多高層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

張紹斌

（廣州漢森建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510430）

1 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，各行各業(yè)雨后春筍般蓬勃興旺，我國(guó)經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，土地問(wèn)題也隨之變得日益嚴(yán)峻，時(shí)代的發(fā)展對(duì)建筑的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在過(guò)去，工業(yè)建筑往往以單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房為主，但是近年來(lái)逐漸往多高層混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展。為滿足現(xiàn)代化高標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)需要，工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題是整個(gè)建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)最為關(guān)鍵的。它與常規(guī)民用建筑不同，具有跨度大、荷載大的特點(diǎn)，在整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，應(yīng)全面考慮它與普通建筑的不同之處，保證工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理。

2 活荷載取值

對(duì)于不同使用功能的工業(yè)廠房，活荷載的取值也有所不同。根據(jù)GB 55001—2021《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》[1]4.2.7條，工業(yè)建筑樓面活荷載按使用功能的不同，電子產(chǎn)品加工、輕型機(jī)械加工、重型機(jī)械加工類工業(yè)建筑，分別應(yīng)不小于4.0 kN/m2、8.0 kN/m2、12.0 kN/m2。在工程實(shí)際中，活荷載取值除了要滿足規(guī)范的要求外，仍應(yīng)根據(jù)建筑使用的實(shí)際情況，確定活荷載的實(shí)際所需取值大小，以保證建筑物的使用安全。

3 結(jié)構(gòu)的布置及構(gòu)件截面選擇

多高層工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)結(jié)合建筑的使用功能需要及荷載大小，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式。一般而言，對(duì)于大面積的生產(chǎn)區(qū)域位置，多采用單向雙次梁體系，即平行弱軸方向采用大截面、強(qiáng)剛度主梁，平行長(zhǎng)軸方向，在主梁跨度范圍內(nèi)布置2根次梁搭在主梁上，形成的板格通常為單向板。該體系結(jié)構(gòu)受力形式合理，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

關(guān)于梁截面的選擇，既要考慮建筑使用的需要，同時(shí)也要考慮工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于建筑的使用功能而言，工業(yè)廠房的生產(chǎn)區(qū)域需要擺放大型生產(chǎn)設(shè)備，應(yīng)避免梁高過(guò)大，導(dǎo)致凈空不足。對(duì)于經(jīng)濟(jì)性而言，梁的配筋率一般控制在0.6%～1.5%[3]，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)人員可以此為據(jù)，不斷調(diào)整計(jì)算模型，確定最優(yōu)的梁截面大小。

柱截面的確定，除了應(yīng)滿足建筑的使用要求外，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，最首要的是要滿足規(guī)范對(duì)軸壓比的規(guī)定。其次，為了優(yōu)化柱截面的選擇，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)根據(jù)建筑總層數(shù)，合理選用混凝土強(qiáng)度。當(dāng)層間位移比有較大富余時(shí)，可考慮采用較小的柱截面，并提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)。這樣既能提高結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，又能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益[4]。一般而言，混凝土等級(jí)在底層強(qiáng)度最高，然后每隔一定層數(shù)逐漸減小至C30。需要注意的是，混凝土等級(jí)的變化層，不宜同時(shí)改變柱子截面的面積大小，否則可能會(huì)出現(xiàn)上層柱比下層柱配筋更大的情況。另外，在確定柱子截面大小時(shí)，宜反復(fù)利用模型試算調(diào)整，使柱子盡量控制為構(gòu)造配筋率，經(jīng)濟(jì)性更佳。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)取值要點(diǎn)

4.1 活荷載組合系數(shù)

根據(jù)GB 55001—2021《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》，工業(yè)建筑樓面活荷載相應(yīng)的組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)以及準(zhǔn)永久值系數(shù)均與設(shè)計(jì)軟件的默認(rèn)值不同，分別為0.8、0.6、0.5，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意修改該參數(shù)的取值。

4.2 重力荷載代表值分項(xiàng)系數(shù)

根據(jù)GB 50011—2011《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）[5]5.1.3條，民用建筑樓面活荷載組合值系數(shù)取值為0.5，為計(jì)算軟件的默認(rèn)值。而對(duì)于工業(yè)建筑，無(wú)明確規(guī)定?？拐鹪O(shè)計(jì)手冊(cè)[6]指出，多層工業(yè)廠房的取值可大于一般民用建筑，但也沒(méi)有給出具體取值建議。古今強(qiáng)[7]通過(guò)算例比較，指出重力荷載代表值分項(xiàng)系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較明顯，并給出了該系數(shù)的取值建議?！豆I(yè)建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見(jiàn)稿）給出了具體的取值為0.8。盡管對(duì)于工業(yè)建筑該系數(shù)的取值仍未有成文的規(guī)定，但是若按0.5取值顯然是不妥的，在工程實(shí)際中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的樓面活荷載大小，調(diào)整該系數(shù)的取值。

4.3 活荷載最不利布置

工業(yè)廠房活荷載較大，根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8]5.1.8條，當(dāng)樓面活荷載大于4 kN/m2時(shí)，應(yīng)考慮樓面活荷載不利布置引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力的增大。在計(jì)算軟件中，活荷載最不利布置最高層高默認(rèn)為1，設(shè)計(jì)人員應(yīng)人為修改該參數(shù)的取值。一般而言，除屋面層外，各層均為工業(yè)生產(chǎn)所在的樓層，因此，該參數(shù)應(yīng)取至屋面層的上一層所對(duì)應(yīng)的層號(hào)。

5 配筋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

工業(yè)廠房活荷載取值較大，在構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)方面與常見(jiàn)民用建筑存在著一些差異。

5.1 梁、板跨中負(fù)彎矩作用

如圖1所示為5跨連續(xù)梁作用均布恒荷載g為1.5 kN/m，活荷載q為5 kN/m，跨中彎矩最大值為26.5 kN·m，如圖2所示。當(dāng)考慮活荷載最不利布置后，跨中彎矩最大值變?yōu)?2.4 kN·m，且部分梁跨中出現(xiàn)了負(fù)彎矩，如圖3所示。通過(guò)這一簡(jiǎn)單的算例，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)活荷載大于恒荷載一定的倍數(shù)，梁跨中不再是常規(guī)的下部受拉，上部受壓，而是出現(xiàn)了跨中上部受拉的情況。一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)廠房恒荷載取值為1.5～2 kN/m2，活荷載則根據(jù)不同的使用功能需要取值為4～10 kN/m2。由此可見(jiàn)，工業(yè)廠房正存在上述算例的類似情況，且往往出現(xiàn)在連續(xù)多跨次梁和多跨連續(xù)板上，在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取相應(yīng)的措施，避免負(fù)彎矩引起的混凝土開(kāi)裂。對(duì)于次梁而言，當(dāng)考慮活荷載按最不利工況布置后，可根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，配置相應(yīng)面積的通長(zhǎng)鋼筋代替架立筋。對(duì)于板而言，可根據(jù)活荷載和板長(zhǎng)寬比的大小，考慮采用單向或雙向面筋拉通配置的方式，防止樓板在負(fù)彎矩作用下開(kāi)裂。

圖1 連續(xù)梁內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖2 連續(xù)梁彎矩圖(單位kN·m)

圖3 連續(xù)梁彎矩包絡(luò)圖(單位kN·m)

5.2 箍筋加密區(qū)長(zhǎng)度不足

工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)梁布置常采用單向雙次梁體系，對(duì)其主梁進(jìn)行受力分析，其計(jì)算簡(jiǎn)圖及剪力圖分別如圖4和圖5所示。從圖5中可以看出，在主梁自重和次梁傳來(lái)的集中力作用下，主梁兩端受到的剪力較大，而兩次梁之間范圍內(nèi)受到的剪力較小。因此，對(duì)于工業(yè)廠房而言，其箍筋加密區(qū)往往需要加密至第一道次梁，或者采用局部加密非加密區(qū)的方式，使箍筋配置滿足計(jì)算要求。

圖5 單跨梁剪力圖

5.3 附加吊筋

主次梁相交的節(jié)點(diǎn)處，是除梁端以外主梁承擔(dān)剪力最大的位置，該處剪力由附加鋼筋承擔(dān)（包括附加箍筋和附加吊筋）。一般民用建筑，節(jié)點(diǎn)兩端配置附加箍筋基本可滿足計(jì)算要求，而對(duì)于工業(yè)廠房而言，除了配置附加箍筋，往往仍需配置附加吊筋。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可利用計(jì)算軟件的梁施工圖模塊進(jìn)行快速?gòu)?fù)核。

5.4 裂縫控制

工業(yè)廠房荷載較大，且受到機(jī)器設(shè)備運(yùn)作振動(dòng)的影響，容易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，影響結(jié)構(gòu)的耐久性[9]。為了對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂縫控制，應(yīng)合理地選配鋼筋。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（201年版）第7.1.2條裂縫寬度計(jì)算公式，在配筋面積相同的情況下，采用較小的直徑，可以有效減小裂縫的寬度。在實(shí)際工程中，可供選擇的配筋方式很多，但考慮到施工便利，也不能一味追求小直徑鋼筋，宜在鋼筋排數(shù)相同的情況下（不宜超過(guò)兩排鋼筋），盡量選用較小直徑鋼筋，以達(dá)到減小裂縫寬度的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)工業(yè)廠房進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，注意到其活荷載較大的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)選型布置、結(jié)構(gòu)模型建立和結(jié)構(gòu)施工圖繪制等各個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)有針對(duì)性地采取相應(yīng)的措施。

1）對(duì)于計(jì)算模型的參數(shù)取值，應(yīng)注意其計(jì)算參數(shù)的選擇與一般民用建筑的不同之處，如活荷載組合系數(shù)、重力荷載代表值分項(xiàng)系數(shù)、活荷載最不利布置、最高層號(hào)等。

2）板面筋應(yīng)考慮單向或雙向拉通，而次梁應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果配置通常筋，避免荷載最不利布置時(shí)樓板或次梁跨中出現(xiàn)負(fù)彎矩而造成開(kāi)裂。

3）當(dāng)采用單向雙次梁體系時(shí)，箍筋加密區(qū)往往需加密至第一道次梁，并且在主梁與次梁相交節(jié)點(diǎn)處設(shè)置附加吊筋。

4）工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行裂縫驗(yàn)算，框架梁及次梁的配筋，在配筋面積和鋼筋排數(shù)相同的情況下，宜選用小直徑鋼筋，以減小裂縫寬度。