顶层单跨大空间结构设计探讨

康 勇 薛征宇

中国天辰工程有限公司 天津 300400

框架结构空间分隔灵活，对于多跨框架结构通过合理布置跨度能够达到功能性与经济性的协调统一，因此在工程实践中有广泛的应用。在使用上，像会议室、活动室等往往需要更大的空间以满足使用功能要求。对于工业建筑，框架结构顶层也常常通过抽掉中间柱设计成单跨大空间来满足设备和管线布置等建筑功能需要。本文通过对顶层为单跨底层为多跨的框架结构进行研究，总结探讨了顶层单跨框架在现行规范意义的可行性，分析阐述了顶层单跨框架的加强措施，最后提出了钢屋架与混凝土柱刚接连接的建议施工方法。

1.顶层单跨框架在规范意义的可行性

1.1 规范对单跨框架结构的限制

单跨框架结构属于抗震不利的结构，现行规范对于单跨框架结构的使用有明确的限制。

《抗规》混凝土部分6.1 .5 条：甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构；高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。《抗规》 钢结构部分8.1 .5 条对钢框架有同样的规定。《高规》6.1 .2 条同样规定：抗震设计的框架结构不应采用单跨框架。

1.2 单跨框架结构的定义

然而，《抗规》条文说明解释，从2008年局部修订时开始增加控制单跨框架结构适用范围的要求。框架结构中某个主轴方向均为单跨，也属于单跨框架结构;某个主轴方向有局部的单跨框架，可不作为单跨框架结构对待。《高规》6.1 .2 条文说明解释，单跨框架结构是指整栋建筑全部或绝大部分采用单跨框架的结构，不包括仅局部为单跨框架的框架结构。

所以本文认为底层多跨而顶层单跨的结构不属于单跨框架结构。

Figure 1顶层单跨的框架结构（a） 单跨框架结构（b）

2.顶层单跨框架的加强措施

2.1 地震作用下单跨框架的破坏分析

单跨框架的抗侧刚度小，结构超静定次数少，耗能能力弱，不能形成多道抗震防线。对框架结构而言，一旦框架出现塑性铰，结构发生连续垮塌的可能性较大。震害调查表明，单跨框架结构尤其是层数较多的高层建筑震害尤为严重。顶层单跨、下层多跨的框架虽然不属于单跨框架结构体系，但是框架顶层的柱和梁同样存在冗余度低的缺点。当必须采用单跨框架时，应对薄弱部位加强，延迟构件塑性铰的出现，以提高抗震能力。

2.2 抗震性能化设计

建筑抗震性能化设计，就是根据工程的具体情况，确定合理的抗震性能目标、采取恰当的计算和抗震措施，以实现抗震性能目标的要求。

对顶层单跨的框架结构采用性能化设计时，需要加强与单跨框架相关的柱（从基础开始）和屋面梁，确保顶层在整个结构屈服后期才出现塑性铰。

以SATWE或YJK设计软件为例，在参数输入菜单中的性能设计部分定义性能设计，根据工程要求选择正截面和斜截面中震弹性或更高目标。然后在软件性能目标菜单中选择需要进行性能设计的构件。通过合理地提高地震作用或抗震措施，改善结构的抗震性能。

2.3 连接形式加强

根据顶层单跨冗余度低的特点，屋面梁或屋架与柱连接建议优先考虑刚接节点而不应采用铰接。

为保持结构的连续性，顶层柱应与下柱采用相同结构形式。当柱为钢柱时，屋面梁可以采用钢梁或两端刚接钢桁架；当柱为混凝土柱时，可采用混凝土梁或预应力混凝土梁。

3.混凝土柱与钢屋架连接施工

对于混凝土柱大跨度情况，为减轻自重或考虑施工方便，经常采用钢梁或钢桁架。实现混凝土柱与钢梁的刚接成为提高结构冗余度的关键点。钢梁或钢桁架与混凝土柱连接节点宜采用预埋构造型钢的方式，梁柱刚接节点示意如下：

Figure 2 混凝土柱与钢梁刚接节点

Figure 3混凝土柱与钢梁刚桁架刚接节点

钢梁或钢桁架端部设置构造型钢埋于混凝土柱中。混凝土柱在构造型钢底板下50mm处设施工缝。型钢上设置适量焊钉增强与混凝土连接。底板预埋螺栓兼做安装调平用。待钢梁或钢桁架和构造型钢安装完毕，底板二次灌浆后，再浇筑剩余柱混凝土。如在混凝土柱侧设置拼接节点，待构造型钢就位，混凝土柱浇筑完毕后再安装钢梁或钢桁架，容易因为误差而造成施工困难。故可在大跨钢梁或钢桁架其他位置设置拼接点，而不是在混凝土柱侧拼接。

钢梁或钢桁架伸入混凝土柱与构造型钢连接。另一方向也有系杆和柱间支撑通过节点与构造型钢相连。梁柱刚接节点范围类似型钢混凝土，柱中纵向钢筋或箍筋避不开钢构件时，参照型钢混凝土在钢构件上开孔。

4.结语

单跨框架由于缺少必的冗余度，不符合抗震体系宜有多道抗震防线的要求，设计中应避免采用。多层框架结构顶层通过抽柱形成顶部单跨大空间，这种结构不属于《抗规》禁止的单跨结构。当设计必须采用单跨框架时需要对结构进行加强，使结构具有必要的抗震承载力。