高標(biāo)準(zhǔn)廠房柱跨經(jīng)濟性研究

謝志成

（廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510670）

1 高標(biāo)準(zhǔn)廠房的結(jié)構(gòu)形式

1.1 高標(biāo)準(zhǔn)廠房的結(jié)構(gòu)選型

《廣東省高標(biāo)準(zhǔn)廠房設(shè)計規(guī)范》[1]第5.1.2 條規(guī)定高標(biāo)準(zhǔn)廠房的層數(shù)不應(yīng)低于4 層，第5.1.3 條規(guī)定層高除滿足行業(yè)要求外，首層層高不應(yīng)小于6m，二、三層層高不應(yīng)小于4.5m，四層及以上不應(yīng)小于4m。因此可推斷出高標(biāo)準(zhǔn)廠房的建筑高度應(yīng)至少在19m 以上。

《廣東省高標(biāo)準(zhǔn)廠房設(shè)計規(guī)范》第5.1.4 條規(guī)定建筑高度除需符合當(dāng)?shù)匾?guī)劃限高要求外，高度一般不宜大于70m 且不應(yīng)大于100m，第5.4.7 條規(guī)定建筑高度大于32m 時，每個防火分區(qū)宜設(shè)置1 臺消防電梯，第4.2.2 條規(guī)定高標(biāo)準(zhǔn)廠房廠區(qū)容積率不宜低于2.0。因此，高標(biāo)準(zhǔn)廠房的最大建筑高度應(yīng)在100m 以下，同時考慮消防電梯成本以及容積率的要求，高度在32m 以下較為經(jīng)濟。

國內(nèi)大多數(shù)地區(qū)的抗震設(shè)防烈度均在Ⅷ度及以下?！犊挂?guī)》[2]6.1.1 條規(guī)定抗震設(shè)防烈度Ⅷ度及以下地區(qū)，35m 以下的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均可以采用框架結(jié)構(gòu)形式?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的隔墻布置較為靈活，空間使用性相比其他結(jié)構(gòu)形式將會更優(yōu)。

綜合考慮建筑、結(jié)構(gòu)以及成本優(yōu)勢，高標(biāo)準(zhǔn)廠房建筑高度一般處在19～32m 的范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)形式一般采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式。因此，本文研究對比的對象選取的結(jié)構(gòu)形式也是現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式。

1.2 高標(biāo)準(zhǔn)廠房結(jié)構(gòu)梁布置形式

《廣東省高標(biāo)準(zhǔn)廠房設(shè)計規(guī)范》第5.2.2 條規(guī)定高標(biāo)準(zhǔn)廠房主要進深需大于等于16m，柱距需大于等于8m，其柱距一般取8～12m；第6.1.3 條規(guī)定，高標(biāo)準(zhǔn)廠房生產(chǎn)廠房，樓面、地面活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值不宜小于：首層12kN/m2，2～3 層 8kN/m2，4 層及以上 6.5kN/m2；第 6.1.3條規(guī)定高標(biāo)準(zhǔn)廠房的屋面設(shè)備重量和位置未確定時，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值不宜小于7kN/m2；第6.2.3 條規(guī)定樓蓋可選用梁板式結(jié)構(gòu)，不宜采用無梁樓蓋結(jié)構(gòu)。因此，高標(biāo)準(zhǔn)廠房一般采用梁板式結(jié)構(gòu)，考慮到荷載較大，僅布置主梁的大板結(jié)構(gòu)形式板厚太厚，不夠經(jīng)濟，采用增加次梁的梁板結(jié)構(gòu)形式更為經(jīng)濟合理。

次梁的布置分為單向板式的次梁布置以及雙向板式的井字形梁、艸字形梁的布置形式。鄒利明[3]通過研究分析認(rèn)為雙向板在空間上有更好的剛度，有更大的結(jié)構(gòu)自振頻率，對于有微振動設(shè)備使用需求的高標(biāo)準(zhǔn)廠房宜采用雙向板的結(jié)構(gòu)形式。周艷[4]通過研究分析多種荷載、跨度下不同樓蓋形式的樓蓋經(jīng)濟性，得出單向板樓蓋的經(jīng)濟性優(yōu)于雙向板井式樓蓋。由于通用型的高標(biāo)準(zhǔn)廠房在市場上占比較多，設(shè)備的微振動可以在有需要時通過設(shè)備的減振支座和建筑減振浮筑來考慮其影響，因此，單向板式的次梁布置方案因其經(jīng)濟性更佳，成為在實際項目中常用的次梁布置方式。本文研究對比的對象選取的結(jié)構(gòu)梁布置形式也為單向板式的次梁布置方案。

2 柱跨大小對高標(biāo)準(zhǔn)廠房材料用量的影響

2.1 研究對象的選取

為研究柱跨對高標(biāo)準(zhǔn)廠房結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的影響，本文選取一實際工程項目，在保持平面外輪廓體型尺寸不變的情況下，分別按照柱跨為8.5m、9.5m、10.5m、11.5m 和12.5m 進行計算對比結(jié)構(gòu)的鋼筋和混凝土用量。項目總體情況概述如下。

某廣東地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)廠房項目，現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，次梁采用單向板式的次梁布置方式。建筑共5 層，室內(nèi)外高差1.5m，首層層高7.9m，二層層高6m，3～4 層層高5.5m，五層層高5.0m，房屋高度為31.4m。抗震設(shè)防類別丙類，抗震設(shè)防烈度Ⅶ度（0.1g），場地土類別Ⅱ類，設(shè)計地震分組第一組，框架抗震等級為二級?；撅L(fēng)壓為0.5kN/m2，地面粗糙度類別為B 類。荷載及其他參數(shù)設(shè)置按照《廣東省高標(biāo)準(zhǔn)廠房設(shè)計規(guī)范》和國《高規(guī)》[5]執(zhí)行。采用PKPM 結(jié)構(gòu)軟件進行建模分析計算，模型結(jié)構(gòu)平面X 向和Y 向總尺寸不變、結(jié)構(gòu)布置不變，僅根據(jù)X 向柱矩變化優(yōu)化柱尺寸、梁尺寸及跨數(shù)。分別按照柱距 8.5m，9.5m，10.5m，11.5m 和 12.5m 建立五個計算模型，對模型進行結(jié)構(gòu)分析計算并統(tǒng)計鋼筋與混凝土用量。10.5m 柱跨和12.5m 柱跨的結(jié)構(gòu)平面布置圖分別如圖1、圖2 所示，其余柱跨平面布置圖類似，不再贅述。

2.2 計算結(jié)果

經(jīng)計算分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，現(xiàn)將五個計算模型的計算結(jié)果統(tǒng)計如下，如表1 所示。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 控制變量分析

為研究僅柱跨變化對經(jīng)濟性的影響，需要控制其他變量，排除其他變化的影響。以表1 中的8.5m 柱跨的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進行再次加工處理得出數(shù)據(jù)偏差如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)偏差

表2 數(shù)據(jù)表明如下。

（1）五個模型的質(zhì)量相差在1%以內(nèi)，周期相差在3%以內(nèi)，X 向和Y 向的地震基底剪力相差均在1.5%以內(nèi)，差異均在可接受誤差范圍內(nèi)，可認(rèn)為五個模型的質(zhì)量、周期、基底剪力基本一致。依據(jù)反應(yīng)譜中周期與地震作用的關(guān)系，可認(rèn)為五個模型承受的地震作用基本一致，排除了地震作用大小差異對鋼筋量和混凝土量的影響。

（2）五個模型在風(fēng)荷載作用下，X 向和Y 向的基底剪力基本相同，可基本認(rèn)為五個模型的承受的風(fēng)荷載作用大小完全相同，排除了風(fēng)荷載作用大小差異對鋼筋量和混凝土量的影響。

（3）五個模型在地震作用和風(fēng)荷載作用下，X 向和Y 向的最大層間位移角相差均在3.5%以內(nèi)，差異均在可接受誤差范圍內(nèi)，可認(rèn)為五個模型的整體剛度情況基本一致。五個模型的總混凝土用量相差在2%以內(nèi)，可以認(rèn)為五個模型的混凝土用量基本一致。因此，排除了五個模型優(yōu)化程度不一致的人為差異對鋼筋量的影響。

綜上，在承受的作用相同、結(jié)構(gòu)優(yōu)化情況一致的情況下，可以認(rèn)為鋼筋量的變化完全是由柱跨大小的區(qū)別決定的。

2.3.2 結(jié)果及原因分析

為直觀展示不同柱跨對鋼筋量的影響變化趨勢，以表1 中的8.5m 柱跨的數(shù)據(jù)作為比較基準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進行加工處理后，得出鋼筋量變化曲線如圖3 所示。

從圖3 中可明顯看出隨著柱跨的增加，鋼筋含量總體呈現(xiàn)上升的趨勢，但是趨勢變化快慢不一致，在9.5～10.5m 區(qū)間變化緩慢，在 11.5～12.5m 區(qū)間變化明顯加快。現(xiàn)將產(chǎn)生此結(jié)果的原因分析如下。

（1）板的鋼筋量隨著跨度的增加顯著增多，在9.5～10.5m 區(qū)間變化緩慢，在10.5～12.5m 區(qū)間變化明顯快于8.5～9.5m 的區(qū)間。主要是因為板主要承受的為豎向荷載，在豎向荷載作用下，板受力大小與跨度的平方成正比，同時由于配筋大小還要受到最小配筋率的限制。因此，在跨度為8.5～9.5m 時，多數(shù)板的配筋為構(gòu)造配筋；跨度為9.5～10.5m 時，逐漸有少部分板配筋發(fā)展為計算配筋；超過10.5m 跨后，各板配筋基本均為計算配筋，因此配筋量增速加快。

（2）梁的配筋量隨著跨度的增加而增加，在9.5～10.5m 區(qū)間基本無變化，在11.5～12.5m 區(qū)間增速明顯加快。查看具體構(gòu)件的分析計算書，梁的配筋控制工況為恒活+風(fēng)工況，梁的配筋變化規(guī)律受到豎向荷載和風(fēng)荷載占比的變化影響。在豎向荷載作用下，梁受力大小與跨度的平方成正比，在風(fēng)荷載作用下，梁受力基本一致。在跨度較小時，風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的彎矩占比較高，跨度較大時，豎向荷載占比較高，梁受力增加明顯，鋼筋量增速加快。

（3）柱的配筋量在8.5～9.5m 跨度時最大，在10.5～11.5m 跨度是有所減小，在超過跨度超過11.5m 后又開始增加?？缍容^小時，柱子數(shù)量較多，柱配筋總量相對較多；隨著跨度的增加，柱子數(shù)量逐漸減少，柱配筋總量相對較少，但跨度較大時，柱受力增大，柱截面和配筋也隨之增加，柱配筋總量也相應(yīng)增加。

3 結(jié)語

本 文 通 過 對 比 分 析 8.5m、9.5m、10.5m、11.5m、12.5m 五個跨度的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高標(biāo)準(zhǔn)廠房模型計算結(jié)果，研究了柱跨大小對高標(biāo)準(zhǔn)廠房的經(jīng)濟性的影響。通過控制五個模型的平面尺寸、結(jié)構(gòu)體型、結(jié)構(gòu)周期、基底剪力、最大層間位移角和總混凝土用量，排除了作用大小、結(jié)構(gòu)優(yōu)化情況等對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的影響。根據(jù)分析結(jié)果可知，隨著柱跨的增大，結(jié)構(gòu)鋼筋量增多，在9.5～10.5m 左右的柱跨范圍內(nèi)，鋼筋量增速較慢，當(dāng)超過11.5m 跨時，鋼筋量增速明顯加快。上述結(jié)論可為工程設(shè)計人員和業(yè)主方在進行高標(biāo)準(zhǔn)廠房柱跨選擇時作為參考，當(dāng)需要極致節(jié)約成本時可選擇較小的柱跨，當(dāng)需要兼顧大空間的易用性及一定的成本控制時，選擇10.5m 左右的柱跨最具性價比。