煤矿工业建筑中钢筋混凝土框架结构的设计要点探析
2023-01-07王鑫
王 鑫
(霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031400)
1 框架结构的特点
钢筋混凝土框架结构主要是由钢筋圈梁和混凝土柱共同组成，不仅可以承受竖向荷载，同时还可以承受水平荷载，其主要运用于刚度均匀、外形规则的建筑物。该框架结构可以通过灵活分隔空间，将空间利用率达到最大，整体性能稳定，结构设计合理，无论是在抗爆、抗震方面，还是在抗撞击、抗震动方面都具有良好的性能。钢筋混凝土框架结构与传统钢结构相比拥有更好的防火耐烧优势，和传统砖墙结构相比拥有更好的自身重量优势，且在原材料方面可以就地取材，具有成本造价低的优势。因此，在各大煤矿建筑中被广泛应用。
2 框架结构设计的主要原则
2.1 抗震设计
根据相关规定要求，该框架结构必须达到“小震不损坏，中震可维修，大震不倾倒”的预防抗震目标，并通过相关力学计算来对设防要求进行实现。因此，在设计框架结构时是可以出现局部损坏的，但是不允许出现整体变形和倒塌。根据要求，框架结构抗震设计内容主要包含如下三个方面：第一方面是抗震概念设计；第二方面是抗震计算设计；第三方面是抗震构造设计。抗震概念设计就是根据地震对框架结构的破坏程度灵活采取抗震措施，从设计初期就对框架结构的抗震性能进行全面把握，从而能够制定出更加合理的结构设计，以此来消除抗震结构中的薄弱部分；抗震计算设计主要包含两部分：一部分是地震作用，另一部分是抗力计算，其主要作用就是通过定量分析来为结构合理化设计提供保障；抗震构造设计主要是通过其他方式，来对抗震计算的有效性进行验证。
2.2 结构的规则性
在总体布置框架结构时其是否规则会对抗震性能产生直接影响。采用平面布置方式时一定要对抵抗竖向、水平方向的荷载有利。与此同时，无论是平面形状结构，还是抗侧力结构在设计时都应该按照均匀对称的简单规格进行布置，以此来降低扭转影响。采用竖向布置方式可以让结构的竖向刚度和承载力逐渐减小，从而使得结构稳定不容易发生突变。因此，在工艺要求允许情况下应尽量减少不规则结构的出现。如果一定要有不规则结构出现时，应尽量采取有效措施对不规则结构的数量进行降低，假如遇到非常不规则的结构时，应该对其进行专门讨论和研究。
2.3 适用高度
钢筋混凝土框架结构最大使用高度如下所示：当抗震设防烈度等级为6度时，其最大高度为60m；当抗震设防烈度等级为7度时,其最大高度为50m；当抗震设防烈度等级为8(0.2g)度时，其最大高度为40m；当抗震设防烈度等级为8(0.3g)度时，其最大高度为30m；当抗震设防烈度等级为9度时，其最大高度为24m；假如框架中存在不规格结构需要对其高度进行降低。
2.4 结构布置的要求
框架结构在设计方面应该受力明确，结构合理，有简洁的计算简图，同时承载力和结构刚度也应该均匀分布，应具备较强的抗震设防能力和地震能量缓冲能力。同时，应按照双向梁柱方式进行抗侧力系统设计，将纵、横这两个方向上的动力特性误差控制在20%左右。当高度超过24m时，甲类和乙类建筑都不允许进行单跨结构设计。
2.5 延性框架
为了让建筑物在地震时拥有更强的抗倒塌能力，应该对框架结构的延性进行增加。严格按照国家规范对抗设防烈度、类别以及建筑物高度进行不同等级抗震划分，通过内力调整等措施来对其结构延性进行控制，换而言之就是按照弱梁配强柱、弱弯配强剪等原则，有效提高结构部件的延性。其加强措施如下：一是提高结构部件的抗剪切力，以避免结构不佳被剪切破坏；二是对框架支柱的轴压比进行有效减小；三是对框架结构梁的高度进行降低；四是对框架钢筋进行加强，增大混凝土的屈服强度；五是对节点进行加强，防止节点最先遭到破坏。
3 煤矿工业建筑中框架结构设计要点
3.1 建造场地
作为地震作用的主要影响因素，场地条件选择非常重要。在进行煤矿工业场地前期选址和平面结构方案设计时，应该对其场所地质、地形以及周围环境状况进行全面掌握，通过和工艺、总图等及时沟通协调，最大程度避开危险地段，选择有利地形，从而使所选的建造场抗震性能得到有效提高。
3.2 地基和基础设计
当地震发生时，地面所产生的震动会通过基础传递给上部框架。因此，无论是地基，还是上部结构都必须具备良好的刚度和承载力，基础地面尽量按照同一标高进行设计，并且相同结构单元在基础建造时最好选择在性质相同的地基，不要同时采用桩基和天然地基，这样很容易产生传递差异从而给框架造成震害。在进行基础建造时，应该对地基自身的承载力进行充分利用，同时对基础偏心进行减小，优先选择天然浅地基，假如浅地基在土层稳定性、强度等方面无法满足需求时，那么也可以选择深地基。同时应该对地基中的黏性土和液化土采取减轻措施，避免因地质不均匀而造成地基下沉。
3.3 柱的设计
在进行柱网设计时，要传力系统明确，结构设计合理，同时还要确保规则间距都要适中整齐。为了避免柱网对煤矿建筑的正常使用产生影响，应该对框架结构标准化和施工便利性进行充分考虑，尽量确保结构模型简单化。相同楼层在进行框架柱建造时截面尺寸误差不宜过大，最好这些框架柱具有相同的延性和结构强度，这样才能确保所有的框架柱均匀受力，从而避免因承受力不均匀而导致框架柱被地震逐个击破，通常都是采用竖向分段的方式来对框架柱的强度进行改变，从而和强度过低的楼层相错开，以避免相同楼层同时发生变形。在框架柱建造时尽量避免使用短柱，因为短柱很容易发生破坏变形。
3.4 梁、板的设计
煤层工业建筑通常都会在楼层上布置大型工业设备，因此需要在煤炭破碎机、带式运输机等大型振动设备下方设计支撑梁，如果单个设备也具有较大荷载时也应该设梁，与此同时梁的外形尺寸和设置位置等都应该同时满足框架结构要求。在楼层进行洞口预留时应确保洞口最小尺寸超过0.3m，假如洞口周围存在集中载荷或者洞口尺寸相对较大时，都应该在洞口周围布置支撑梁。与此同时，还应通过双层双向配筋的方式来对洞口周围的楼板进行加厚，确保梁板的强度满足使用要求。
3.5 楼梯的设计
在进行楼梯间设计时，应该尽量避免使用不规则结构，从而将不规则结构影响降到最低。最好采用钢筋混凝土的方式来进行楼梯浇筑。当框架结构和钢筋混凝土楼梯形成一个有机整体时，在对框架结构进行抗震计算时也应该把楼梯计算在内。
3.6 防震缝
通过防震缝可以对外形复杂的钢筋混凝土框架结构进行规则单元划分，同时还可以对抗震结构设计难度进行降低，但是因为防震缝两侧位置需要搭建框架柱，在很大程度上提高了结构施工难度，同时还会对煤炭工业建筑的投入使用产生重大影响，假如有地震发生，防震缝两侧框架结构必然会发生塑性变形，导致框架结构因膨胀而发生损坏。因此，防震缝应该结合建筑实际情况进行采用，当遇到复杂地形，框架结构尽量不要使用防震缝，而是采取其他有效措施增加框架结构的强度。
4 优化混凝土框架结构设计的细节优化策略
4.1 严格控制混凝土框架结构尺寸
施工场所的环境温度对于施工质量有一定影响，施工温度较高或较低都会在一定程度上影响施工材料的性能，因此要对环境温度进行控制。施工完毕后，由于外部载荷的影响使得施工材料出现一定程度的形变，使得混凝土框架结构不牢固乃至表面出现裂隙等情况。为了避免此类问题的产生，应当对混凝土框架结构设计进行高精度科学合理的设计，特别要注意建筑结构尺寸精确合理。将设计重点放在建筑结构中的非线性部分，通过简化整体结构的方式提高建筑结构的稳定性和受力均匀性。
4.2 梁体与柱体中心线重合
混凝土框架结构设计过程中，对于梁体和柱体中心的重合度要求较高，一旦发现柱体同中心线没有重合的情况，应当及时由相关人员进行调整，避免由于不重合问题导致的工程结构质量问题。设计方案的制定需要考虑实际施工条件对于工程周期的影响，保证工程按时完成。从框架结构设计角度而言，框架结构的梁体和柱体中心线的重合度对于建筑结构的稳定性有着重要影响。所以，设计者需要根据建筑构成确定恰当的设计形式，计算出科学合理的中心线偏心距，保证混凝土框架结构的安全性和稳定性。
节点有效抗剪面积对于节点抗剪承载力高低有着重要影响，通常采用界面宽度对偏心节点的有效抗剪面积进行计算。
4.3 结合公式确定柱体构造形式
通常情况下，混凝土框架的柱端需要同时承受剪力和弯矩。柱体剪跨比通过下式计算:
X=M/Vh0
公式中:h0—沿弯矩方向柱截面的有效高度；V—剪力；M—弯矩。如果X≤1.5，选取极短柱；如果1.5
4.4 梁端弯矩调幅问题
设计过程中由于梁端负弯矩较大，配筋较多难以进行施工，因此通过竖向荷载的作用，使得塑性内力重新分布，采用梁端弯矩降低的方式进行配筋。依照相关标准，现浇框架支座弯矩调幅系数在0.8～0.9间，整体式框架调幅系数在0.7～0.8间。支座弯矩下降后，通过塑性内力重新分布的方式提高跨中弯矩。此外要求仅能在竖向荷载作用产生的梁端弯矩的情况下进行调幅，对于水平荷载作用产生的梁端弯矩不适用。设计人员应当严格遵守这一规范，应当在配筋计算过程中对于内力设计值进行调幅。具体方式为先对竖向荷载产生的弯矩调幅，之后同水平荷载产生的弯矩组合。
4.5 风荷载作用下的框架柱剪力计算问题
当前采用直接取计算单元承受风荷载面积的大小的方式，对框架柱的内力进行计算，相关研究表明该方式同实际数值存在较大差异。在建筑物自身结构规则匀称的情况下，该方式的计算结果精度较高，在建筑物自身结构不规则或构件分布不规则的情况下，该方式计算结果精度较低，主要原因是将中间棍框架依照受风面积进行计算，导致计算内力结果偏小。本文关注风荷载作用，将建筑物当成整体进行研究，现浇框架以及装配式钢筋混凝土多层框架结构，设定楼板在自身平面内的刚度无限大，也就是楼板在该平面内不产生挠曲变形，在水平载荷的作用下相同楼层的各柱侧移量一致，楼层剪力依照侧移刚度进行分配。
4.6 细节处理
混凝土框架工业建筑结构设计过程中应当严格遵守当地的法律法规，同时兼顾工程建筑的相关要求，包括设计类型以及功能特征等。因此在进行结构设计的过程中，尤其应当注意抗震构造措施以及结构设计的相关标准。
建筑结构布置以及楼层对于建筑防震作用存在显著影响。采用统一级别的混凝土进行施工建设能够显著减少其对建筑物防震功能的影响。除此之外，应当保证柱长在标准范围内，优化建筑结构的地震响应以及计算模型，在结构设计过程中重点考虑框架梁截面相关内容，框架结构中电梯井壁设计的方案应当根据实际施工情况进行调整。比如，构件最小配筋率验算过程中，需要根据实际情况进行参数选取，如果发现建筑结构设计存在不妥之处，需要及时终止施工，进行方案的调整，重新制定科学合理的施工方案并进行施工安排。
5 结 语
在进行框架结构设计时，必须要和实时抗震情况相结合，只有如此才能设计出性能优良的抗震结构，从而为煤矿工业建筑的推广应用提供安全保障。
