煤矿工业建筑中框架结构的设计要点分析

2020-03-06彭文清

工程建设与设计 2020年18期

彭文清

（中煤西安设计工程有限责任公司，西安710054）

1 框架结构的特点

钢筋混凝土框架结构是由梁、柱组成并同时承受竖向和水平荷载的结构体系，适用于体型规则、刚度均匀的建筑物。该结构空间分隔灵活，可以形成较大的使用空间；整体性好，设计合理，具有良好的抗震、抗风、抗爆、抗撞击和抗振动性能；与钢结构相比具有较好的耐久性和耐火性；与砌体结构相比自重较轻；且可模性较好，也便于就地取材。因此，在煤矿工业建筑中应用十分广泛[1]。

2 框架结构设计的主要原则

2.1 抗震设计

相关规范要求以“小震不坏，中震可修，大震不倒”为抗震设防目标，并通过二阶段设计（承载力验算和弹塑性变形验算）实现设防要求。因此，框架结构抗震设计的总原则是允许出现局部损坏，但应从各方面提高结构整体的变形能力，防止倒塌。抗震设计的主要内容包括概念设计、计算设计（抗震计算）和构造设计（构造措施）。概念设计是结合地震及其影响的不确定性与规律性，依据框架结构对地震的总体反应，按照结构的破坏机制和过程灵活运用抗震设计准则，从一开始就全面把握结构的整体性能（承载力、变形、耗能），合理确定结构的总体布置和细部构造，力求消除结构中的薄弱环节；抗震计算包括地震作用和抗力计算，是对地震作用进行定量分析，为抗震设计提供定量控制的手段；抗震构造措施是指采用抗震计算以外的措施，以保证抗震计算结果的有效性[2]。

2.2 结构的规则性

框架结构的总体布置是否规则直接影响其抗震性能。平面布置必须有利于抵抗水平力和竖向荷载，平面形状和抗侧力结构的分布应简单规则，均匀对称，并减少扭转的影响；竖向布置尽量使结构的承载力和竖向刚度自下而上逐渐减少，变化均匀、连续、不发生突变。煤矿工业建筑的框架结构布置应以满足工艺要求为前提，尽量避免结构出现的不规则；必须出现不规则结构时，应采取相应措施减少不规则的数量和程度，特别不规则时，应进行专门研究和论证，严重不规则的禁止采用。

2.3 适用高度

钢筋混凝土框架结构适用的最大高度：抗震设防烈度为6度、7度、8度（0.2g）、8度（0.3g）、9度时，分别为60m、50m、40m、35m、24m；结构平面和竖向均不规则时宜降低约10%；甲类建筑，抗震设防烈度为6度、7度、8度时，宜提高1度后确定，9度时应专门研究[3]。

2.4 结构布置的要求

框架结构应受力明确，传力合理、直接，有明确的计算简图，结构刚度和承载力分布均匀适当；应具备必要的抗震承载力、良好的变形和消耗地震能量的能力，宜有多道抗震防线；应设计成双向梁柱抗侧力体系，纵、横两主轴方向的动力特性（周期和振型）相差宜在20%以内；甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑不应采用单跨框架，高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架。

2.5 延性框架

为增强建筑在遭遇强烈地震时的抗倒塌能力，框架结构应具有较强的延性。规范通过抗震设防类别、烈度、房屋高度划分成不同的抗震等级，以内力调整和构造措施来控制框架结构的延性，即以强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件等原则，有意识地提高结构中重要构件以及某些构件中关键部位的延性。具体措施包括：提高构件的受剪承载力，避免剪切破坏先于弯曲破坏；避免框架柱小偏心破坏，实现大偏心破坏；减小框架柱的轴压比；减少框架梁的受压区高度；加强箍筋，避免混凝土的压溃先于纵筋的屈服；加强钢筋锚固，避免钢筋的锚固黏结破坏先于构件破坏；加强节点，避免节点破坏先于构件破坏。

3 煤矿工业建筑中框架结构设计要点

3.1 建造场地

场地条件是决定地震作用的重要因素，选择合适的场地是结构抗震设计中一项十分有效、可靠又经济的抗震措施。煤矿工业场地选址及前期的总平面布局及方案设计时，应及时掌握场地地形、地质构造、地基土质等信息，并与总图、工艺等专业沟通协调，尽量确保甲、乙类和较重要的丙类建筑所处场地为对抗震有利或一般地段，避开不利地段，严禁危险地段。

3.2 地基和基础设计

地震时，地面震动与上部框架结构产生的地震力是通过基础相互传递的。因此，地基和上部结构的承载力与刚度要相适应，基础底面最好设计为同一标高，且同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上，也不宜部分采用天然地基，部分采用桩基，否则会因传递的差异而造成震害。基础形式、埋深及底面面积的选择，应充分利用地基土的承载力，并减小基础偏心；优先采用天然地基上的浅基础，当浅层土质无法满足强度、变形、稳定性等要求时，可选择深基础；应采取相应措施减轻液化土、软弱黏性土、新近填土等在地震时使地基产生的不均匀沉降或其他不利影响。

3.3 柱的设计

设计柱网时，要明确结构传力体系，满足结构受力要求，保证间距规则、适中、整齐；要避免柱网影响煤矿工业建筑的使用功能，同时应综合考虑施工的便利性和构件尺寸的模数化与标准化，尽量做到模型简单化。同一楼层框架柱的截面尺寸不宜相差过大，宜具有相同的承载力、刚度和延性，以保证能够共同受力，避免在地震中因受力悬殊而被各个击破，一般可沿竖向分段改变框架柱的截面尺寸与材料强度，尺寸减小与强度降低宜错开楼层，避免同层同时改变。短柱宜发生脆性破坏，应尽量避免，当因工艺布置需要使结构错层或因布置楼梯形成短柱时，箍筋应全高加密，且应控制纵筋不宜过大。

3.4 梁、板的设计

煤矿工业建筑的楼层上通常会布置各类设备和洞口，应在振动筛、破碎机、斗子提升机、带式输送机机头等振动较大的设备下设梁，单个设备荷载较大时也应设次梁或局部加厚混凝土板带，梁的截面尺寸应满足预埋钢板、预埋螺栓对锚固长度、边缘距离等的构造要求。楼板预留洞口短边尺寸（或直径）大于0.3m，且洞边有集中荷载，或洞口宽度（或直径）大于1.0m时，应在洞口边缘设置边梁或暗梁；楼板被大洞口削弱时，应加厚洞口附近楼板，提高楼板配筋率且采用双层双向配筋，并在洞口角部集中配置斜向钢筋。

3.5 楼梯的设计

楼梯间的布置应尽量减小其造成结构平面的不规则和对主体结构的影响，宜采用现浇钢筋混凝土楼梯；当钢筋混凝土楼梯与框架结构整体连接时，楼梯应参与结构整体的抗震计算，并应对楼梯构件进行抗震承载力验算。

3.6 防震缝

合理地设置防震缝可使体型复杂的框架结构划分为规则的结构单元，可降低结构抗震设计的难度，但由于缝两侧均须设置框架柱使结构复杂、基础处理困难，同时还会影响建筑的使用和立面，且地震时若缝两侧的结构进入弹塑性状态，位移急剧增大而发生互相碰撞，产生严重震害。因此，体型复杂时不提倡设置防震缝，应根据不同建筑的特点，调整平面尺寸和结构布置，采取有效的构造措施和施工措施，尽量不设或少设缝。