導(dǎo)語：高震區(qū)優(yōu)化設(shè)計方案淺析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、合理施加荷載

對結(jié)構(gòu)分析、造價影響最大的還是結(jié)構(gòu)所受荷載（常規(guī)的恒、活樓面荷載、屋面荷載、積灰荷載、設(shè)備荷載、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)動荷載、堵料事故荷載、倉載、偶然荷載等），尤其是在抗震設(shè)計計算直接影響結(jié)構(gòu)的重力荷載代表值的取得，從而決定地震作用的大小，因此荷載的正確有效施加在高烈度工況下對結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化顯得越發(fā)重要。計算地震作用時，建筑的重力荷載代表值應(yīng)取結(jié)構(gòu)和構(gòu)配件自重標(biāo)準(zhǔn)值和各可變荷載組合值之和，抗震規(guī)范規(guī)定了各可變荷載的組合值系數(shù)，見表4。另外規(guī)范也規(guī)定：在確定重力荷載代表值時，可變荷載應(yīng)根據(jù)行業(yè)的特點(diǎn)，對樓面活荷載、樓面檢修荷載、成品或原料堆積樓面荷載、設(shè)備和料斗及管道內(nèi)的物料等采用相應(yīng)的組合值系數(shù)，貯料的荷載組合值系數(shù)可采用0.9。除此外《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》對此也有部分規(guī)定可供借鑒，其規(guī)定構(gòu)筑物的重力荷載代表值應(yīng)取結(jié)構(gòu)構(gòu)件、內(nèi)襯和固定設(shè)備自重標(biāo)準(zhǔn)值和可變荷載組合值之和，可變荷載的組合值系數(shù)見表5?！端喙S設(shè)計規(guī)范》也給出了地震作用時部分可變荷載的組合值系數(shù)，見表6。綜上所述，在抗震分析中，荷載施加過程中有以下幾點(diǎn)需要注意：（1）對于屋面活荷載（用作樓面用途的屋面除外）其組合值系數(shù)為0，不需要考慮，這對具有很大覆蓋面積的屋面（如儲棚結(jié)構(gòu)，大型框架結(jié)構(gòu)的屋面等）的地震作用的降低有很大影響，需要引起注意。（2）當(dāng)確有根據(jù)時，樓屋活荷載可根據(jù)實際情況（樓面面積較大、活荷載有排它性不同時出現(xiàn)等），選用較小的組合值系數(shù)，以減小地震作用，達(dá)到優(yōu)化的目的。（3）對于在水泥廠中有吊車的車間，其吊車大部分用于檢修吊裝，工作頻率很低，大都為吊車工作級別處于A1~A5的軟鉤吊車，因此在地震分析中其荷載不參與組合。（4）對于空曠的轉(zhuǎn)運(yùn)站、廠前區(qū)的辦公樓、設(shè)備較少的結(jié)構(gòu)或者樓層面積較大從而匯聚很大的樓面活荷載而設(shè)備荷載占比又較少的結(jié)構(gòu)，可以參照荷載規(guī)范對活荷載按樓層折減，其樓層折減系數(shù)見表7。對于有設(shè)備的車間，以上系數(shù)可供借鑒，并可根據(jù)設(shè)備荷載所占總荷載比重做出調(diào)整，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)墻、柱、基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。（5）在工業(yè)建筑中，設(shè)備荷載占有很大的比例，因此其荷載的合理施加對高震區(qū)結(jié)構(gòu)有至關(guān)重要的影響。設(shè)備荷載通常包括自重、運(yùn)行時產(chǎn)生的活荷載、動力設(shè)備產(chǎn)生的動力荷載（目前這一荷載通常采用靜力荷載乘以動力系數(shù)的擬靜法加以處理）、事故時產(chǎn)生的堵料等意外荷載等，規(guī)范對于設(shè)備荷載的地震作用時的組合值系數(shù)0.8，指的應(yīng)是設(shè)備活荷載，當(dāng)然設(shè)備自重按恒載的組合值系數(shù)1.0考慮，其動力系數(shù)附加部分作為非有效質(zhì)量是不應(yīng)考慮進(jìn)地震作用組合的。另外，地震作用為小概率事件與堵料意外荷載同時發(fā)生的概率微乎其微，因此將堵料等意外荷載工況不列入地震作用工況下同時分析是合理的。由于樓面活荷載的組合值系數(shù)為0.5，而設(shè)備荷載的組合值系數(shù)為0.8，但現(xiàn)有計算程序無法區(qū)分樓面荷載的性質(zhì)，也無法嚴(yán)格區(qū)分實際屋面與計算頂層的關(guān)系，而統(tǒng)一將結(jié)構(gòu)計算的最頂層作為屋面考慮，這就給規(guī)范的嚴(yán)格執(zhí)行留了漏洞。對于此種情況，建議根據(jù)設(shè)備荷載達(dá)到總荷載的占比在0.5~0.8之間采用內(nèi)插的方法確定兩者的綜合組合值系數(shù)進(jìn)行抗震分析。鑒于荷載問題的多樣性，建議在結(jié)構(gòu)分析中采用兩步甚至多步分析法，即考慮非地震作用下結(jié)構(gòu)最不利工況的靜力分析，再采用相同模型考慮合理的荷載組合工況下的地震作用分析，對各構(gòu)件取兩種情況分析下的包絡(luò)值作為設(shè)計結(jié)果采用。以收塵器為例，設(shè)備荷載包括設(shè)備自重及設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的活荷載、設(shè)備發(fā)生事故時堵料的荷載，可以建立兩個相同模型來進(jìn)行分析。一個模型用于考慮除地震作用外的其他各種工況，另一個模型用于考慮地震作用分析，兩個模型分別輸入相應(yīng)荷載工況。對于前一種模型可以考慮堵料等意外荷載等最不利荷載，對于后一種模型施加合理優(yōu)化后的荷載進(jìn)行抗震分析，兩個模型分別分析完成后對各構(gòu)件選項取最不利設(shè)計輸出進(jìn)行設(shè)計。通常這一調(diào)整過程要相互進(jìn)行多次才能完成。（6）除以上情況外，由于工業(yè)建筑設(shè)備荷載的復(fù)雜性，在產(chǎn)生豎向荷載的同時也經(jīng)常會產(chǎn)生水平荷載，如輸送頭尾輪、轉(zhuǎn)動設(shè)備等。因此我們要根據(jù)工藝或設(shè)備廠家提供的荷載參數(shù)分設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況及啟動關(guān)閉情況考慮，在進(jìn)行地震分析時，可以只考慮設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的水平力和地震作用。

二、清楚認(rèn)識位移比

在我們目前的設(shè)計中，位移比指標(biāo)是個很重要的設(shè)計復(fù)核指標(biāo)?？拐鹱冃悟炈闶菨M足建筑正常使用功能的重要措施，也是抗震性能設(shè)計的重要內(nèi)容之一，我國抗震設(shè)計采用兩階段三水準(zhǔn)設(shè)防，彈性變形驗算實現(xiàn)的是第一水準(zhǔn)的設(shè)防要求，屬于正常使用極限狀態(tài)的驗算；彈塑性層間位移角限值是確保在罕遇地震作用下，建筑主體結(jié)構(gòu)遭受破壞或嚴(yán)重破壞時不倒塌，實現(xiàn)第三水準(zhǔn)的高防要求。因此，抗震規(guī)范對彈性層間位移比限值有清楚的限定。對單層鋼筋混凝土柱排架結(jié)構(gòu)和單層及多層框排架結(jié)構(gòu)，規(guī)范未明確其彈性層間位移角限值，其值可參照規(guī)范5.5.5條的規(guī)定,確定為1/330，單層及多層框排架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值可結(jié)合實際工程中框架與排架的布置情況，取1/330~1/550的中間數(shù)值（框架為主時，取接近1/550的數(shù)值，排架為主時，取接近1/330的數(shù)值），并應(yīng)從嚴(yán)控制，偏框架取值。除此外，規(guī)范也提出了最大層間位移與其平均值的比值這一比例系數(shù)，用以控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則程度，本文暫不做討論。在目前我們常用的設(shè)計軟件PKPM的計算結(jié)果中，會提供地震作用及地震作用規(guī)定水平力下兩種情況的最大層間位移角及最大層間位移與平均層間位移的比值，應(yīng)清楚認(rèn)識此位移比，以避免不必要的錯誤。新的抗震規(guī)范在進(jìn)行扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的判斷（扭轉(zhuǎn)位移比的計算）及地震傾覆力矩（包含框架傾覆力矩、短肢墻傾覆力矩、框支框架傾覆力矩和一般剪力墻的傾覆力矩）的計算方面均要求采用規(guī)定水平力。該水平力一般采用振型組合后的樓層地震剪力換算的水平作用力，并考慮偶然偏心。原則上水平作用力的換算為每一樓層處水平作用力，取該樓面上下兩個樓層地震剪力差的絕對值。采用規(guī)定水平力可避免有時CQC計算的最大位移出現(xiàn)在樓蓋邊緣的中部而不在角部，而且無限剛樓蓋、分塊無限剛樓蓋和彈性樓蓋均可采用相同的計算方法處理。在結(jié)構(gòu)樓層位移和層間位移控制值（位移角）驗算時，仍采用各振型位移的CQC的效應(yīng)組合?？梢愿鶕?jù)考慮地震作用的方式不同，采用不同的組合方式，對于平面振動的多質(zhì)點(diǎn)彈性體系，可以用SRSS法，簡稱“平方和開平方”，它是基于假定輸入地震為平穩(wěn)隨機(jī)過程，各振型反應(yīng)之間相互獨(dú)立而推導(dǎo)得到的；對于考慮平—扭耦連的多質(zhì)點(diǎn)彈性體系，采用CQC法，即完全二次項組合方法，它不光考慮到各個主振型的平方項，而且還考慮到耦合項，對于比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)比如考慮平扭耦連的結(jié)構(gòu)使用完全二次項組合，其結(jié)果比較精確。簡單說，就是RSS近似認(rèn)為每個振型的振動是相互獨(dú)立的，而CQC考慮了平扭耦聯(lián)效應(yīng)、振型間的相互影響，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用此法。由于高震區(qū)地震作用很大，結(jié)構(gòu)彈性層間位移比限值經(jīng)常不滿足規(guī)范要求，這種情況下要么犧牲結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性加大豎向構(gòu)件的尺寸，要么改變結(jié)構(gòu)形式，如框架結(jié)構(gòu)調(diào)整為框剪結(jié)構(gòu)，但在此種情況下出于工藝布置的考慮，往往不能得到很好的結(jié)構(gòu)方案，給我們的設(shè)計工作帶來很多因難。鑒于此，對于工業(yè)廠房中應(yīng)用較多的混凝土框架結(jié)構(gòu)，對不滿足位移角限值的結(jié)構(gòu)提出以下建議供參考，我們可根據(jù)實際情況采取三步走：調(diào)微改方案改變結(jié)構(gòu)形式。第一步：調(diào)，即首先仔細(xì)查看程序計算結(jié)果，對其進(jìn)行判斷，如位移角未達(dá)到規(guī)范要求，查明哪層何處位移過大未達(dá)到要求，找到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，返回查看模型，找到問題所在，調(diào)整模型，加強(qiáng)相應(yīng)位移大的節(jié)點(diǎn)附加的梁柱或者薄弱層。此外對于周期的查看也是調(diào)整的輔助手段，對于受力合理的結(jié)構(gòu)，盡量避免前二階振型為扭轉(zhuǎn)振型，除此外也要注意根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使兩平動振型的周期不要相差較大，如相差較大說明結(jié)構(gòu)兩個方向剛度相差較大，應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件，達(dá)到合理的平衡。第二步:微改方案，當(dāng)通過第一步仍無法達(dá)到要求時，我們可以在未達(dá)到相應(yīng)位移限值的方向布置少量抗震墻，從而使其彈性層間位移角滿足要求或者在滿足位移限值的基礎(chǔ)上改善框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，形成帶少量抗震墻的框架結(jié)構(gòu)。目前對此種結(jié)構(gòu)的分析還有一定的難度，規(guī)范對帶墻的框架結(jié)構(gòu)體系的判斷是通過結(jié)構(gòu)底部豎向構(gòu)件分別承受的傾覆力矩比例來判定的。對這一特殊的框架結(jié)構(gòu)，可以遵照以下設(shè)計原則來設(shè)計。（1）對框架結(jié)構(gòu)按純框架結(jié)構(gòu)（不計入抗震墻）和按框架與抗震墻協(xié)同工作（即按框架-抗震墻結(jié)構(gòu)）分別計算，包絡(luò)設(shè)計。對純框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震彈塑性位移驗算?？蚣艿目拐鸬燃壖拜S壓比限值按純框架結(jié)構(gòu)確定。（2）對抗震墻抗震墻抗震等級可取框架-抗震墻結(jié)構(gòu)中框架的抗震等級。對于抗震墻的配筋設(shè)計：對計算不超筋的抗震墻按計算配筋；對抗剪不超筋而抗彎超筋的抗震墻，按計算要求配置抗震墻的水平及豎向分布鋼筋，按抗震墻端部最大配筋要求（配筋率不超過5%）配置端部縱向鋼筋。對抗剪超筋的抗震墻，按抗震墻的剪壓比限值確定抗震墻的抗剪承載力并確定墻的水平鋼筋，按強(qiáng)剪弱彎要求確定墻的豎向鋼筋。在抗震墻很少的框架結(jié)構(gòu)中，框架是主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，在風(fēng)載或地震作用很?。ǖ陀诙嘤龅卣鹱饔茫r，抗震墻輔助框架結(jié)構(gòu)能滿足規(guī)范對框架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角要求，提供的是抗震墻的彈性剛度，在設(shè)防烈度地震及罕遇地震時，抗震墻退出工作。當(dāng)然對于處于框架結(jié)構(gòu)上的大型動力設(shè)備,為降低結(jié)構(gòu)震動，減小設(shè)備引發(fā)的結(jié)構(gòu)位移，也可采用此種結(jié)構(gòu)。第三步:改變結(jié)構(gòu)形式，在以上情況下如還不能滿足要求，只能尋求改變結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)位移比限值要求。對于框架結(jié)構(gòu)可以通過加鋼支承形成框架支承結(jié)構(gòu)，也可以在上一步配置很少剪力墻的基礎(chǔ)上盡一步加大剪力墻配筋形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，可以采用異型柱結(jié)構(gòu)或者下部為框架剪力墻結(jié)構(gòu)、上部為框架結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)。其實對于框架結(jié)構(gòu)而言，在提高結(jié)構(gòu)塑性能力的前提下（加強(qiáng)豎向構(gòu)件水平筋的設(shè)置）或者根據(jù)廠房實際情況犧牲部分安全度，規(guī)范規(guī)定的位移角限值也是可以有限降低的，但是這個限度需要合理把握。

三、構(gòu)造及概念

設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計中，眾多小細(xì)節(jié)的完善才能保證好結(jié)構(gòu)的安全，眾多小構(gòu)件的合理優(yōu)化才能實現(xiàn)總造價的有力降低。在高震區(qū)結(jié)構(gòu)中，有以下幾點(diǎn)需要引起我們的注意：（1）對于處于高震區(qū)的結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)自身的自重而產(chǎn)生的地震作用往往占很大的比例，尤其是混凝土結(jié)構(gòu)，隨著地震作用的增大，造成結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件計算不能滿足要求，從而需要提高構(gòu)件的尺寸，隨著構(gòu)件體量的增大，地震作用又有所增加，這樣不斷循環(huán)，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求時，結(jié)構(gòu)已經(jīng)很笨重，已遠(yuǎn)離我們的設(shè)計初衷，因此，對于高震區(qū)結(jié)構(gòu)，如何減輕其自重反而比如何克服地震作用對我們的優(yōu)化設(shè)計有更為直接的作用。出于以上考慮，以下幾點(diǎn)我們應(yīng)盡力做到：a墻體的維護(hù)材料應(yīng)盡量輕，能用壓型鋼板的就不要用輕型砌塊，能用輕型砌塊的就不要用燒結(jié)磚。b盡量利用高強(qiáng)材料，以提高結(jié)構(gòu)單位重量的承載能力。c對于梁柱構(gòu)件，要多次重復(fù)計算直到各構(gòu)件都達(dá)到其合理配筋率或應(yīng)力比，應(yīng)避免一些較大的梁而其配筋率卻很小的情況的出現(xiàn)，如果對各構(gòu)件都能合理調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)自重的減輕也是十分可觀的。d在采用PKPM計算時，由于梁梁相交、梁柱相交、梁板相疊處的重量重復(fù)計算，造成結(jié)構(gòu)自重較實際有所放大，在計算中可以通過適當(dāng)調(diào)整部分參數(shù)等手段來減少結(jié)構(gòu)自重，以接近實際情況。（2）基礎(chǔ)的設(shè)計直接影響到了上部結(jié)構(gòu)安全及其合理性，尤其是高震區(qū)，在可能的情況下，要盡量降低基礎(chǔ)的埋置深度，從而有效地降低結(jié)構(gòu)高度，減小地震產(chǎn)生的傾覆力矩。另外，除高寬比大于4的高層建筑基底不宜出現(xiàn)脫離區(qū)（零應(yīng)力區(qū)），其他建筑基礎(chǔ)底面與地基土之間距離區(qū)（零應(yīng)力區(qū)）面積不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的15%，因此，在設(shè)計基礎(chǔ)時可以對這一比例合理限定，從而減小基礎(chǔ)尺寸的大小。對于高震區(qū)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計另一個需要注意的問題是，即使基底未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，但是如果其基底最小應(yīng)力小于上面覆土自重，那么基礎(chǔ)上部也是要承受部分拉力，需要配鋼筋。（3）在設(shè)計基礎(chǔ)時由于砌墻的原因，通常會在需要的位置布置地梁，如果基礎(chǔ)埋深較淺則容易形成短柱，以至在抗震計算時常常造成柱抗剪能力不足，從而給設(shè)計工作帶來困難，此時可以采用圖2方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計以避免此情況的發(fā)生。此外，規(guī)范對于一級框架和IV類場地的二級框架也是建議沿框架兩個主軸方向設(shè)置基礎(chǔ)系梁的，可采用圖2同樣作法。（4）在帶有貯料型結(jié)構(gòu)或者帶有大型設(shè)備的結(jié)構(gòu)時，對于倉體及設(shè)備的支承，應(yīng)盡量使其結(jié)構(gòu)支座靠近倉體及設(shè)備重心所在平面，以免附加彎矩引起設(shè)備及結(jié)構(gòu)受力而造成破壞。（5）對于埋置較深的結(jié)構(gòu)，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件嵌固在土中，其結(jié)構(gòu)分析有一定的特殊性，由于土的作用，上部傳來的水平地震作用逐漸減小，但是由于土的類別、構(gòu)件的接觸面積等因素的影響，如何確定合理的減小程度有待研究。樁基規(guī)范提出了土層水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m可供參考借鑒。該參數(shù)計算方法即是土力學(xué)中水平力計算常用的m法，可參閱基礎(chǔ)設(shè)計相關(guān)的書籍或規(guī)范，其取值范圍一般在2.5~100之間，在少數(shù)情況的中密、密實的沙礫、碎石類土中取值可達(dá)100~300。由于m值考慮了土的性質(zhì)，通過m值、地下室的深度（或框架柱）和側(cè)向迎土面積，可以得到結(jié)構(gòu)地面以下側(cè)向約束的附加剛度，該附加剛度與結(jié)構(gòu)自身剛度無關(guān)，而與土的性質(zhì)有關(guān)。用m值求出的地下室側(cè)向剛度約束呈三角形分布，在頂層處為0，并隨深度增加而增加。因此可以將該參數(shù)引入結(jié)構(gòu)分析中，以期得到合理優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果。（6）另一個需要談到的問題就不是我們結(jié)構(gòu)設(shè)計人員所能完全控制的，需要相關(guān)工藝等專業(yè)的配合才能達(dá)到更合理的優(yōu)化指標(biāo)。出于概念設(shè)計的考慮，在高震區(qū)，能滿足生產(chǎn)需要的更低的廠房高度及結(jié)構(gòu)承受更小的地震作用及傾覆力矩是我們一直期望得到的，因此在可行的情況下，合理降低結(jié)構(gòu)總高度及各層層高，將重要設(shè)備重心下移甚至將其布置于地面上等措施，可有效降低地震作用，也希望其引起相關(guān)專業(yè)的更多關(guān)注。

作者：李紅雨單位：天津水泥工業(yè)設(shè)計研究院有限公司