關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的抗震設(shè)計分析

蔡勇發(fā)東南鋁業(yè)有限公司（361000）

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關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的抗震設(shè)計分析

蔡勇發(fā)
東南鋁業(yè)有限公司（361000）

摘要：主要從結(jié)構(gòu)類型、高度限制、抗震原理這些方面對鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的抗震設(shè)計進行探討，闡述了包括防震縫、鋼柱腳、截面及樓蓋等關(guān)鍵環(huán)節(jié)在內(nèi)的設(shè)計要點，對鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)布置中的注意事項作出了強調(diào)，以指導(dǎo)實踐。

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

0　前言

近幾年，地震比較頻繁，造成了房屋坍塌、人員傷亡和經(jīng)濟損失等多方面的重大事故，因此我們開始充分考慮建筑物的抗震性能。由于地震比較復(fù)雜，不確定因素多，很難把握地震的規(guī)律。因此在對建筑物的抗震進行設(shè)計時，理論數(shù)據(jù)的局限性大大限制了設(shè)計的可靠性。如果將目光放在結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng)上，按照結(jié)構(gòu)的破壞機制以及破壞過程，對抗震設(shè)計準(zhǔn)則靈活運用，可以從大量的地震災(zāi)害機理和設(shè)計實踐中得出：結(jié)構(gòu)布置的合理性至關(guān)重要。

鋼結(jié)構(gòu)是一種新型結(jié)構(gòu)，在工業(yè)建筑中已經(jīng)是屢見不鮮了。例如焦化廠、電廠中棧橋（桁架結(jié)構(gòu)），轉(zhuǎn)運站（框架結(jié)構(gòu)），單層廠房（排架結(jié)構(gòu)）等。

1　結(jié)構(gòu)的類型及高度限制

1.1鋼結(jié)構(gòu)適用的結(jié)構(gòu)類型

1）框架結(jié)構(gòu)

純框架結(jié)構(gòu)可單獨承擔(dān)側(cè)向力，可在不超過12層的結(jié)構(gòu)或較低的高層鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，具有較好的延性。只不過純框架屬于柔性結(jié)構(gòu)，側(cè)向剛度小，故在層數(shù)和高度上受到了一定的限制。框架結(jié)構(gòu)可靈活布置建筑平面，易于布置較大房間。

2）框架—中心支撐結(jié)構(gòu)

支撐構(gòu)件是抗側(cè)力構(gòu)件的支撐體系，與周邊框架組成的支撐框架形成了一個抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。交叉支撐是中心支撐比較適宜的一個方式，但也可采用人字（V形）支撐或是單斜桿支撐，K形支撐是不宜使用的。鋼支撐對增強框架的抗側(cè)剛度的效果比較顯著，同時還減少了側(cè)向位移，因此是抗震設(shè)計的一個比較重要的結(jié)構(gòu)類型。

3）框架—偏心支撐（延性墻板）結(jié)構(gòu)

每對支撐與梁的交點間形成消能梁段，或者是支撐與梁的交點和柱之間形成消能梁段是其結(jié)構(gòu)特點，每根支撐至少應(yīng)該有一端連著框架梁。支撐的位置取決于偏心支撐耗能梁段的設(shè)置部位。根據(jù)大量的震害經(jīng)驗，我們可以總結(jié)出，偏心支撐最好能夠采用消能梁段位于橫梁中部的支撐形式。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則是強柱、強支撐和弱消能梁段。

4）內(nèi)藏鋼支撐鋼筋混凝土剪力墻板結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)起抗震作用的主要原因是鋼板支撐承擔(dān)水平力，在外包鋼筋混凝土的彈性階段可以增加其水平剛度。

5）空間桁架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的結(jié)點在一般情況下都被看作成圓球鉸結(jié)點，連接圓球鉸的桿件可以通過鉸中心的任意一條軸線進行轉(zhuǎn)動。因此在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、塔架、起重機構(gòu)架等方面經(jīng)常應(yīng)用。

1.2高度限制

建筑適用的最大高度與結(jié)構(gòu)類型、設(shè)防烈度等因素有關(guān)。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中表8．1．1對鋼結(jié)構(gòu)房屋的最大高度作出相應(yīng)的規(guī)定。平面和豎向均不規(guī)則或建造于Ⅳ類場地的結(jié)構(gòu)，適用的最大高度應(yīng)適當(dāng)降低。對于超過表內(nèi)高度的房屋，應(yīng)進行專門研究和論證，采取有效的加強措施。

2　防震縫的設(shè)置

2.1防震縫設(shè)置原則

多層鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)平面布置、豎向布置應(yīng)遵守抗震設(shè)計中布置規(guī)則性的原則，一般可不設(shè)防震縫。GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定體型復(fù)雜、平立面不規(guī)則的建筑，應(yīng)根據(jù)不規(guī)則程度、地基基礎(chǔ)條件和技術(shù)經(jīng)濟等因素的比較分析，確定是否設(shè)置防震縫。

2.2防震縫的寬度

當(dāng)建筑物的高度不超過15 m時，防震縫寬度（縫兩側(cè)建筑物外邊緣之間距離）為120 mm，高度超過15 m時，6度、7度、8度、9度相應(yīng)每增加5 m、4 m、3 m、2 m時，防震縫宜加寬30 mm。由于鋼結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的規(guī)定限值較混凝土結(jié)構(gòu)大，防震縫的寬度不小于相應(yīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的1．5倍。

3　鋼柱腳的設(shè)計

3.1鋼柱腳的形式

通過對柱腳的受力分析，可以將其大致分為鉸接柱腳和剛性固定柱腳兩種形式。其中剛性固定柱腳還可以再分為外露式、埋入式和外包式柱腳。外包式一般在單層廠房、低層框架或高層的裙房中應(yīng)用，可以將其按鉸接或剛接進行設(shè)計。

高層的柱底為剛接，對抗震構(gòu)造的要求比較高，超過了12層的高層鋼結(jié)構(gòu)比較適宜的方式是埋入式柱腳，當(dāng)抗震烈度在6度、7度時也可采用外包式柱腳。

3.2鋼柱腳的埋入深度

1）埋入式柱腳

對輕型工字形柱，鋼柱腳的埋入深度不得小于鋼柱截面高度的2倍；對大截面H形鋼柱和箱形截面柱不得小于鋼柱截面高度的3倍。

2）外包式柱腳

將鋼柱直接置于地下室墻或基礎(chǔ)梁頂面。

4　截面設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)房屋與鋼筋混凝土房屋一樣，同樣應(yīng)遵守強柱弱梁、強剪弱彎和強節(jié)點弱構(gòu)件的抗震設(shè)計基本原則。

4.1強柱弱梁

梁端實際受彎承載力與節(jié)點處柱端實際受彎承載力相比要更小。一般采用的方式是增大柱端彎矩設(shè)計值。對結(jié)構(gòu)的變形能力進行提高，以便在強烈地震作用下樓房不倒塌。強柱弱梁不僅是一種手段，而且也是目的。手段表現(xiàn)在人們認(rèn)為對柱的設(shè)計彎矩放大，對梁的設(shè)計彎矩不放大。目的表現(xiàn)在調(diào)整后，柱的抗彎能力較之前相比更強了，梁的抗彎能力則不變。這樣梁、柱一起受力時，梁端可在柱之前屈服。

4.2強剪弱彎

強剪弱彎是指避免構(gòu)件（梁、柱、墻）剪力較大的部位在梁端達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。

4.3強節(jié)點弱構(gòu)件

以下為在設(shè)計中加強節(jié)點的措施：

1）構(gòu)造保證

增加連接強度，如增加焊縫和螺栓，梁端加腋或加隅撐，加厚梁柱節(jié)點域的腹板厚度或增設(shè)水平和斜向加勁肋。

2）計算保證

按抗震彈性設(shè)計：計算中抗震承載力調(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。按以上確定的焊縫尺寸或螺栓數(shù)量、間距、直徑驗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。

5　樓蓋結(jié)構(gòu)

壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板或鋼筋混凝土樓板比較適合鋼結(jié)構(gòu)房屋的樓蓋，同時還應(yīng)該和鋼梁有可靠的連接。在不超過12層的鋼結(jié)構(gòu)房屋中，可以采用裝配整體式鋼筋混凝土樓板和裝配式樓板。對于超過12層的高層鋼結(jié)構(gòu)樓蓋來說應(yīng)該采用壓型鋼板現(xiàn)澆鋼筋混凝土組合樓板或非組合樓板。但是對于那些樓蓋孔口相對來說較大、電梯間等削弱較大的樓板，則應(yīng)該在開洞旁設(shè)水平支撐，以此保證樓蓋平面內(nèi)剛度。

6　廠房的結(jié)構(gòu)布置

廠房復(fù)雜的體型和嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)受力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分析的難度比較大。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，則會在地震時造成嚴(yán)重的破壞。因此，廠房的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)該符合以下要求。即平面宜為矩形且簡單對稱；在結(jié)構(gòu)單元的平面內(nèi)，將框架、柱間支撐等抗側(cè)力構(gòu)件以對稱的方式進行布置；距離剛度中心比較近的部位應(yīng)該是那些質(zhì)量相對較大的設(shè)備。