一层单跨乙类微型建筑物的设计原理及受力分析

摘要：某化工厂，新建泡沫站为一层单跨钢筋混凝土框架结构，由于建筑物体量小，按《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.1.5条甲、乙类建筑不应采用单跨框架结构，若建筑物宽度为5.0米，按双跨设置，跨度仅2.5米，不在钢筋混凝土框架结构柱网布置的合理范围。设计时应贯彻抗规编制宗旨，按结构设计的基本原则设计，而不能生搬硬套。

关键词：乙类建筑；单层小跨度；基本原则

中图分类号：TU2 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2014）10-

1.概述

某化工厂，罐区有一单罐容积为500m3的水容性可燃液体储罐，根据《石油化工企业设计防火规范》GB50160第8.7.2条需要新建6mX5mX4.2m（长X宽X高）的钢筋混凝土框架结构泡沫站， 。地质报告给出该场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为三组，场地土类别为Ⅱ类。

2.结构分析

我们在确定结构方案时，应对所要设计的建（构）筑物进行分析，确定执行适用于本建（构）筑物的现行国家规范。（1）建筑物与构筑物的主要区别在于：凡供人们在其中生产、生活或其他活动的房屋或场所都叫做建筑物；而人们不在其中生产或生活的建筑，则叫做构筑物，因此泡沫站为建筑物，应执行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010。（2）抗规第6.1.2条钢筋混凝土房屋应根据设防类别、烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。泡沫站属于化工建筑部分的辅助建筑物，抗震等级划分应执行《化学工业建（构）筑物抗震设防分类标准》GB50914-2013第12.0.2条，全厂性辅助设施及公用工程建（构）筑物抗震设防类别，泡沫站应划分为乙1类，第3.0.3条第2项，重点设防乙1类，地震作用应按本地区抗震设防烈度确定，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。抗规第2.1.10条，抗震措施-除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震设计的基本要求、抗震构造措施和地基基础的抗震措施等。抗规第2.1.11条，抗震构造措施-根据抗震概念设计原则，一般不需要计算而对结构和非结构各部位必须采取的各种细部要求，抗规第6.1.3条第4项，当甲乙类建筑按规定提高一度确定其抗震等级。因此按抗规第6.1.2条确定泡沫站建筑物的抗震等级为二级，应采用单层、双跨钢筋混凝土框架结构。

由于该泡沫站体量小，按规范要求乙类建筑不应采用单跨钢筋混凝土框结构，以满足X轴、Y轴方向形成双跨框架结构的形式，Y轴方向框架跨度为2.5m，层高为4.2m，的单层畸形结构。抗规第1.0.1条编制的初衷是：为贯彻执行国家有关建筑工程、防震减灾的法律法规并实际以预防为主的方针，使建筑经抗震设防后，减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减轻经济损失，制定本规范。按本规范进行抗震设计的建筑，其基本的抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构部分受损破坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危机生命的严重破坏。

乙类建筑不应采用单跨框架，设置多跨的初衷是设置多道抗震防线的一种手段。所谓多道防线的概念，通常指的是：第一，整个抗震结构体系由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。第二，抗震结构体系具有最大可能数量的内部外部赘余度，有意识地建立起一系列分布的塑性屈服区，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破坏也易于修复。

从自由度角度来看，单跨框架是个静定结构，一个约束的破坏就导致结构整体破坏，若是双跨或多跨，即约束的增加，结构为超静定，个别约束的失效并不决定结构整体的破坏，所以从这个角度看单跨框架是不利的。我们知道，框架结构边支座的约束相比中间支座差，这样在地震作用下，对弯矩的传递，力的传导都不利，在地震作用下容易导致梁柱节点的破坏，节点破坏可能导致梁退出工作，这样相当于边柱在一跨平面内的约束丢失，本来就不利的约束条件更

加不利，极易发生柱的失稳，导致结构的整体破坏。边柱的实际受力状态都是偏心的，在地震作用下，钢筋可能会在受压和受拉状态中交替，抗震规范第6.3.8条规定，角柱、边柱的纵筋配筋要比计算结果增大25%，这就是防止柱受拉纵筋屈服后受压导致失稳破坏，也就是规范所要求的应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或重力荷载的承载能力。

3.实施措施

在看待单跨框架带来缺失的防线上，我们采取的是：

首先，本泡沫站一般都是平面、竖向规则的低矮单层建筑，只是在地震、火灾时起的重要作用才导致其抗震设防类别由丙类调高至乙类，那么我们就从抗震设计初衷出发，以结构设计的基本目的为原则，使其在一定的经济条件下，结构在预订的使用期限内满足设计所预期的各项功能，安全性、使用性和耐久性。严格按抗规第6.2、6.3条的计算要点和构造措施控制，调整单跨框架构件的截面尺寸和配筋，使结构构件在地震作用下产生的应力和变形的取值远远小于构件允许值，拟补按单跨框架计算可能出现的剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服、钢筋的锚固粘结破坏先于钢筋的破坏。

其次。增加保护层厚度，可以使建筑物在高温条件下或遇有火灾时，保护钢筋不因受到高温影响，使结构急剧丧失承载力而倒塌，因此保护层的厚度与建筑物的耐火性有关，在设计时，混凝土保护层按建筑物耐火等级要求规定的厚度设置，当遇有火灾可保护结构或延缓结构倒塌时间。

根据《建筑设计防火规范》GB500016-2006第8.6.4条，独立建造的泡沫站其耐火等级不应低于二级，查表3.2.1厂房（仓库）建筑构件的燃烧性能和耐火极限（h）表，其中混凝土梁的耐火极限为1.5小时。根据四川建筑防火研究所的研究结果：以混凝土矩形梁为例，正截面纵向钢筋保护层厚度为20mm加上20mm水泥砂浆抹面时，梁下角部钢筋的温度为767度、梁下中部钢筋的温度为669度，平均温度为718度，在如此高温情况下钢筋的抗拉强度急剧下降，使构件尚失承载能力。当钢筋保护层厚度为50mm加上20mm水泥砂浆抹面时，梁下角部钢筋的温度为552度、梁下中部钢筋的温度为369度，平均温度为460度，此时钢筋抗拉强度降低为正常时的65%；混凝土的抗压强度为常温的23%，对钢筋的握裹力急剧下降，因此需要控制钢筋保护层厚度，达到控制设计钢筋的允许应力取用值和混凝土的抗压允许取用值。普通低碳钢高温力学性能表见附图（三）、高温下混凝土抗压强度）。

4.结论

一层乙类微型建筑物当采用单跨不满足《建筑抗震设计规范》规定时，应采取措施，1）调整单跨框架构件的截面尺寸和配筋，降低结构构件在地震作用时构件应力和变形的取值；2）增大钢筋保护层厚度，保护钢筋在火灾设防耐火时限内，钢筋的允许应力和变形值大于结构内力计算所要求值，避免结构急剧丧失承载力而倒塌。拟补按单跨框架设计而缺少的一道防线。作为一名设计工作者，在执行规范时，应领悟规范所规定条纹的精神和出发点，运用结构设计的基本原理，使每一项设计真正做到技术先进、经济合理、安全可靠。