摘要：本文结合工程设计实践，对工业建筑中的钢筋混凝土框架结构设计中的结构方案确定、材料选用、结构计算等方面进行了分析和探讨，可供建筑结构设计人员参考。
关键词：工业建筑；框架结构；合理设计
1．前言
随着世界范围内地震频发，我国的结构设计规范也在不断升级，越来越多的结构采用抗震墙。抗震墙具有较好的抗震性能，但抗震墙墙体较密，使建筑平面布置和空间利用受到限制。钢筋混凝土框架结构的空间布置和分隔比较灵活，自重轻，节省材料，适用于平面复杂以及对使用空间要求较大的结构。相比而言，工业建筑往往平面布局复杂，设备摆放位置不规律，对使用空间要求较大，特别是错综复杂的工艺管道对竖向空间的通透性要求较高，而剪力墙结构中墙面预留管道洞口位置较难确定。而对于此类工业建筑，钢筋混凝土框架结构有独特的适用性，因此仍然是较为常用的结构形式。在确定结构设计方案时，框架结构的适用性和合理性在设计时需要充分考虑和研判。
2．结构方案
一般而言，重量较轻的结构对抗震是有利的，但对于大部分工业建筑而言，往往会有很多大型设备，特别是楼面上放置的设备对于结构计算和配筋有很大的影响。不同抗震设防烈度、楼面荷载以及楼层数量的框架结构，为了提高设计的合理性，需在制定结构方案时兼顾很多影响因素。
2.1 结构跨度
钢筋混凝土框架结构根据跨度的数量可分为单跨框架和多跨框架。现行《建筑抗震设计规范》[1]第6.1.5条规定：高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。对于多层的工业建筑（一般属于丙类）当不可避免时应采取加强措施或改变结构形式。单跨框架结构指建筑物整体或绝大部分采用单跨框架形式的结构，不包含仅局部为单跨的结构。由于单跨框架结构冗余度低，耗能能力弱，一旦柱子出现塑性铰，连续倒塌的可能性很大。此时，应考虑增加框架柱，形成多跨框架或改变结构形式。
框架柱网跨度的合理性也是影响工程造价的重要因素，一般来说，较密的柱网有利于提高经济性。对于楼面荷载较大的工业建筑而言，在设计时应充分考虑“经济跨度”的影响。
2.2 建筑层高
当结构层数较多或建设地地震烈度较高时，梁柱构件的尺寸和配筋主要由地震荷载控制，而结构水平荷载效应对于层高的敏感度大于对跨度的敏感度，此时控制层高可以改善位移角。具体方法可以采用密肋、梁加竖向梁腋楼盖形式等方法改善。对于局部要求净高较大的区域，可以考虑局部设置跃层柱，而不是加高全部楼层。
以某碳电极项目为例，建设地位于山西省介休市，抗震设防烈度为8度。按工艺专业要求，某建筑物平面尺寸24m×9m，总高度21.9m，共3层，工艺楼面标高分别为7m和11.5m。底层需要较大运行空间，中间层有大型设备及储物料仓。项目拟采用钢筋混凝土框架结构，但工艺布置图中跨度为单跨，不满足《建筑抗震设计规范》要求。经过讨论研究，确定该框架结构端榀为单跨，中间三榀增设框架柱，形成局部单跨的框架结构，有利于抗震计算。此外，为改善层高过大导致位移角无法满足规范要求的问题，通过增设楼层降低了层高，减小了框架柱的计算长度。增设楼层的位置和高度还应考虑门窗洞口、进出通道、工艺管道等因素并避免结构出现短柱或楼层刚度相差较大等问题。通过增设楼层的方法大大降低了层间位移角，也解决了抗震计算无法满足规范的问题。
2.3 抗侧刚度
一般而言，结构某一方向的抗侧刚度，往往由该方向梁截面高度的数值决定。因此，为使各个方向的抗侧刚度接近，可让各个方向的梁高尽可能接近。采用矩形柱网时，合理的解决方法是将次梁平行于长跨方向布置，即将次梁搭设在短跨的框架梁上，这同时也是降低层高的一种方法。此外，框架结构一般是底部楼层的位移角先接近限值，所以增大底部楼层的刚度同时降低上部楼层柱截面，可以显著改善位移角。
2.4 方案比较
对于不同的结构设计方案，可以采用软件进行分析比较。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆比如，利用PKPM软件STAT-S模块统计工程量，对已完成计算的结构模型中梁、板、柱、墙等构件的混凝土、砌体、钢筋使用量进行归类统计，既可以分层统计也可统计全楼材料。同时，可将不同方案计算出的总体指标以图形和文档形式整理出来，方便设计者进行对比和选择，进而确定最优设计方案。
3、材料选用
3.1 混凝土
一般而言，工业建筑框架柱的材料用量往往由柱子轴力控制。当结构抗侧刚度足够而柱轴压比超过限值时，可考虑采用更高标号的混凝土，同时尽可能减少截面的配筋率。框架梁、楼板与框架柱不同，相同截面时从成本角度考虑，提高混凝土标号并不能等值地减少钢筋用量，所以采用提高混凝土标号的方法并不适用。
3.2 钢筋
随着经济实力和技术手段的进步，高强度钢筋正逐步推广，HPB300级钢筋目前也很少使用，仅在一些受力较小的构件或者构造配筋中使用。高强度钢筋具有较高的性能，且减少了材料的浪费，同时HRB系列的热轧带肋钢筋具有较好的延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性。因此，采用高强钢筋具有较高的性价比，同时也符合国家节能减排的政策方针。
3.3 砌体材料
框架结构的围护墙及隔墙一般采用轻质砌体材料，如：多孔砖、加气混凝土砌块等。但很多工业建筑都在偏远地区建设，受经济条件和技术手段的限制，往往只生产烧结普通砖，无法采购轻质砌体材料或者采购成本较高。由于这两类材料的自重相差较大，为了避免设计与实际不符，设计前也需要先调查了解建设地建筑材料相关情况，确定材料类型，进而采用准确的荷载进行计算并选择正确的建筑装饰做法。在都能顺利采购的情况下，优先选择轻质建材，以减少自重对于结构抗震的影响，从而降低结构造价。
4、结构计算
4.1 配筋率
配筋率[2]是混凝土构件中配置的钢筋面积（或体积）与规定的混凝土截面面积（或体积）的比值。由于结构构件的受力特征各不相同，不能以某个特定的截面来确定经济配筋率。以框架梁为例，有些上部配筋量较大，有些下部配筋量较大。最优配筋率实际上是使体积配筋与整个框架梁的混凝土的总造价最低。比如：当某框架梁正、负弯矩数值接近时，使单侧配筋率在1%左右比较经济，而对于简支梁、悬臂梁，单侧配筋率达到1.5%左右最好。
4.2 配筋面积
框架梁跨中的上部作为弯矩受压区，计算配筋很小，但《建筑抗震设计规范》第6.3.4条要求最小采用2Ф12或2Ф14通长，而受力钢筋直径很多都大于Ф14，为了减少这部分钢筋浪费，选择梁主筋时可选择较小直径钢筋作为通长筋。例如：当配筋面积接近时，采用3Ф18而不采用2Ф22，即采用2Ф18的通长筋而不采用2Ф22的通长筋，这样更为经济。
对于工业建筑，通常荷载分布不均匀，计算出来的梁柱等构件配筋各不相同，为了提高施工效率通常对梁、柱配筋进行适当归并。可根据设计的实际情况来确定归并系数大小，经济性要求越高，归并系数越小，项目规模越大，成本差异越显著。
5、结语
在工业建筑设计中，钢筋混凝土框架结构是一种常用的结构形式，在满足工艺使用要求的同时也需做到安全适用、经济合理。为了使结构具有更好的抗震性能和使用合理性，需要在确定结构方案时充分考虑跨度、层高、抗侧刚度、材料特性及建设地的实际情况；在确定构件受力配筋和构造做法时应兼顾构件的特性及受力特点；在结构计算时，充分利用规范依据，采用多方案比选的方式进行优化设计，提高经济性，节约建设成本。
参考文献：
[1] 建筑抗震设计规范（GB50011-2010）2016年版[S].北京，2016.
[2] 混凝土结构设计规范（GB50010-2010）2015年版[S].北京，2015.
[3] 曹长龙. 多层钢筋混凝土框架结构设计探讨[J]. 工程与建设，2009，（01）.
[4] 任全宏，常建军.钢筋混凝土多层框架结构房屋结构设计中应注意的几个问题[J]. 陕西建筑，2007，（07）.
论文作者:陈成
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/30
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