学文网王雨顺（1981-），男，山东人。2002年毕业于山东大学土木工程专业，国家一级注册结构工程师。现从事石化工程结构设计工作。
[摘要]结合实际工程，简单讨论下石油化工项目变配电所抗震设计中常遇到的几个问题：建筑形体不规则性的影响、单跨框架问题、楼梯间对框架结构抗震设计的影响。
[关键词]抗震设计、不规则、单跨框架、楼梯间。
0. 前言
变配电所是石油化工项目中的重要建筑物，对其抗震设计应予以重视。《石油化工建（构）筑物抗震设防分类标准》（GB 50453-2008）[1]将其划分为乙类建筑，即“地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建（构）筑物和可能发生较严重的次生灾害的建构筑物”。
1. 工程概况
1.1. 结构形式及安全等级
本工程为福建中景石化园区新建化工项目公用工程中的35kV变配电所，为现浇钢筋混凝土结构，无地下室，地上三层，室内外高差为300mm，室外地面到主要屋面板板顶的高度为15.500m。
设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。
1.2. 地震作用参数
抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类[2]，特征周期为0.45s。
2. 建筑形体不规则性
2.
2.1. 不规则性的判定
建筑功能划分及空间布置详见***1（***中的剪力墙及抗震缝为结构专业要求增设）。
2.1.1. 平面规则性判断
建筑平面典型尺寸见***1，对照《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[3]（简称《高规》）***3.4.3，本工程主要平面尺寸为（不设缝时）：
长度方向尺寸：L=67m，b=7m； 宽度方向尺寸：B=13m，Bmax=21m，l=8m。平面尺寸及突出部位尺寸的比值为：L/B=5.1>4（长宽比偏大），l/Bmax=0.38>0.35（凸出部分比例过大），l/b=1.14>1（凸出部分长宽比较大）。参照《高规》3.4.3条条文说明：“平面过于狭长的建筑物在地震时由于两端地震波输入有位相差而容易产生不规则振动，产生较大的震害 [3]” ；“平面有较长的外伸时，外伸段容易产生局部振动而引发凹角处应力集中和破坏[3]”。
根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[4]（简称《抗规》）3.4.3条规定及其条文说明，l/Bmax=0.38>0.30，判定结构属于“平面凹凸不规则”类型。
通过PKPM系列软件的SATWE程序计算，可以发现，不设缝时，结构的扭转效应非常明显。例如：在X向规定水平力作用下（考虑偶然偏心），水平最大位移比为1.41；在Y向规定水平力作用下（考虑偶然偏心），最大层间位移比达到1.75。因此，结构属于典型“平面扭转不规则类型”[4]。
不设缝时，结构在9轴处会存在错层，错层高度（2100mm）超过结构梁高，且错层面积较大超过该层楼板总面积的30%，依据《抗规》3.4.3条条文说明，判定结构属于“楼板局部不连续”[4]。
综上所述，不设缝时，结构存在三种平面不规则类型，即：凹凸不规则、扭转不规则、楼板局部不连续，而且扭转效应非常明显。
2.1.2. 竖向规则性判断
经SATWE程序计算，不设缝时，结构无竖向不规则情况出现。.
2.2. 结构布置方案的确定
根据《抗规》3.4.1条条文说明的解释，当结构存在三种不规则类型时，应判定结构属于“特别不规则”[4]类型，说明结构布置（从抗震设计角度来说）很不合理。这种情况很大程度上是建筑方案先天存在的，而建筑空间很多方面又受到电气专业（主项专业）技术要求的约束和局限，调整余地不大。这种情况下，只能通过调整结构布置，尽量改善不规则程度。
2.2.1. 结构布置一次调整
首先尝试在9轴位置设置一道抗震缝，将原结构从基础顶面至屋面完全分开，变为两个***的单体，以解决错层问题（该抗震缝同时也将整个建筑的两大功能区分开，即变配电区域和辅助办公区域）。但SATWE程序试算表明：分开后的两个单体仍存在结构不规则问题。
1） 变配电区域：
长宽比偏大L/B=48/13=3.69，接近于4。
扭转位移比仍然偏大。例如：Y最大层间位移比达到1.89。
2） 辅助办公区域：
平面凹凸不规则。
平面扭转不规则。在X—偶然偏心地震作用下，平面凸出部分的边榀角部位置的层
间位移最大，为结构层间位移平均值的1.22倍。
二层层高为5800mm，而三层为4000mm，导致二层的侧移刚度（考虑了楼梯刚
度）小于三层侧移刚度的70%，按《抗规》规定，判定结构为沿竖向的侧向刚度不规则，二层为软弱层。
2.2.2. 结构方案二次调整
1） 变配电区域修改
经分析，位移比太大主要因为结构长宽比偏大，结构平面为沿X方向的细长形状，并有平面局部突出。为此，结构在5轴位置再设置一道抗震缝，将变配电区域分为两部分。调整后，各部分位移比均明显减小。
2） 辅助办公区域修改
通过减小三层柱截面（从而减小三层侧移刚度）后，二层的侧移刚度超过了三层侧移刚度的70%，二层不再是软弱层。对于平面凹凸不规则和扭转不规则的问题，只能调整结构内力并加强抗震构造措施。
综上所述，上部结构方案在两次修改后，有效减小了结构的扭转不规则程度，解决了错层问题，结构不再是特别不规则。最终结构分为三个***的单体，即“塔1”、“塔2”、“塔3”（见***1）。
3. 单跨框架问题
“塔1”及“塔2”的顶层在Y向均为单跨框架结构，且跨度较大，达到13m。这一方面造成顶层层间“抗侧刚度较小，更严重的是该层的结构超静定次数少，一旦柱子出现塑性铰（在强震作用下不可避免），出现连续倒塌的可能性很大，在汶川地震、台湾集集地震等历次地震中均有许多震害实例。”[5] 《抗规》第6.1.5条明确规定：“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”。考虑到“塔1”、“塔2”为乙类建筑，地震时使用功能不能中断，依据《抗规》第6.1.5条、6.1.3条及条文说明，并参考《高规》6.1.2条条文说明，分别在“塔1”和“塔2”的四角增加剪力墙（保证结构抗扭刚度的合理分布），剪力墙的截面尺寸和数量以使得底层框架部分所承担的地震倾覆力矩不超过50%作为控制指标，这样结构就成为具有两道抗震防线框架—剪力墙抗侧力体系，抗震性能明显增强。
4. 现浇楼梯对框架结构抗震设计的影响
塔3为框架结构，角部设一楼梯间，一层至二层楼梯为双跑，二层至三层楼梯为四跑，
梯板平面沿Y向布置。由于楼梯与框架整浇，抗震设计时应考虑楼梯对框架结构抗震设计的影响。
4.1. 规范规定
《抗规》第6.1.15条规定：“对于框架结构，楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则；楼梯构件与主体结构整浇时，应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响，应进行楼梯构件的抗震承载力验算；宜采取构造措施，减少楼梯构件对主体结构刚度的影响”。相应条文说明解释为：“对于框架结构，楼梯构件与主体结构整浇时，梯板起到斜支撑的作用，对结构刚度、承载力、规则性的影响比较大，应参与抗震计算；当采取措施，如梯板滑动支承于平台板，楼梯构件对结构刚度的影响较小，是否参与整体抗震计算差别不大。对于楼梯间设置刚度足够大的抗震墙的结构，楼梯构件对结构刚度的影响较小，也可不参与整体抗震计算。”
《高规》第6.1.4条规定：“楼梯间的布置应尽量减小其造成的结构平面不规则；宜采用现浇钢筋混凝土楼梯，楼梯结构应有足够的抗倒塌能力；宜采取措施减小楼梯对主体结构的影响；当钢筋混凝土楼梯与主体结构整体连接时，应考虑楼梯对地震作用及其效应的影响，并应对楼梯构件进行抗震承载力验算。”相应条文说明解释为：“抗震设计时，楼梯间为主要疏散通道，其结构应有足够的抗倒塌能力，楼梯应作为结构构件进行设计。框架结构中楼梯构件的组合内力设计值应包括与地震作用效应的组合，楼梯梁、柱的抗震等级应与框架结构本身相同。框架结构中，钢筋混凝土楼梯自身的刚度对结构地震作用和地震反应有着较大的影响，若楼梯布置不当会造成结构平面不规则，抗震设计时应尽量避免出现这种情况。震害调查中发现框架结构的楼梯梯板破坏严重，被拉断的情况非常普遍，因此应进行抗震设计，并加强构造措施，宜采用双排配筋。”
4.2. PKPM不同建模方式结果对比
对于楼梯间的考虑，目前在用PKPM的PMCAD程序建模时有两种不同的建模方式：
第一种建模方式：在模型中不布置楼梯。“这种方式将楼梯作为主体结构的附属构件，对楼梯结构进行简化计算。在PMCAD中将楼梯间的楼板厚度定义为零，仅仅将楼梯的竖向荷载传递到框架梁、柱或墙上，并未将楼梯的构件作为结构的一部分参与整体计算。而在楼梯构件设计中不考虑地震作用。梯板、梯柱、梯梁仅按各自的竖向荷载进行设计，而楼梯的抗震性能仅通过梯柱的箍筋加密等构造措施来保证”[6]。
第二种建模方式：在模型中布置楼梯。PMCAD可以在四边形房间中进行多种楼梯的布置。程序将楼梯梯板和休息平台分别转换成斜向及水平向的扁梁，用梁单元模拟；梯柱用斜杆单元来模拟，斜杆单元与柱单元具有相同的自由度，但布置更为灵活。[6][7]楼梯间的荷载需人工将面荷载转换成线荷载，然后按梁间荷载输入。
4.3. 两种模型计算结果比较
以下结合本工程，对上述两种建模方式的计算结果进行对比，来粗略考察楼梯对框架结构抗震设计的影响，主要包括对整体结构影响（如层间位移（角）、楼层作用力、各层侧移刚度、结构自振周期）、对框架结构构件内力影响（如框架梁、框架柱）及对楼梯构件内力影响（如梯梁、梯柱、梯板）。
1） 对整体结构影响
对比结果详见表1～表6。可以看出，计入楼梯影响后：结构自振周期（仅给出前3个）减小；框架结构各层X、Y两个方向的侧移刚度均增大，一、二层增大非常明显且两个方向增幅接近，三层增大很有限且Y向增幅相对更大些；一、二层平均层间位移双向均减小，三层平均层间位移双向均增大；各层地震反应力及层间剪力双向均增大，Y向更为明显。
2） 对框架结构构件内力影响
对比结果详见表7～表14（限于篇幅，仅给出柱1、柱2、梁1、梁2几个位置的
对比情况），可以发现，计入楼梯影响后：
对于楼梯间处框架梁柱（柱1、梁1）：框架柱轴力（正号为拉力）、剪力、弯矩均有明显增大，且一、二层增幅尤为显著，三层变化相对较小；框架柱剪力、弯矩变化与地震力方向存在明显不对应的情况，反映了结构存在明显扭转效应；框架梁内出现较大的轴力，梁端弯矩有一定的变化，且梁端弯矩的方向可能改变（梁的方位与地震方向垂直时）。
对于远离楼梯间的框架梁柱（柱2、梁2）：框架柱一、二层轴力无明显变化，三层轴力明显增大；一、二层剪力有增有减，增幅不大，三层剪力可能有较大增幅，且Y向更明显；一、三层柱弯矩Mx在X向地震工况下增幅非常显著（直接导致了柱子截面Y向边长增大，配筋增加明显），分析其原因，应是由于柱子位于结构平面的边榀，且该榀属于L型结构平面的短边，考虑楼梯刚度影响后，结构刚度中心向楼梯间方向大幅移动，导致远离楼梯间的边榀框架存在很大扭转效应。框架梁内没有出现轴力，梁端弯矩可能有一定的变化，且某些情况下（梁的方位与地震方向垂直时）梁端弯矩的方向发生了改变。
3） 对楼梯构件内力影响
限于篇幅，直接给出对比结果：在地震作用工况下，梯板内可能出现较大的拉力，梯柱内可能出现拉力，且双向受弯；梯梁受力复杂，轴力、弯矩、剪力、扭矩均存在。
5. 全文总结
1） 变配电室建筑由于功能的多样性和特殊性，建筑形体往往很不规则，抗震设计时应
注意对不规则类型的判断，调整结构布置，尽量减少不规则程度，择优选择规则的形体，使得结构抗侧力体系布置合理、传力明确、性能可靠，并应特别重视抗震概念设计，“不规则的建筑应按规定采取加强措施，特别不规则的建筑应进行研究和论证，采取特别的加强措施，严重不规则的建筑不应采用”[4]。
2） 电气专业常要求配电室房间内部做成大空间（房间内不允许有柱），造成单跨框
架结构。这种结构超静定次数少，在强震作用下容易出现连续倒塌，抗震设计时应引起重视，应首先根据具体情况进行判断，必要时应采取可靠的加强措施。通过增加一定数量的剪力墙，使结构变为框架—剪力墙体系是一种可行的思路。
3） 楼梯与框架结构整浇时，梯板起到斜支撑的作用，对整体结构刚度、承载力、规
则性的影响比较大，应参与抗震计算。在地震作用工况下，框架结构构件内力可能会发生很大的变化；楼梯的梯板内可能出现较大的拉力，梯柱内可能出现拉力，且双向受弯，梯梁受力复杂，轴力、弯矩、剪力、扭矩均存在。抗震设计时应充分考虑楼梯的影响，合理确定构件内力，加强抗震构造措施。
4） 通过采用梯板滑动支承于平台板从而忽略楼梯构件对结构刚度的影响的做法，建
议在进行可靠论证、搜集试验数据、积累足够工程经验后再决定是否采用。
参考文献
[1] GB 50453-2008石油化工建（构）筑物抗震设防分类标准[S].北京：中国计划出版社，2008.
[2] 化工部福州地质工程勘察院.中景石化项目35kV变电站工程岩土工程勘察报告[R]，2013.
[3] JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]，北京：中国建筑工业出版社，2010.
[4] GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S]，北京：中国建筑工业出版社，2010.
[5]易方民，高小旺，苏经宇.建筑抗震设计规范理解与应用 [M]，北京：中国建筑工业出版社，2011.
[6]张翼.钢筋砼楼梯抗震性能设计研究[D].南京：东南大学，2010.
[7]中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司设计软件事业部（PKPM CAD工程部）.结构平面CAD软件PMCAD（2010版）用户手册及技术条件[R].2011
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