高震区结构分析及优化设计建议

高震区结构分析及优化设计建议

Suggestions on Structure Analysis and Optimization Design in High Intensity Seismic Zone

李红雨

针对处于高震区的工业建筑，本文从结构体系、计算及构造、概念设计等方面着手，以保证工程的合理安全性为前提，以努力实现其经济性为目的，提出了一些结构分析及优化设计的建议。

工业建筑；高震区；结构体系；优化设计；经济性

随着总承包及涉外工程项目的增多，在高震区建设工业厂房的概率也越来越大，本文从结构体系、计算及构造、概念设计等方面着手，以保证工程的合理安全性为前提，以努力实现其经济性为目的，对处于高震区的工业建筑，提出了一些结构分析及优化设计的建议，以供同仁参考。

1 结构体系的选择

在高震区环境下，结构物承受大的横向作用的途径只有两种，要么以柔克刚，要么以刚治刚。对于钢结构而言，其自身高强、轻巧的特性决定了其在高震区结构有更广泛的利用空间，更能实现以柔克刚的目的。除为满足特殊生产需要外，对于一些生产布局简单、设备小型化的生产车间而言，钢结构形式（钢框架结构，钢框架-支撑结构）都不失为一个很好的选择，能很好地实现节省工程造价、缩短工期的目的，如转运站结构、储料堆棚、带吊车的框排架结构等都可以采用。

对于大型车间尤其是带有重型设备的车间或者是其他因为生产需要的，如有防火等需求的车间等，混凝土结构尤其是框架结构的选择将是不可避免的，当然在工业建筑中混凝土结构以其广阔的适应性、后期的无需维护性一直以来被广泛采用。在高震区下，混凝土结构由于自身较大的自重会产生更大的横向作用，结构自身的承载能力会被自重部分抵消，有效承载能力有所降低，因此在设计混凝土结构时我们需根据结构的受力特性尽量避免肥梁胖柱，实现结构的轻巧化以减轻自重，从而降低地震作用，降低造价。

结构体系的选择也直接受抗震规范的约束：规范给出了现浇钢筋混凝土房屋的结构类型和最大高度，见表1。

可以看出，在9度地区，框架结构的适应高度只到24m，超过此高度的结构或者是平面和竖向均不规则的结构在＜24m的情况下就应采用框架-抗震墙结构等其他结构形式或钢结构。具体采用何种结构，应视情况而定。

同样，规范也指出了钢结构民用房屋的结构类型和最大高度，见表2。

对于工业建筑钢结构中的框架、支撑框架、框排架等结构体系的多层厂房的结构类型和最大高度表1仍是适用的，但其抗震等级的高度分界较规范相应规定（第8.1.3条）降低了10m。

表1 现浇钢筋混凝土房屋的结构类型和最大高度

在工业建筑中，上层为钢结构下层为钢筋混凝土结构的混合型结构因很好地满足生产需要的适应性也经常出现（如下部为砼框架上部为门式钢架，下部为砼框架上部为钢仓，

当然下部为砼框架上部为大型收尘器的此种形式也可以划归此类）。它综合了两种材料的结构形式，在抗震分析中是有其特殊性的，如阻尼比、周期等方面。规范中对于此种情况也有明确的规定：突出屋面的小建筑，一般按其重力荷载小于标准层1/ 3控制，对于顶层带有空旷大房间或轻钢结构的房屋，不宜视为突出的小屋并采用底部剪力法乘以增大系数的办法计算地震作用，而应视为结构体系的一部分，用振型分解法等计算。可见对于此种结构形式，整体建模方式是其分析的最佳途径。其次抗震分析中结构自身的动力特性对计算结果有着直接影响，需要认真对待，如阻尼比、结构周期等，它们对结构的影响（包括以上提到的混凝土和钢结构）体现在地震影响系数上（见图1），而这一系数直接决定着地震作用的大小。

表2 钢结构民用房屋的结构类型和最大高度

结构的阻尼可以消耗和吸收地震能量，阻尼越大，地震影响系数越小，对于阻尼比0.02的钢结构和阻尼比0.05的钢筋混凝土结构，钢结构的地震影响系数值，在Tj＜Tg时，其值比钢筋混凝土结构约增大20%～30%；在长周期Tj＞5Tg时，仍约增大20%。

对于阻尼比的取值，规范给出了各种结构形式的相应阻尼比，见表3。

除此外，规范还规定：

对于单层钢结构厂房的阻尼比，可依据屋盖和围护墙的类型，取0.045～0.05。

对于多层钢结构厂房，在多遇地震下，结构阻尼比可采用0.03～0.04；在罕遇地震下，阻尼比可采用0.05。

对于大跨屋盖建筑，屋盖钢结构和下部支承结构协同分析时，阻尼比应符合下列规定：

当下部支承结构为钢结构或屋盖直接支承在地面时，阻尼比可取0.02。

当下部支承结构为混凝土结构时，阻尼比可取0.025～0.035。

因此，对于上层为钢结构下层为钢筋混凝土的混合型结构，应整体协同分析，其阻尼比与上部和下部结构的组成比例有关，规范根据位能等效原则提出两种计算整体结构阻尼比的方法：

（1）振型阻尼比法

根据各阶振型下的单元变形能，采用加权平均的方法计算出振型阻尼比。

（2）统一阻尼比法

要充分重视大型风机、动态选粉机等处于框架上的动力设备，因为动力设备自身的运转是有一定频率的，对于运转速率较慢的设备，其周期较长，有可能与结构的主要振型周期相

图1 地震影响系数

表3 各种结构形式的相应阻尼比

两种方法对于实际工程阻尼比的获得有一定的操作难度，建议实际分析时可以根据上下两种结构的体量占比，结合规范对各结构形式阻尼比的规定，采用内插法的方式确定混合结构的阻尼比。

另一对结构产生重要影响的因素是结构的自振周期Tj，其合理取值直接影响地震作用的大小，对于结构刚度的调节也是通过这一因素加以体现，从而为实现结构的优化提供有利途径：在Tj＜Tg情况下，结构受的地震作用是最大的（Tj＜0.1s此阶段结构基本处于刚体阶段，不做考虑）；在Tj＞Tg情况下，随着周期的增长，结构所受的地震作用是经历（Tg＜T＜5Tg；5Tg＜T＜6s）两阶段在逐渐减小，当然这种减小不是不受限制的，为了保证结构的安全，抗震规范规定了结构的最小剪重比，对最小地震力有限值要求。可见调整结构的刚度改变结构周期，能减小地震作用，实现结构的合理优化。

同或相近，此种状态对于结构与设备而言都是很危险的，对结构与设备的作用力都有放大的可能。因此，应尽可能调整结构的自振周期，避开设备的运转周期区间，或在条件允许情况下调节设备的运转速率到结构的自振周期区间之外，以避免引发共振。

2 合理施加荷载

对结构分析、造价影响最大的还是结构所受荷载（常规的恒、活楼面荷载、屋面荷载、积灰荷载、设备荷载、设备运转动荷载、堵料事故荷载、仓载、偶然荷载等），尤其是在抗震设计计算直接影响结构的重力荷载代表值的取得，从而决定地震作用的大小，因此荷载的正确有效施加在高烈度工况下对结构的合理优化显得越发重要。

计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和，抗震规范规定了各可变荷载的组合值系数，见表4。

另外规范也规定：在确定重力荷载代表值时，可变荷载应根据行业的特点，对楼面活荷载、楼面检修荷载、成品或原料堆积楼面荷载、设备和料斗及管道内的物料等采用相应的组合值系数，贮料的荷载组合值系数可采用0.9。

除此外《构筑物抗震设计规范》对此也有部分规定可供借鉴，其规定构筑物的重力荷载代表值应取结构构件、内衬和固定设备自重标准值和可变荷载组合值之和，可变荷载的组合值系数见表5。

《水泥工厂设计规范》也给出了地震作用时部分可变荷载的组合值系数，见表6。

综上所述，在抗震分析中，荷载施加过程中有以下几点需要注意：

（1）对于屋面活荷载（用作楼面用途的屋面除外）其组合值系数为0，不需要考虑，这对具有很大覆盖面积的屋面（如储棚结构，大型框架结构的屋面等）的地震作用的降低有很大影响，需要引起注意。

（2）当确有根据时，楼屋活荷载可根据实际情况（楼面面积较大、活荷载有排它性不同时出现等），选用较小的组合值系数，以减小地震作用，达到优化的目的。

（3）对于在水泥厂中有吊车的车间，其吊车大部分用于检修吊装，工作频率很低，大都为吊车工作级别处于A1～A5的软钩吊车，因此在地震分析中其荷载不参与组合。

（4）对于空旷的转运站、厂前区的办公楼、设备较少的结构或者楼层面积较大从而汇聚很大的楼面活荷载而设备荷载占比又较少的结构，可以参照荷载规范对活荷载按楼层折减，其楼层折减系数见表7。

对于有设备的车间，以上系数可供借鉴，并可根据设备荷载所占总荷载比重做出调整，合理优化结构墙、柱、基础的结构设计。

表4 可变荷载的组合值系数*

表5 可变荷载的组合值系数

表6 地震作用时部分可变荷载的组合值系数

表7 楼层折减系数*

（5）在工业建筑中，设备荷载占有很大的比例，因此其荷载的合理施加对高震区结构有至关重要的影响。设备荷载通常包括自重、运行时产生的活荷载、动力设备产生的动力荷载（目前这一荷载通常采用静力荷载乘以动力系数的拟静法加以处理）、事故时产生的堵料等意外荷载等，规范对于设备荷载的地震作用时的组合值系数0.8，指的应是设备活

荷载，当然设备自重按恒载的组合值系数1.0考虑，其动力系数附加部分作为非有效质量是不应考虑进地震作用组合的。另外，地震作用为小概率事件与堵料意外荷载同时发生的概率微乎其微，因此将堵料等意外荷载工况不列入地震作用工况下同时分析是合理的。

由于楼面活荷载的组合值系数为0.5，而设备荷载的组合值系数为0.8，但现有计算程序无法区分楼面荷载的性质，也无法严格区分实际屋面与计算顶层的关系，而统一将结构计算的最顶层作为屋面考虑，这就给规范的严格执行留了漏洞。对于此种情况，建议根据设备荷载达到总荷载的占比在0.5～0.8之间采用内插的方法确定两者的综合组合值系数进行抗震分析。

鉴于荷载问题的多样性，建议在结构分析中采用两步甚至多步分析法，即考虑非地震作用下结构最不利工况的静力分析，再采用相同模型考虑合理的荷载组合工况下的地震作用分析，对各构件取两种情况分析下的包络值作为设计结果采用。

以收尘器为例，设备荷载包括设备自重及设备正常运转时的活荷载、设备发生事故时堵料的荷载，可以建立两个相同模型来进行分析。一个模型用于考虑除地震作用外的其他各种工况，另一个模型用于考虑地震作用分析，两个模型分别输入相应荷载工况。对于前一种模型可以考虑堵料等意外荷载等最不利荷载，对于后一种模型施加合理优化后的荷载进行抗震分析，两个模型分别分析完成后对各构件选项取最不利设计输出进行设计。通常这一调整过程要相互进行多次才能完成。

（6）除以上情况外，由于工业建筑设备荷载的复杂性，在产生竖向荷载的同时也经常会产生水平荷载，如输送头尾轮、转动设备等。因此我们要根据工艺或设备厂家提供的荷载参数分设备正常运转情况及启动关闭情况考虑，在进行地震分析时，可以只考虑设备正常运转时产生的水平力和地震作用。

3 清楚认识位移比

在我们目前的设计中，位移比指标是个很重要的设计复核指标。

抗震变形验算是满足建筑正常使用功能的重要措施，也是抗震性能设计的重要内容之一，我国抗震设计采用两阶段三水准设防，弹性变形验算实现的是第一水准的设防要求，属于正常使用极限状态的验算；弹塑性层间位移角限值是确保在罕遇地震作用下，建筑主体结构遭受破坏或严重破坏时不倒塌，实现第三水准的高防要求。因此，抗震规范对弹性层间位移比限值有清楚的限定，见表8。

对单层钢筋混凝土柱排架结构和单层及多层框排架结构，规范未明确其弹性层间位移角限值，其值可参照规范5.5.5条的规定,确定为1/330，单层及多层框排架结构的弹性层间位移角限值可结合实际工程中框架与排架的布置情况，取1/330～1/550的中间数值（框架为主时，取接近1/ 550的数值，排架为主时，取接近1/ 330的数值），并应从严控制，偏框架取值。

除此外，规范也提出了最大层间位移与其平均值的比值这一比例系数，用以控制结构的扭转不规则程度，本文暂不做讨论。

在目前我们常用的设计软件PKPM的计算结果中，会提供地震作用及地震作用规定水平力下两种情况的最大层间位移角及最大层间位移与平均层间位移的比值，应清楚认识此位移比，以避免不必要的错误。

表8 弹性层间位移比限值的限定

新的抗震规范在进行扭转不规则的判断（扭转位移比的计算）及地震倾覆力矩（包含框架倾覆力矩、短肢墙倾覆力矩、框支框架倾覆力矩和一般剪力墙的倾覆力矩）的计算方面均要求采用规定水平力。该水平力一般采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力，并考虑偶然偏心。原则上水平作用力的换算为每一楼层处水平作用力，取该楼面上下两个楼层地震剪力差的绝对值。采用规定水平力可避免有时CQC计算的最大位移出现在楼盖边缘的中部而不在角部，而且无限刚楼盖、分块无限刚楼盖和弹性楼盖均可采用相同的计算方法处理。

在结构楼层位移和层间位移控制值（位移角）验算时，仍采用各振型位移的CQC的效应组合。可以根据考虑地震作用的方式不同，采用不同的组合方式，对于平面振动的多质点弹性体系，可以用SRSS法，简称“平方和开平方”，它是基于假定输入地震为平稳随机过程，各振型反应之间相互独立而推导得到的；对于考虑平—扭耦连的多质点弹性体系，采用CQC法，即完全二次项组合方法，它不光考虑到各个主振型的平方项，而且还考虑到耦合项，对于比较复杂的结构比如考虑平扭耦连的结构使用完全二次项组合，其结果比较精确。简单说，就是RSS近似认为每个振型的振动是相互独立的，而CQC考虑了平扭耦联效应、振型间的相互影响，对复杂结构采用此法。

由于高震区地震作用很大，结构弹性层间位移比限值经常不满足规范要求，这种情况下要么牺牲结构的经济性加大竖向构件的尺寸，要么改变结构形式，如框架结构调整为框剪结构，但在此种情况下出于工艺布置的考虑，往往不能得到很好的结构方案，给我们的设计工作带来很多因难。

鉴于此，对于工业厂房中应用较多的混凝土框架结构，对不满足位移角限值的结构提出以下建议供参考，我们可根据实际情况采取三步走：调➝微改方案➝改变结构形式。

第一步：调，即首先仔细查看程序计算结果，对其进行判断，如位移角未达到规范要求，查明哪层何处位移过大未达到要求，找到相应的节点，返回查看模型，找到问题所在，调整模型，加强相应位移大的节点附加的梁柱或者薄弱层。此外对于周期的查看也是调整的辅助手段，对于受力合理的结构，尽量避免前二阶振型为扭转振型，除此外也要注意根据结构特点使两平动振型的周期不要相差较大，如相差较大说明结构两个方向刚度相差较大，应调整结构竖向构件，达到合理的平衡。

第二步:微改方案，当通过第一步仍无法达到要求时，我们可以在未达到相应位移限值的方向布置少量抗震墙，从而使其弹性层间位移角满足要求或者在满足位移限值的基础上改善框架结构的抗震性能，形成带少量抗震墙的框架结构。目前对此种结构的分析还有一定的难度，规范对带墙的框架结构体系的判断是通过结构底部竖向构件分别承受的倾覆力矩比例来判定的，见表9。对这一特殊的框架结构，可以遵照以下设计原则来设计。

（1）对框架结构

按纯框架结构（不计入抗震墙）和按框架与抗震墙协同工作（即按框架-抗震墙结构）分别计算，包络设计。对纯框架结构进行大震弹塑性位移验算。框架的抗震等级及轴压比限值按纯框架结构确定。

（2）对抗震墙

抗震墙抗震等级可取框架-抗震墙结构中框架的抗震等级。

对于抗震墙的配筋设计：

对计算不超筋的抗震墙按计算配筋；对抗剪不超筋而抗弯超筋的抗震墙，按计算要求配置抗震墙的水平及竖向分布钢筋，按抗震墙端部最大配筋要求（配筋率不超过5%）配置端部纵向钢筋。

对抗剪超筋的抗震墙，按抗震墙的剪压比限值确定抗震墙的抗剪承载力并确定墙的水平钢筋，按强剪弱弯要求确定墙的竖向钢筋。

在抗震墙很少的框架结构中，框架是主要的抗侧力结构，在风载或地震作用很小（低于多遇地震作用）时，抗震墙辅助框架结构能满足规范对框架结构的弹性层间位移角要求，提供的是抗震墙的弹性刚度，在设防烈度地震及罕遇地震时，抗震墙退出工作。当然对于处于框架结构上的大型动力设备,为降低结构震动，减小设备引发的结构位移，也可采用此种结构。

第三步:改变结构形式，在以上情况下如还不能满足要求，只能寻求改变结构形式来实现位移比限值要求。对于框架结构可以通过加钢支承形成框架支承结构，也可以在上一步配置很少剪力墙的基础上尽一步加大剪力墙配筋形成框架-剪力墙结构，可以采用异型柱结构或者下部为框架剪力墙结构、上部为框架结构的混合结构。

其实对于框架结构而言，在提高结构塑性能力的前提下（加强竖向构件水平筋的设置）或者根据厂房实际情况牺牲部分安全度，规范规定的位移角限值也是可以有限降低的，但是这个限度需要合理把握。

4 构造及概念设计

结构设计中，众多小细节的完善才能保证好结构的安全，众多小构件的合理优化才能实现总造价的有力降低。在高震区结构中，有以下几点需要引起我们的注意：

（1）对于处于高震区的结构由结构自身的自重而产生的地震作用往往占很大的比例，尤其是混凝土结构，随着地震作用的增大，造成结构部分构件计算不能满足要求，从而需要提高构件的尺寸，随着构件体量的增大，地震作用又有所增加，这样不断循环，当结构设计满足要求时，结构已经很笨重，已远离我们的设计初衷，因此，对于高震区结构，如何减轻其自重反而比如何克服地震作用对我们的优化设计有更为直接的作用。

出于以上考虑，以下几点我们应尽力做到：

a墙体的维护材料应尽量轻，能用压型钢板的就不要用轻型砌块，能用轻型砌块的就不要用烧结砖。

b尽量利用高强材料，以提高结构单位重量的承载能力。

表9 倾覆力矩比例*

c对于梁柱构件，要多次重复计算直到各构件都达到其合理配筋率或应力比，应避免一些较大的梁而其配筋率却很小的情况的出现，如果对各构件都能合理调节，其结构自重的

减轻也是十分可观的。

d在采用PKPM计算时，由于梁梁相交、梁柱相交、梁板相叠处的重量重复计算，造成结构自重较实际有所放大，在计算中可以通过适当调整部分参数等手段来减少结构自重，以接近实际情况。

（2）基础的设计直接影响到了上部结构安全及其合理性，尤其是高震区，在可能的情况下，要尽量降低基础的埋置深度，从而有效地降低结构高度，减小地震产生的倾覆力矩。另外，除高宽比大于4的高层建筑基底不宜出现脱离区（零应力区），其他建筑基础底面与地基土之间距离区（零应力区）面积不应超过基础底面面积的15%，因此，在设计基础时可以对这一比例合理限定，从而减小基础尺寸的大小。

对于高震区结构基础设计另一个需要注意的问题是，即使基底未出现零应力区，但是如果其基底最小应力小于上面覆土自重，那么基础上部也是要承受部分拉力，需要配钢筋。

（3）在设计基础时由于砌墙的原因，通常会在需要的位置布置地梁，如果基础埋深较浅则容易形成短柱，以至在抗震计算时常常造成柱抗剪能力不足，从而给设计工作带来困难，此时可以采用图2方案进行结构设计以避免此情况的发生。此外，规范对于一级框架和IV类场地的二级框架也是建议沿框架两个主轴方向设置基础系梁的，可采用图2同样作法。

（4）在带有贮料型结构或者带有大型设备的结构时，对于仓体及设备的支承，应尽量使其结构支座靠近仓体及设备重心所在平面，以免附加弯矩引起设备及结构受力而造成破坏。

图2 基础系梁的设置

（5）对于埋置较深的结构，部分结构构件嵌固在土中，其结构分析有一定的特殊性，由于土的作用，上部传来的水平地震作用逐渐减小，但是由于土的类别、构件的接触面积等因素的影响，如何确定合理的减小程度有待研究。

桩基规范提出了土层水平抗力系数的比例系数m可供参考借鉴。该参数计算方法即是土力学中水平力计算常用的m法，可参阅基础设计相关的书籍或规范，其取值范围一般在2.5～100之间，在少数情况的中密、密实的沙砾、碎石类土中取值可达100～300。由于m值考虑了土的性质，通过m值、地下室的深度（或框架柱）和侧向迎土面积，可以得到结构地面以下侧向约束的附加刚度，该附加刚度与结构自身刚度无关，而与土的性质有关。用m值求出的地下室侧向刚度约束呈三角形分布，在顶层处为0，并随深度增加而增加。因此可以将该参数引入结构分析中，以期得到合理优化的设计结果。

（6）另一个需要谈到的问题就不是我们结构设计人员所能完全控制的，需要相关工艺等专业的配合才能达到更合理的优化指标。

出于概念设计的考虑，在高震区，能满足生产需要的更低的厂房高度及结构承受更小的地震作用及倾覆力矩是我们一直期望得到的，因此在可行的情况下，合理降低结构总高度及各层层高，将重要设备重心下移甚至将其布置于地面上等措施，可有效降低地震作用，也希望其引起相关专业的更多关注。

[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[G].中国建筑工业出版社,2010.

[2]建筑结构荷载规范（GB50009-2012）[G].中国建筑工业出版社,2012.

[3]朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析[M]中国建筑工业出版社，2011.

TU312.1

A

1001-6171（2013）06-0100-06

��津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400；

2013-03-27； 编辑：吕 光