關(guān)于單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【摘要】近些年來，世界各地頻繁發(fā)生地震，帶來的房屋倒塌、人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，讓我們深刻體會到了建筑物在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮抗震的重要性，作為一名結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師更是如此。但是，由于地震有著復(fù)雜性和不確定性的特點(diǎn)，以目前的科技手段還很難完全掌握地震的發(fā)生規(guī)律。因此，通過對單層工業(yè)廠房在地震中的破壞現(xiàn)象，分析其破壞的原因，對震后的恢復(fù)重建具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)價(jià)值，并可作為今后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。下面就從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件連接方面來分析單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計(jì)原則和所須注意的問題。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；工業(yè)廠房；抗震設(shè)計(jì)

一、結(jié)構(gòu)體系

一般單層鋼結(jié)構(gòu)廠房采用框架支撐體系，即橫向設(shè)計(jì)成剛接框架，縱向設(shè)計(jì)成柱間支撐體系，這種體系經(jīng)濟(jì)節(jié)約，但柱間支撐可能會影響使用功能。這種形式特別適用于縱向較長，橫向較短的單層工業(yè)廠房。

1、截面設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)廠房與鋼筋混凝土房屋一樣，同樣應(yīng)遵守強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)基本原則。

1.1 強(qiáng)柱弱粱。指在粱柱連接節(jié)點(diǎn)處柱端實(shí)際受彎承載力要大于梁端實(shí)際受彎承載力。一般采用增大柱端彎矩的做法。也就是使框架結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)在梁端的設(shè)計(jì)要求，用以提高結(jié)構(gòu)的變形能力，防止在強(qiáng)烈地震作用下倒塌?！皬?qiáng)柱弱梁”不僅是手段，也是目的，其手段表現(xiàn)在人們認(rèn)為對柱的設(shè)計(jì)彎矩放大，對梁不放大。其目的表現(xiàn)在調(diào)整后，柱的抗彎能力比之前強(qiáng)了，而梁不變。即柱的能力提高程度比梁大。這樣梁柱一起受力時(shí)，梁端可以先于柱屈服。

1.2 強(qiáng)剪弱彎。指避免構(gòu)件（梁、柱、墻）剪力較大的部位在梁端達(dá)到塑性變形能力極限之前發(fā)生非延性破壞，即控制脆性破壞形式的發(fā)生。也就是說結(jié)構(gòu)（框架梁、柱）的抗剪承載力要大于抗彎承載力，目的是控制構(gòu)件發(fā)生彎曲破壞，而不是剪切破壞，避免脆性破壞，充分發(fā)揮塑性鉸的能力。

1.3 強(qiáng)節(jié)點(diǎn)若構(gòu)件。以下為在設(shè)計(jì)中加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的措施：（1）構(gòu)造保證。①增加連接強(qiáng)度，如增加焊縫厚度和螺栓大小。②梁端加腋或加隅撐。③加厚梁柱節(jié)點(diǎn)域的腹板厚度或增設(shè)水平和斜向加勁肋。（2）計(jì)算保證。①按抗震彈性設(shè)計(jì)：計(jì)算中考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)為0.85，初步確定焊縫尺寸或螺栓數(shù)量、間距、直徑。②按以上確定的焊縫尺寸或螺栓數(shù)量、間距、直徑驗(yàn)算連接的抗震極限受彎、受拉和拼接承載力是否大于其構(gòu)件的屈服承載力，并留有一定的裕量。

2、支撐體系

屋面支撐和柱間支撐是保證單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要構(gòu)件，尤其是柱間支撐，在地震中常出現(xiàn)支撐斜桿的扭曲，隨之引起支撐與鋼柱連接節(jié)點(diǎn)的破壞，而交叉式支撐中部的連接處則出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)板扭曲變形。當(dāng)支撐與柱的連接節(jié)點(diǎn)為焊接時(shí)，其破壞特征多呈現(xiàn)為焊縫斷裂或節(jié)點(diǎn)板撕裂，或者將連接處鋼柱腹板拉裂；當(dāng)支撐與柱子連接節(jié)點(diǎn)為螺栓連接時(shí)，多呈現(xiàn)為：螺栓孔處的節(jié)點(diǎn)板斷裂，支撐桿端的連接孔處斷裂、連接螺栓剪斷、支撐螺栓連接端部板開裂、支撐節(jié)點(diǎn)板與柱剪斷等破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，螺栓連接的支撐破壞高于焊接連接。故在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，支撐連接宜優(yōu)先選用焊接連接，在實(shí)際工程中也有螺栓連接和焊接連接同時(shí)使用的情況。柱間支撐的設(shè)置和構(gòu)造，應(yīng)符合下列要求：（1）一般情況下，應(yīng)在廠房單元中部設(shè)置上下柱間支撐，且下柱支撐應(yīng)與上柱支撐配套設(shè)置；（2）有起重機(jī)或8度和9度時(shí)，宜在廠房單元兩端增設(shè)上柱支撐；（3）廠房單元較長或8度III、Ⅳ類場地和9度時(shí)，可在廠房單元中部1/3區(qū)段內(nèi)設(shè)置兩道柱間支撐。（4）下柱支撐的下節(jié)點(diǎn)位置和構(gòu)造措施，應(yīng)保證將地震作用直接傳給基礎(chǔ)；當(dāng)6度和7度（0.109）不能直接傳給基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)計(jì)及支撐對柱和基礎(chǔ)的不利影響采取加強(qiáng)措施。（5）交叉支撐在交叉點(diǎn)應(yīng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)板，其厚度不應(yīng)小于lOmm，斜桿與交叉節(jié)點(diǎn)板應(yīng)焊接，與端節(jié)點(diǎn)板宜焊接。

3、圍護(hù)結(jié)構(gòu)

維護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞多由于拉結(jié)不足或者高寬比比較大造成破壞，在以后的設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)柱與墻的拉結(jié)，調(diào)整高寬比，局部可采用框架、輕質(zhì)圍護(hù)墻等措施減少震害。

二、構(gòu)件連接

1、節(jié)點(diǎn)脆性破壞原理

眾多學(xué)者的研究表明，節(jié)點(diǎn)的脆性破壞原因主要是由焊縫的質(zhì)量和較高的二向應(yīng)力引起。節(jié)點(diǎn)脆性破壞的典型模式為：脆性裂紋自梁下翼緣與柱翼緣相交焊縫處，通過不同途徑擴(kuò)展，導(dǎo)致多種多樣的斷裂模式。相關(guān)學(xué)者一共總結(jié)了8種裂紋形式，其中有7類裂紋起源于梁下翼緣和柱翼緣的交叉區(qū)域，這充分說明了節(jié)點(diǎn)的梁底部翼緣焊接區(qū)是發(fā)生脆性破壞的主要區(qū)域，具體的破壞原因可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：首先是結(jié)構(gòu)在焊接過程中的問題。在焊接過程中容易產(chǎn)生各種影響因素，包括焊縫金屬的沖擊韌性低和焊縫存在的缺陷，這些都是應(yīng)力集中可能產(chǎn)生的結(jié)果。在地震力作用下，梁柱的節(jié)點(diǎn)外應(yīng)力值較大且狀態(tài)復(fù)雜，焊接部位的鋼材往往處于二向應(yīng)力狀態(tài)，從而使節(jié)點(diǎn)焊縫截面成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。而鋼材的韌性，僅在較細(xì)的桿件處于單軸應(yīng)力狀態(tài)下才得以充分發(fā)揮，當(dāng)其處于三向應(yīng)力狀態(tài)下，就很難充分發(fā)揮材料的優(yōu)勢性能，從而就會在沒有明顯屈服現(xiàn)象的情況下發(fā)生脆性破壞。其次，在坡口焊縫處的襯板和引弧板造成的“人工”裂縫的存在，也會使裂縫尖端的應(yīng)力極度系數(shù)超過臨界值，從而引發(fā)不穩(wěn)定斷裂。再次，梁柱連接處的鋼材因受到約束不能轉(zhuǎn)動，尤其是當(dāng)柱翼緣板材較厚時(shí)，這種約束使梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼材不能屈服，從而加劇了該處焊縫的局部高應(yīng)力，也增大了再焊縫缺陷中引發(fā)裂縫的幾率。另外還有柱節(jié)點(diǎn)板域過大的剪切屈服變形，組合樓板產(chǎn)生的負(fù)面影響等其他多種因素。

2、梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原則

鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)的基本設(shè)計(jì)原則就是節(jié)點(diǎn)必須能夠完全傳遞被連接板件的彎矩和剪力，充分發(fā)揮鋼材的塑性性能，保證鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下少發(fā)生甚至不發(fā)生脆性破壞。據(jù)此提出的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，概括起來為如下幾點(diǎn)：①將塑性鉸的位置外移；②對梁翼緣焊縫襯板缺口效應(yīng)進(jìn)行處理；③改進(jìn)形切角構(gòu)造；④選用有較高沖擊韌性的焊縫；⑤將梁腹板與柱子焊接。

在抗震設(shè)計(jì)中，直接的滿焊焊接可能無法滿足要求，要通過抗震措施來加強(qiáng)。目前，主要采用將塑性鉸自梁端外移來避免強(qiáng)震下梁柱連接外焊縫破壞的做法，其常用的方法有以下幾種：①加強(qiáng)梁端截面；②局部削弱梁截面；③狗骨式與梁端加強(qiáng)式相結(jié)合的做法。這幾種方法的目的都是相對地加大梁端的局部截面，減小該處的局部應(yīng)力，確保結(jié)構(gòu)發(fā)生延性破壞。但在節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)時(shí)應(yīng)十分注意，不要因此而出現(xiàn)弱柱的情況，否則違背強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)原則。

另外，還應(yīng)注意以下構(gòu)造措施：①梁與柱剛性連接時(shí)，按抗震設(shè)防要求，柱在梁翼緣上下各500ram的節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)，柱翼緣與柱腹板間或箱型柱壁板間的組合焊縫，應(yīng)采用全焊透剖口焊縫；②當(dāng)梁翼緣的塑性截面模量小于全截面塑性截面模量的70%時(shí)梁腹板與柱的連接螺栓不得少于兩列。當(dāng)僅需要一列時(shí)，仍應(yīng)布置兩列，且螺栓總數(shù)不得少于計(jì)算值的1.5倍；③螺栓孔等對粱全截面的削弱率不應(yīng)大于25%。通過這些構(gòu)造措施的改進(jìn)，就能保證在大震作用下，梁上出現(xiàn)塑性鉸，從而減輕震害，實(shí)現(xiàn)大震不倒的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

三、結(jié)語

本文從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件連接等方面概括了單層鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的抗震原則和要求。從而讓我們了解到，在設(shè)計(jì)單層工業(yè)廠房時(shí)，應(yīng)從提高廠房整體的抗震性能著手，使廠房在總體上滿足抗震的要求，而不僅僅考慮局部構(gòu)件和部位，隨著對地震作用研究的深入，對地震設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)也越來越全面。近年來多地發(fā)生地震也使抗震設(shè)計(jì)越來越受到重視，工業(yè)廠房的抗震設(shè)計(jì)發(fā)展前景將會更廣闊。