采用铰接柱解决叠层电子厂房结构刚度突变

周晓梅

(信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司,四川 成都 610021)

0 引言

近年来,随着全球及中国半导体业的发展,电子高端制造工业厂房规模越来越大,工业生产向多个生产层(即叠层)发展。工艺上叠层生产的电子厂房,由于其工艺布局上的特殊性,相邻层高差大,造成结构竖向设计的不合理,出现结构的薄弱层和软弱层。同时,作为电子高端制造的生产厂房,生产过程对厂房建筑的防微振要求极高,为防微振通常需要在楼层增设防微振柱,但该微振柱不能通过下层的生产层,则微振柱的存在必然造成了高层厂房竖向构件的不连续,加剧了结构竖向的严重不规则程度;且目前电子高端制造厂房投资巨大,早日建成投产不仅能极大地降低该工程的投资成本,对区域经济也影响深远,故通常施工工期要求极短。结构设计必须解决生产工艺叠层布局造成的结构及抗震设计难题,保障结构主体的安全,满足结构设计规范的同时,在设计中采取有利于减少成本、保障施工质量、缩短工期的结构设计方案。

1 叠层生产厂房概况

电子厂房工艺上的叠层设计就是厂房建筑内有两个以上的生产层,电子洁净厂房生产层通常带有一个下技术夹层,生产层的层高由于吊挂的上技术夹层和生产设备的需要,一般较高,如12 m以上;下技术夹层用于上下回风、管线敷设和辅助设备,层高一般较小,仅6 m左右。当第二个生产层带有一个下夹层时,势必造成该下夹层与相邻的第一生产层的层高差距,带来结构楼层的刚度突变。而当第二生产层有较高微振等级要求时,第二下技术夹层中增加的微振柱,更使层间刚度比严重不满足规范,形成软弱层,结构竖向严重不规则[1]。大型液晶面板厂房就是这样的典型。在该类厂房建筑中,结构要满足工艺生产的需要,首先就要解决竖向严重不规则的问题。

2 常规方案在实施过程中的缺陷分析

在过往设计的经验中,通常是在建筑的1层、2层增设柱间支撑或剪力墙。如GB 51136—2015薄膜晶体管液晶显示器工厂设计规范也针对该问题,提出典型的处理方式[2],《薄膜晶体管液晶显示器工厂设计规范》第7.2.6条有如下描述“工艺为叠层布置,相邻楼层2层与3层的层高差别在1倍左右,易形成软弱层,不利于抗震,可通过设置钢筋混凝土墙或柱间支撑调整层间的刚度,避免出现软弱层。”图1为该条例的条文解释中配合条文所述设计方案的示意图。

这种处理方式采用增加下层刚度,使整个建筑的水平刚度和竖向刚度都得到加大,既有利于厂房结构的防微振,也减小了2层与3层的侧向刚度差,通过支撑数量和3层框架柱截面的调整,使建筑2层与3层的刚度比达到或接近0.7,改善结构抗震性能,满足规范对楼层刚度比的要求。但这样的结构形式在实际工程中也有难以避免的缺陷。

1)如图1所示在1层、2层设置柱间支撑,2层是生产层,往往具有较大的双向跨度,柱间支撑作为层间的构件,设置于2层必然会影响工艺生产的布局和生产线的贯通,故柱间支撑只能设置在生产区两端回风夹道的位置,而对于液晶面板生产这样的大型厂房,可供设置支撑的两侧回风夹道的间距通常是上百米,支撑间距过大。在实际工程的设计中,通过计算,支撑几乎是满布于回风夹道的纵横向柱间。柱间支撑间距大,支撑和与支撑连接的柱内力都会加大,与支撑相连接的柱断面及配筋量很大。图2和图3分别是实际工程设计中采用该结构方案的同类面板厂房项目中与支撑连接的框架柱配筋,框架柱截面分别为1 600 mm×1 600 mm,1 300 mm×1 300 mm,配筋分别是116根32,84根32。可见配筋量大,配筋率高,工程造价高。

2)柱间钢支撑与钢筋混凝土柱的连接,支撑内力较大,需在钢筋混凝土柱内设置型钢芯柱来与钢支撑连接。但型钢芯柱的存在,影响了框架梁柱节点区、钢筋混凝土柱以及钢筋混凝土梁内的主筋和箍筋贯通。施工前,钢芯柱需按照加工详图准确预留孔洞,以实现混凝土梁柱纵筋与箍筋的贯通,如图4所示。施工时,需在型钢芯柱上穿筋和在型钢芯柱上现场焊接,钢筋直径大,实施较困难。而框架柱自身配筋大,柱纵筋多,尤其是为避让钢芯柱靠四角布置后,纵筋集中于四角,竖向上下贯通的柱纵筋与水平向贯通的框架梁纵筋相互交叉,造成节点处钢筋密集,施工困难,混凝土浇筑质量不能得到保障,图4及图5是实际工程中该梁柱节点的图片,可见其钢筋的密集度及施工浇捣质量的隐患。

3)由于本类厂房的特点,型钢芯柱梁柱节点钢筋量大,配筋较多,钢筋较密,型钢芯柱与混凝土梁柱相互干扰,使得节点区混凝土施工更加困难,浇筑质量难以保证。

4)由于型钢芯柱和钢支撑的设置,现场钢结构和钢筋混凝土结构交替施工,施工工序增加且烦琐,施工工期较长。

综上,柱间支撑的设置虽然一定程度上解决了结构楼层上下层刚度不均匀,及规范中对楼层上下层刚度比的限值问题,但由此给施工及工期带来的影响不可避免:型钢芯柱要在施工前依照图纸加工并准确开洞且补强;施工中钢结构和钢筋混凝土结构交替施工影响施工工期;梁柱节点钢筋量大且与型钢芯柱相互干扰使节点区混凝土浇筑质量难以保证。实际工程中这样的结构形式花费巨大,施工节点复杂,施工周期延长。

3 一种新型的结构方案——采用微振柱铰接

鉴于常规设计方案在工程实施过程中难以避免的缺陷和隐患,笔者在实际工程中探寻了一种新的处理方式:采用铰接柱解决叠层设计电子厂房结构刚度突变[3]。采用这种结构形式,不仅大幅度减少了结构造价,更促进了这个建筑单体面积达60万m2,建成时为全国单体面积最大的高层洁净厂房单体,仅8个月就完成结构封顶[4]。

3.1 工程概况

某第8.6代薄膜液晶显示器件生产线TFT-LCD项目,总投资较大,故工期要求极短,厂房防微振等级高,洁净度要求高[5]。其主要建筑为生产厂房,该厂房单体总建筑面积达到了590 448.79 m2,总长458.1 m,总宽365.6 m,总高约40 m,为高层工业厂房。由于厂房的生产工艺要求,核心生产区不设缝,该结构单元长339 m,宽314.6 m。核心生产区为叠层设计,有两个生产层,每个生产层下各设置一个技术下夹层,故建筑为4层,层高从1层往上依次为6.1 m+12.7 m+6.5 m+13 m。2层层高约为其相邻上层3层层高的2倍;由于生产层微振等级较高,3层需增加设置微振柱,不仅更加加大了3层的刚度,且该柱不能贯通其下生产层而形成不落地柱。综上可见,该建筑在结构抗震设计上存在竖向抗侧力构件不连续,楼层结构刚度和承载力突变等多项严重不规则[6-7],造成结构抗震不利,受生产工艺需求的限制,2层、3层较大的层高差和3层增设的微振柱,使2层形成软弱层和薄弱层,抗震计算整体指标不能满足国家抗震规范要求,结构设计超规超限。

3.2 微振柱铰接的结构方案简述

在解决刚度突变的结构设计中,本设计取消了常规设计中的柱间支撑,将3层(即第二生产层下夹层)的防微振小柱铰接于上下楼层,结构铰接柱布置如图6所示。

4层为生产层,其楼板为750 mm厚钢筋混凝土华夫板,3层楼层梁因支撑微振柱,承担了4层的荷载,故楼层梁截面大,采用3层防微振小柱上下设铰于3层和4层楼盖的方法,使为防微振要求设置的3层防微振小柱成为结构非抗侧力构件,避免了结构抗侧力构件的不连续,同时有效地减弱了结构3层的侧向刚度,再经过对上下层框架柱截面的调整,使2层、3层楼层刚度比满足规范的限值。避免了层高突变及承载力突变形成的结构竖向严重不规则和软弱层。层上下刚度比控制在了规范的限值范围内,解决了由于工艺层高差及3层设置微振柱造成的2层与3层的刚度比过小,结构严重不规则的问题,改善了结构的抗震性能,使该栋建筑的各项指标满足规范要求。其计算结果见表1。

表1 结构楼层刚度比和承载力比值计算结果

本设计微振小柱采用的是现浇钢筋混凝土柱,采用上下铰接节点。今后实际工程中,也可以采用预制柱或钢柱,同样实现柱上下端铰接,且提前预制或加工,更能缩短施工工期。

3.3 采用微振柱铰接的工程效果

由于采用该技术,相较于常规方案的设计,不需要在1层,2层增加钢支撑,取消了框架柱内的钢芯柱,施工工序上不再有钢结构支撑系统的施工工序,不再出现钢结构和现浇混凝土施工的交叉,极大的缩短了工期;同时该结构形式修改常规增加2层刚度的方式为减少3层刚度的方式,框架柱配筋大量减小,使框架柱及梁柱节点的钢筋不再过多过密,保障了框架柱和梁柱节点区的施工质量,避免了施工上的复杂性。

同时,作为该类厂房高级别的微振等级这个首要要求,为考量微振柱为铰接对该建筑防微振性能的影响,该建筑竣工后以及工艺设备运行阶段分别进行了微振测试,测试结果仍然满足VC-C微振等级,目前已竣工投产3年,满足工艺生产的要求。

本工程现已竣工投产,经同类项目比较及业主证实,与类似规模同类厂房相比,节约钢筋及钢材量近50%,在这类建筑单体巨大的厂房建筑中,可节省土建成本约上亿元,工期缩短3个月,经济效应显著。

4 结语

文章介绍的“采用铰接柱解决叠层设计电子厂房结构刚度突变”的创新解决方案,较之常规增设柱间支撑,改增加刚度的方式为减小刚度,可以大大降低土建成本;在叠层生产的电子厂房中采用“微振柱铰接”新型结构形式,在土建成本和工期上取得了明显的优势,有较高的实用价值和推广实用价值。其解决思路也可供其他有同样刚度突变问题的建筑结构设计参考。