單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及地震作用分析

吳智華

摘? 要：文章主要以單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及地震作用為中心，分別從三個(gè)方面深入剖析，首先對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，其次對(duì)地震作用分析詳細(xì)探索，最后總結(jié)兩點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)，目的在于進(jìn)一步保證單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房的穩(wěn)定性與安全性。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)廠房;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);地震作用;動(dòng)力特征

中圖分類號(hào)：TU391? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）14-0091-02

Abstract： In this paper， aiming at the structural design and seismic action of single-story multi-span steel structure workshop， it is deeply analyzed from three aspects. Firstly， the structural design of steel structure workshop is studied， and secondly， the seismic action analysis is explored in detail. Finally， the matters needing attention in the design of two points are summarized in order to ensure the stability and safety of the single-story multi-span steel structure factory building.

Keywords： steel structure workshop; structural design; seismic action; dynamic characteristics

對(duì)于單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及地震作用分析，必須清楚認(rèn)識(shí)單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房組成，具體包括柱子、屋頂?shù)?，主要建造材料為鋼結(jié)構(gòu)，是十分常見的工業(yè)廠房類型。當(dāng)前工作現(xiàn)代化發(fā)展步伐加快，與此同時(shí)很多冶金領(lǐng)域發(fā)展范圍擴(kuò)展，對(duì)單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及地震作用提出嚴(yán)格要求。改善傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)廠房施工中，使用年限短、自身重、不可回收等局限，真正做到單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房的節(jié)能環(huán)保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)其使用年限的同時(shí)，將施工周期縮短，減輕自身重量，為工業(yè)發(fā)展全面貫徹綠色節(jié)能環(huán)保理念創(chuàng)造條件。

1 單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

面對(duì)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展對(duì)廠房結(jié)構(gòu)提出的高要求與標(biāo)準(zhǔn)，積極提出單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)理念，并且結(jié)合實(shí)際廠房設(shè)計(jì)需要，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，積極從在鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)期間，動(dòng)力特性與結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計(jì)角度出發(fā)，充分認(rèn)識(shí)到單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房對(duì)工業(yè)化發(fā)展的重要性。

1.1 動(dòng)力特征鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須認(rèn)識(shí)到動(dòng)力特征對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，動(dòng)力特征分析需要有限元軟件SPA的支持完成操作。有限元軟件SPA具體包括有點(diǎn)單元、體單元、線單元與面單元。四個(gè)單元分別對(duì)單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。具體體現(xiàn)在靜動(dòng)力計(jì)算、有限元、線性、非線性等方面。有限元軟件主要從單層多跨鋼結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，對(duì)廠房空間進(jìn)行動(dòng)力特征分析，從而確定廠房空間結(jié)構(gòu)。結(jié)合動(dòng)力特征分析的方式，提前建立好空間結(jié)構(gòu)模型，利用空間結(jié)構(gòu)模型劃分具體單元，同時(shí)采取網(wǎng)格劃分的方式，實(shí)現(xiàn)墻面板、檁條以及屋面板等在單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房中的自重減輕，實(shí)現(xiàn)鋼柱梁重力的均攤[1]。利用有限元軟件對(duì)模型中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開分析，及時(shí)將廠房空間結(jié)構(gòu)情況加以了解，隨后制定不同階層的振型圖，理清其中模型變化周期，及時(shí)統(tǒng)計(jì)特征頻率表。根據(jù)有限元軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房中一榀鋼架的研究與動(dòng)力特征分析，認(rèn)識(shí)到一榀鋼架其振型全部為平面外圍狀態(tài)，并且與其他位置的鋼結(jié)構(gòu)相比剛度較小，如果不能有效控制，極易出現(xiàn)左右擺動(dòng)，影響鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)安全。觀察鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)振型圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同階段，變形方向、鋼結(jié)構(gòu)位移等都存在明顯區(qū)別，其中變形也劃分為多種模式，比如扭轉(zhuǎn)變形、整體變形或者平動(dòng)變形等。鋼結(jié)構(gòu)順著一個(gè)方向延伸，其中結(jié)構(gòu)中很多位置都會(huì)出現(xiàn)較大位移變化，這期間就需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中注意，控制鋼梁截面大小，以此來(lái)控制鋼結(jié)構(gòu)的位移變化。但是相對(duì)方向如果支撐力不足，也會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形現(xiàn)象，所以在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須注意雙向鋼結(jié)構(gòu)位移情況，防止各種變形問(wèn)題的出現(xiàn)。

1.2 單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還要根據(jù)單層多跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，綜合考慮其多方面影響因素，必須做到每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都能夠得到有效控制。單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，廠房的鋼梁、橫縱跨度以及廠房柱網(wǎng)等，都會(huì)影響到最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，柱網(wǎng)設(shè)計(jì)必須根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，充分考慮施工與維護(hù)工作，為柱網(wǎng)后期維護(hù)創(chuàng)造有利條件，確保隨時(shí)能夠檢查柱網(wǎng)的柱距是否統(tǒng)一[2]。根據(jù)檢查情況確定廠房橫縱跨度與剛度，進(jìn)而滿足鋼結(jié)構(gòu)廠房建筑對(duì)柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)的需求，提高單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、功能性與經(jīng)濟(jì)性、鋼結(jié)構(gòu)廠房柱網(wǎng)設(shè)計(jì)期間，還涉及到鋼結(jié)構(gòu)廠房的伸縮縫位置、尺寸等方面，這些方面的科學(xué)設(shè)計(jì)，保證廠房橫縱柱網(wǎng)尺寸。具體設(shè)計(jì)中需要注意，廠房橫向跨度、縱向跨度之間，必須確保柱距符合廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定。其中廠房橫向跨度中，設(shè)計(jì)主要以3m倍數(shù)為主，縱向柱網(wǎng)尺寸設(shè)計(jì)則以6m為主。鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)過(guò)程中，橫向跨度設(shè)計(jì)期間，需要考慮到廠房中設(shè)備、生產(chǎn)線、物流、管理以及人員流動(dòng)等因素，還要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與廠房實(shí)際應(yīng)用等，選擇專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行技術(shù)分析與規(guī)劃，確保單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理。

2 單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房的地震作用研究

不管是任何建筑，都必須認(rèn)識(shí)到抗震的重要性。單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，也需要結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀磺闆r，增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)廠房的地震作用，從而保證鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全與工業(yè)發(fā)展的安全。對(duì)于單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房地震作用，主要從地震作用特點(diǎn)分析、計(jì)算、地震作用分析等方面展開。

2.1 地震作用特點(diǎn)

單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，地震作為其建筑結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的重要影響因素，一直困擾著鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展，并且十分受到工業(yè)行業(yè)的關(guān)注與重視。鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)師研究重點(diǎn)環(huán)節(jié)。當(dāng)前我國(guó)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)要求越來(lái)越嚴(yán)格，在此背景下，傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)展行業(yè)積極創(chuàng)新改革，不斷采取有效措施提高工業(yè)生產(chǎn)廠房的抗震能力，并且提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。但是抗震設(shè)計(jì)中，頻繁出現(xiàn)雪荷載加大、風(fēng)荷載加大、自然因素變化頻繁等情況，相對(duì)來(lái)講在一定程度上增加了廠房建筑的造價(jià)，所以為工業(yè)發(fā)展帶來(lái)巨大壓力。特別是部分工業(yè)生產(chǎn)建造中，對(duì)于廠房建筑的鋼材使用量并不大，不能滿足廠房承壓需求，與輕鋼廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重不符，體現(xiàn)出廠房建筑施工的局限性，缺少經(jīng)濟(jì)適用性[3]。面對(duì)這種情況，必須認(rèn)識(shí)到鋼結(jié)構(gòu)廠房在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不足，從地震作用角度進(jìn)行分析，由此進(jìn)一步提高單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)科學(xué)性，并且增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)廠房的實(shí)用性。地震作用的分析，其本身能夠?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，尤其是具體設(shè)計(jì)中，能夠根據(jù)掌握的地面運(yùn)動(dòng)制定適當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)地質(zhì)變化進(jìn)行間接性動(dòng)態(tài)監(jiān)督，具體考慮因素包括地震速度、加速度與位移等。結(jié)合具體地震發(fā)生的特點(diǎn)，突發(fā)性、偶然性與短暫性、破壞性等，分析這期間廠房結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的短暫性動(dòng)力變化，具體體現(xiàn)在橫向與豎向作用方面。通過(guò)相關(guān)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，相較于水平地震作用，其本身作為單層跨度鋼結(jié)構(gòu)廠房，因?yàn)樯婕胺秶鷱V，所以必須結(jié)合地震作用特點(diǎn)，準(zhǔn)確計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，確保地震作用計(jì)算到位，鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到位。

2.2 地震作用計(jì)算

地震作用計(jì)算，主要包括底部剪力法、時(shí)程分析法與振型分解反應(yīng)譜法。其中振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，基本原理在于單自由度體系加速度計(jì)算，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出反應(yīng)譜，同時(shí)根據(jù)地震作用運(yùn)行與分解原理，準(zhǔn)確從振型角度出發(fā)進(jìn)行地震計(jì)算。統(tǒng)一振型對(duì)應(yīng)地震作用效應(yīng)，并且按照自由度體系將地震效應(yīng)呈現(xiàn)出來(lái)。此方法計(jì)算比較適合自由度體系地震作用計(jì)算。相較于振型分解反映譜法，時(shí)程分析法，則以結(jié)構(gòu)基本運(yùn)動(dòng)方程為著入點(diǎn)，準(zhǔn)確記錄地面加速度，并且通過(guò)方程積分的方式，準(zhǔn)確分析出整個(gè)時(shí)間段的地震作用。將地震波帶入到地震作用計(jì)算中，從地震開始到結(jié)束一直進(jìn)行積分，將此方法與底部剪力法相結(jié)合，嚴(yán)格控制地震內(nèi)力情況，防止鋼結(jié)構(gòu)廠房出現(xiàn)較大變形，跟隨規(guī)律變化而調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以時(shí)程分析法在單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為適合。

2.3 地震作用對(duì)單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房的影響研究

單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵循《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，并且結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際發(fā)展情況，科學(xué)展開抗震設(shè)計(jì)。單層多跨鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合地震加速計(jì)算數(shù)據(jù)，將其設(shè)計(jì)為0.2g，并且梳理其中特征周期，根據(jù)實(shí)際情況周期設(shè)置0.56s。一般情況下單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房，其本身的工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跨度較大，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中在地震作用下，積極進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，掌握鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，選擇重要節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確保鋼結(jié)構(gòu)廠房中涉及到的每榀鋼架編號(hào)都十分明確[4]。完成數(shù)據(jù)采集之后，計(jì)算地震作用利用時(shí)程分析法，記錄地面加速度，繪制地震加速度反應(yīng)譜。準(zhǔn)確分析地震反應(yīng)譜中所展示的振幅、頻譜等內(nèi)容。并且根據(jù)地震變化影響系數(shù)，將其與動(dòng)力系數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素相結(jié)合，由此增強(qiáng)單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全能力。

3 單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

對(duì)于單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，積極發(fā)揮地震作用的同時(shí)，在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還要注意以下事項(xiàng)：第一，在單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須對(duì)柱網(wǎng)尺寸嚴(yán)格把控。準(zhǔn)確計(jì)算柱網(wǎng)尺寸，確保柱網(wǎng)尺寸符合施工要求的同時(shí)，將其與廠房施工的地址條件相互參考，從而確保打樁方法制定合理。單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房在施工建設(shè)期間相對(duì)復(fù)雜，注意鋼結(jié)構(gòu)橫向與豎向變化，科學(xué)控制方法基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)好維護(hù)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，進(jìn)而確保鋼結(jié)構(gòu)廠房施工安全。第二，注意單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，柱類型的選擇至關(guān)重要。柱的長(zhǎng)度、寬度等都要十分精確，根據(jù)自身建筑可能產(chǎn)生的負(fù)荷，將其科學(xué)分散到柱的身上，減輕鋼結(jié)構(gòu)廠房本身的承載壓力。通過(guò)分離式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，拉大柱與柱之間的距離，充分利用柱慣性矩變化，保證鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，單層多跨鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與地震作用分析，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全至關(guān)重要。科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幫助鋼結(jié)構(gòu)廠房有效控制施工成本，同時(shí)真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展要求，做到節(jié)能環(huán)保。地震作用提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震能力，保證鋼結(jié)構(gòu)廠房的建設(shè)與使用穩(wěn)定性。

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