多冗余度单跨框架结构性能研究

潘超

（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西西安 710055）

0 引言

单跨框架结构指结构的某个主轴方向均为单跨， 如图1 所示。 此种结构，仅靠单跨方向的2 根柱子承担，没有多余约束，只要1 根柱出现破坏，结构就会倒塌，抗震性能较差。 但由于布置形式简单，在我国早期中小学校舍中应用较多。 根据实际震害表现来看，由于抗侧刚度小，结构超静定次数少，耗能能力弱，结构冗余度小，不能形成多道抗震防线，在罕遇地震作用下，一旦框架梁柱节点出现塑性铰，则整个结构出现连续倒塌的可能性很大[1-3]。故在《建筑抗震设计规范》[GB50011—2010（2016 版）]中规定，当建筑类别为甲、乙类，丙类建筑高度＞24m 时，是不能采用单跨框架结构的。 当丙类建筑高度≤24m 时，不宜采用单跨框架结构[4]。但是结构中一个主轴上如果只有局部某个轴线是单跨，其余均为多跨，即有3 根以上框架柱，并且另一主轴为多跨框架，此种结构不同于单跨框架结构，只是局部没有多余约束，并不影响整体结构安全，可同单跨框架结构作区分，认为是单跨框架，只需对局部单跨框架部分做加强构造处理。 单跨框架如图2 所示，不作为本次讨论对象。

图1 单跨框架结构

图2 单跨框架

震害表明，单跨框架结构由于缺少必要的冗余度，地震破坏严重。因此，实际工程应尽量避免采用单跨框架结构。但是在工业建筑中，由于特殊的工艺要求，单跨框架结构不可避免，如引风机房的引风机管道支架、某些工业厂房的附属用房、煤化工解热装置的附属构架等。 因此，从抗震概念设计的角度出发，寻找超静定次数大、冗余度多的解决方案尤为重要。 目前文献研究有两种方案，一是加强抗震和抗震构造。 此种方法可以提高延性和抗震性能，但是无法解决无多余约束、结构冗余度少的问题[5]。 二是对已有的单跨框架结构通过增设钢柱的方式进行加固，主要针对早期建造的中小学校舍[6]。 对工业建筑单跨框架结构进行方案分析的较少。 本文针对单跨框架结构增设钢支撑或短墙，采用工程中容易操作和接受的PKPM 软件建立模型进行计算，并提出较为合理的方案，可为实际工程提供参考。

1 工程概况

某引风机房支架为单跨框架结构， 位于陕西榆林某工业园区。根据详细地勘，得知该地区设防烈度6 度，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅲ类。 引风机房支架为6 层，高度25.05m，主要为引风机房的管道提供支撑。 经PKPM 建立的模型如图3 所示。 引风机管道荷载按上游专业所提荷载输入。

图3 单跨框架结构

2 方案计算

本次计算作如下假定：

（1） 由于考察整体控制指标，故全楼取楼板刚性假定；

（2） 工业荷载布置的特殊性会引起楼层承载力突变、抗侧刚度不规则，计算地震作用时考虑选取双向地震作用。

2.1 方案一：框架结构

不增加任何措施的纯单跨框架结构模型如图3 所示。 经过PKPM 建模计算，其各项指标如表1 所示。

表1 框架结构指标表

2.2 方案二：框架柱设置短墙

框架柱设置短墙有别于框架-剪力墙。 增设短墙的目的是为了增强框架柱在单跨方向的受力， 因此体系上仍属于框架结构。根据抗震规范要求，短墙体厚度取200mm。 当竖向受力构件长宽比小于4 时，认为是柱，当不小于4 时，可认为是墙，故本次假定在单跨方向设置的短墙尺寸为200mm×600mm，如图4 所示。进行计算时，因此结构体系仍为框架，框架柱和短墙没有第一、第二道防线之分。 柱和剪力墙的抗震等级按框架结构处理，类似于抗震规范中所规定的有少量剪力墙的框架结构。 框架采用了包络设计，对剪力墙按构造要求配置。 抗震等级均按框架结构处理，最大弹性层间位移角应满足≥1/550 的要求。经过PKPM 建模计算，短墙-框架结构指标见表2。

图4 短墙-单跨框架结构

表2 短墙-框架结构指标表

2.3 方案三：设置支撑

按照抗震规范对中心支撑的要求， 钢支撑材质选为Q235B。无论支撑形式为人字撑或交叉撑，设计时均按压杆计算，长细比限制值取120。 经计算，本文单跨方向设置HW300×300×10×15 的钢支撑，强轴方向为平面外。 现场施工时，应根据实际放样，在需设置钢支撑的部位进行预埋件设计，预埋件与钢支撑翼缘采用单面坡口焊，与钢支撑腹板采用双面角焊，焊缝高度应根据计算确定，并满足构造要求。 在模型计算中，假定钢支撑两端与框架柱连接形式为铰接，如图5 所示。 按照多道防线的概念设计，钢支撑框架类似于框架-剪力墙中的剪力墙，支撑作为抗震第一道防线，框架柱作为抗震第二道防线， 地震作用全部由支撑的抗侧刚度承担，框架柱可承担小部分地震作用。 进行计算时，按框架-剪力墙处理，框架部分抗震等级按框架结构情况确定，钢支撑的抗震等级在确定的框架抗震等级上提高一级。 最大弹性层间位移角应满足≥1/800 的要求。 经过PKPM 建模计算，钢支撑-框架结构指标见表3。

图5 钢支撑-单跨框架结构

表3 钢支撑-框架结构指标表

3 方案比较分析

方案一、二、三中结构的自振周期（s）均不同，即增设短墙和钢支撑后，改变了结构本身自振周期。 由于结构多跨方向没作改变，故多跨方向（X 方向）最大层间位移角三个数值均相同。 单跨方向（Y 方向）最大层间位移角分别为1/1415、1/2954、1/3585，由此可见，增设短墙和钢支撑均可有效减小侧向位移、提高侧向刚度。 方案一想要获得与其他方案相同的效果，需增大框架柱截面。但单方面增大柱截面不仅满足不了经济方面要求， 还会造成浪费，减少有效利用面积，影响使用效果。 另外，也不符合在高烈度地区低承载力、高延性的抗震设计理念。

表4 为单跨方向地震工况下的倾覆力矩。 由表4 可知，在Y方向，即结构的单跨方向，钢支撑倾覆力矩占到80%以上，故钢支撑可作为结构抗震的第一道防线，框架柱可作为第二道防线。 因此，在方案三中，钢支撑作为主要抗侧力构件，受力机理明确。 方案二在结构体系上仍属于框架结构，短墙和框架柱协同工作具有不明确性，因此在结构设计中难以把握，没有多道抗震设防的概念。 在方案三中，钢支撑作为耗能构件，吸收了地震作用时横向波传来的能量，减小了地震作用对结构整体的进一步破坏，是一个抗震性能较好的结构体系。 如果在设计中有更高的抗震要求，也可将此钢支撑设计为屈曲约束支撑或消能器，利用消能器提供的附加阻尼减小地震作用。

表4 单跨方向地震工况下的倾覆力矩（单位kN·m）

方案二的布置有一定的局限性， 在柱单跨方向布置短墙时，空间受到一定限制，影响了结构的使用品质。

4 结语

（1） 和民用建筑相比，工业建筑荷载布置更为特殊。 当采用单跨结构时，应采取必要的措施以弥补布置上的不规则。 同时，提高结构的冗余度、结构延性，保证工程具有良好的结构性能。

（2） 增设钢支撑或短墙均可有效提高框架结构单跨方向的抗侧刚度、侧向位移。

（3） 钢支撑-框架结构形式不仅解决了单跨框架结构冗余度少的问题，而且较大幅度地提高了结构的抗侧性能，减小了结构的水平侧移，符合抗震设计中多道防线的设计理念，受力明确，相比增设短墙更有优势。