，以减小混凝土的温度应力。
2.设计中考虑混凝土墙体
在工业建筑中往往混凝土墙体或是剪力墙并不是结构设计所需要设置的， 而是工业建筑的特殊性要求。这些混凝土墙体有时会使结构在布置上不对称、不规则，从而对结构的设计计算产生很大的影响。这就要求结构设计时对这类混凝土墙的设计计算采取相应的措施，对结构布置做出相应调整，尽量做到布置均匀。在建筑对剪力墙布置的限制较多时，尽可能使结构平面刚度对称，避免结构产生过大的扭转。对于结构出现的薄弱部位，例如缩颈、开洞、局部突出等现象必须采取妥善的处理措施，以保证结构设计的合理性。本工程中的墙体大体分为两种: 工业建筑特殊要求布置的墙体、结构设计需要的墙体。这两种墙体在结构设计中大致分为两种情况考虑:按填充墙考虑的墙体以及按剪力墙设计的墙体。
(1)按填充墙考虑的墙体
按填充墙考虑的墙体分两种: 一种为墙体高度小于楼层高度，没有顶到上一层楼板板底，如本工程结构单元2中标高±0.000 m到标高2.000 m的外墙; 另一种为满足分隔空间要求而设有防护要求较薄的墙体，如图1所示墙体1按填充墙荷载输入的墙体，在设计时不按剪力墙设计，不考虑边缘构件，仅按规范要求进行构造配筋。遇到洞口则采用洞口加筋的方式予以加强。
图 1 防护要求墙体
(2)按剪力墙设计的墙体
按剪力墙设计的墙体，根据规范要求剪力墙两端及洞口两侧应设置边缘构件(图2)。一般情况下的工业建筑，剪力墙只需要考虑设置构造边缘构件即可满足要求。由于防护的要求而导致混凝土墙体过多、过密时，部分不重要的混凝土墙体仅仅按最小配筋率给出墙体配筋即可，无需设置构造边缘构件，如图3所示的墙体1、墙体2、墙体3。
图 2 设置构造边缘构件墙体
对于剪力墙上开洞则要根据洞口大小、高度以及楼层高度来确定是否设置边缘构件，对于不设置边缘构件的则要按洞口加筋考虑，按规范的规定对洞口给予加强。
图3 构造配筋墙体
对于由于剪力墙开洞形成的连梁，如果连梁以水平荷载作用下产生的弯矩和剪力为主，竖向荷载下的弯矩对连梁影响不大( 两端弯矩仍然反号)，那么该连梁对剪切变形十分敏感，容易出现剪切裂缝，则应按规范中有关连梁设计的规定进行设计，一般是跨度较小的连梁。反之，宜按框架梁进行设计，其抗震等级与所连接的剪力墙的抗震等级相同。
3.结构单元1中转换梁的设计
在本工程中由于工艺布置需要，结构单元1中少数剪力墙不能落地，剪力墙直接支承在柱子上，形成框支剪力墙。直接采用剪力墙托梁形式作为转换构件是框支剪力墙中最常见的形式，托梁是框支柱上的剪力墙加厚部分。本工程是将加厚部分直接做在框支层的顶部楼盖中，以柱上“梁”的形式出现，如图4所示。结合工程的实际，考虑到该工程仅有少数构件竖向传力不连续，并非真正框支剪力墙结构，也不是复杂高层建筑，在布置转换梁时尽量做到转换梁轴线与柱中心线重合。同时通过计算比较，设计中适当减小了转换梁的截面宽度和高度，在内力计算、配筋和构造措施上参照规范中有关转换构件的要求进行构件设计。结构建模计算时，将带有转换梁的楼层定义为转换层，利用SATWE整体计算，在“分析与设计参数补充定义”中输入转换层所在的结构层号(包括地下室层号)，在“特殊构件补充定义”中对转换梁进行定义。
图4 柱上梁
转换梁的截面尺寸满足如下要求，即转换梁截面组合的剪力设计值应符合下列规定:
式中: rＲE为承载力抗震调整系数; βc 为混凝土强度影响系数; f c为混凝土轴心抗压强度设计值。
4. 结构单元2的设计
本工程结构单元2的地下室底板顶标高为－11.430 m，考虑地下室墙体的受力及为提高建筑物的抗浮能力增加建筑物自身重量，地下室外侧墙体厚度做到了1.2m。而上部支承吊车的厂房柱截面仅有450 mm×600 mm。若将地下室和上部结构作为一个整体考虑并按框架剪力墙结构进行计算，则下部地下室部分会由于框架柱的数量很少、很弱，其内力分配所占比例很小，达不到规范要求的比例，即框架承担的剪力至少为基底剪力的20%，或框架的最大层计算剪力的1.5倍(取二者中的较小值)。这就要求下部结构要按剪力墙结构设计。上部结构则会由于剪力墙的数量太少(仅作为柱间支撑的墙是混凝土墙)，而使剪力墙承担的倾覆力矩小于总倾覆力矩的50% (本工程框架承担的倾覆力矩已经大于结构总倾覆力矩的80%)。这就要求上部结构的框架抗震等级和轴压比应按框架结构的规定执行，为了避免剪力墙受力过大，过早破坏，应尽量通过减薄墙体、开竖缝、开结构洞、减少配筋等措施减小剪力墙的作用。综合以上原因，设计时将这个结构上下分为两部分考虑:±0.000m以下为一部分，±0.000m以上为一部分。下部剪力墙结构全部位于地下，故设计时下部墙体按混凝土墙体考虑，外侧墙体按挡土墙进行设计计算，内部墙体由于受力很小仅按构造要求进行配筋。上部结构按框排架结构进行设计计算。考虑到地下室为一强度很大的刚体，设计时将地下室外墙作为上部框架柱的嵌固端，框架柱生根于地下室外墙上。
5.错层结构设计
结构单元1楼板多处存在错层。对于错层高度小于梁截面高度时，可以近似忽略错层因素影响，归并为同一楼层参加结构计算，本楼层标高近似取两部分楼面标高平均值;错层高度大于框架梁截面高度时，各部分楼板不能归并为一个刚性楼板，而应作为独立楼层参加整体计算，计算模型应能反映错层影响。
错层结构属于竖向不规则结构，错层部位竖向抗侧力构件受力复杂，容易形成多处应力集中部位。框架错层更为不利，容易形成长短柱沿竖向交替出现的不规则体系。因此错层结构在错层处的构件要按规范要求采取加强措施。
三、结束语
工业建筑由于工艺布置复杂，设备、防护要求较为特殊，直接影响结构的布置、设计与施工。因此结构设计时既要考虑各个工种的要求，又要考虑给结构带来的影响。通过采取以上措施，最终确保了结构的安全可靠性。
论文作者:马源一
论文发表刊物:《基层建设》2016年27期
论文发表时间:2017/1/4
标签：墙体论文; 结构论文; 混凝土论文; 构件论文; 剪力墙论文; 地下室论文; 框架论文; 《基层建设》2016年27期论文;