淺析鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房結構抗力

摘要：通過對汶川地震中鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房的震害進行調查研究，確定鋼單層工業廠房影響結構抗力主要因素及其選取依據，進而提出增強鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房結構抗力的設計要點。

關鍵詞：鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房；典型震害；結構抗力；設計要點

引言：

本文首先以汶川地震中鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房的典型震害進行實例分析來說明鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房的典型震害，包括屋蓋結構、柱子及支撐、圍護結構等3個方面，進而確定鋼單層工業廠房影響結構抗力主要因素及其選取依據，最后從鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房抗震設計的要點出發，為增強鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房結構抗力提出指導性意見。

一、鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房的典型震害及汶川地震中案例分析

1.1工業廠房屋蓋系統結構嚴重破壞

采用鋼筋混凝土屋架及屋面板的工業廠房在地震中容易發生嚴重破壞，強烈的地震作用使得這種整體性差、重量大的屋蓋結構系統大批墜落，個別廠房結構解體破壞。

①強烈的地震作用使得鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房柱的頂面與屋架連接處的連接焊縫及螺栓被剪斷，或預埋件被拔出，從而使得柱頂與屋架的連接失效，在地震中屋架產生縱向或橫向位移錯動，最終喪失鋼筋混凝土柱的支撐，屋面板與屋架一起墜落。

②由于屋架與屋面板的焊接不良，或連接件嚴重銹蝕，在強烈的地震作用下，屋架與屋面板的連接松動脫空，使屋面板在地震晃動中滑脫下墜。

③廠房位于邊坡附近，地震時處于更為不利的條件，加劇了地基基礎的變形，在強烈地震的反復作用下，承重柱失穩傾斜，圍護墻坍塌，吊車梁塌落，最終屋蓋系統失去承重條件而導致落頂，使得整個工業廠房結構破壞，廠房內的人員及昂貴設備損失慘重。

1.2柱子及支撐的震害

①柱子嚴重破壞導致屋蓋坍塌。廠房屬多跨單層廠房，邊柱為矩形截面，地震后基本完好；中柱為雙肢大空腹薄壁柱，每個肢是槽型鋼筋混凝土截面，柱子的整體工作能力顯然太差，下柱局部破壞嚴重，上柱的破壞更為嚴重，有的甚至在全高范圍內被壓碎，只剩下零零星星的幾根鋼筋，最終導致屋蓋的全面坍塌。

②鋼單層鋼筋混凝土柱與吊車梁頂面連接處發生剪切裂縫。由于汶川地震前的工業廠房設計中均未考慮到抗震設計，所以在汶川地震中工業廠房柱子與吊車梁頂面連接處發生了嚴重的剪切裂縫如圖1。吊車梁平面內通過牛腿傳遞水平力，平面外則通過吊車梁頂傳到排架柱上柱，此處應該箍筋局部加密以達到抗剪目的。

③在汶川地震作用下，先發生抗風柱與屋架上弦連接的彈簧板與柱頂預埋件焊縫被剪斷，或連接被拉脫，在柱頂連接失去作用后，抗風柱處于懸臂狀態，在地震后續作用下，抗風柱上段柱從根部折斷，連同上部山墻一起傾倒。具體震害見圖2。

1.3圍護結構的震害

造成大部分鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房的封墻局部脫落或大面積倒塌的主要原因是圍護墻、屋蓋還有柱子之間拉接不牢，柱子與圈梁聯結不強，整體布置不合理等。

二、確定鋼單層工業廠房影響結構抗力主要因素及其選取依據

根據統計分析的結果并結合專家經驗，本文選定8個因素作為對鋼筋混凝土鋼單層工業廠房作為總評價的因素，各因素如下：

①廠房高度（符號：B，單位：m）：廠房越高，對其他的構件的要求豎向質量和剛度無突變要求越高，要求整體性越好，才能有較強的抗力；反之亦然。

②廠房寬度（符號：H，單位：m）：在單層鋼筋混凝土工業廠房的抗震計算中有對縱向的抗震計算，因此，對廠房寬度選取為考慮因素是合理的。

③廠房跨度（符號：L，單位：m）：在單層鋼筋混凝土工業廠房的抗震計算中有對橫向的抗震計算，因此，對廠房寬度選取為考慮因素是合理的。

④上柱與全柱高度比（符號：B，無量綱）：考慮變截面柱的強度相對單截面柱的強度是降低了，上柱的高度與全柱的高度影響整個柱的剛度。

⑤上下柱截面尺寸比（符號：A，無量綱）：上下柱截面尺寸變化，柱的剛度有影響，即考慮廠房在豎向剛度的突變情況。

⑥上下柱配筋率之比（符號：S，無量綱）：考慮柱截面中在受拉區用鋼量的突變情況。

三、鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房抗震設計要點

近年來，國內外抗震設防目標的發展總趨勢是要求建筑物在使用期間，對不同頻率和強度的地震，應具有不同的抵抗能力，即“小震不壞，中震可修，大震不倒” 房屋抗震結構設計時除了要符合一般規定的要求外，應著重注意以下幾點：

3.1計算重點

柱是主要承重構件，即使個別柱失效，也可能導致結構全面倒塌；同時，柱為偏壓構件，其截面變形能力遠不如以彎曲作用為主的梁。設計柱時，要提高其延性，使其在進入彈塑性工作階段后仍能具有足夠的變形能力和承載力。

3.2構造措施

①屋架

屋架上弦第一節間和梯形屋架端豎桿的配筋，6度和7度時不宜少于4Ф12，8度和9度時不宜少于 4Ф14。梯形屋架的端豎桿截面寬度宜與上弦寬度相同。屋架上弦端部支撐屋面板的小立柱的截面不宜小于200mm×200mm，高度不宜大于500mm，主筋宜采用門形，6 度和 7 度時不宜少于 4Ф12，8 度和 9 度時不宜少于 4Ф14，箍筋可采用Ф6，間距宜為100mm。鋼筋混凝土組合屋架的上弦宜為矩形截面，下弦應采用型鋼。

②柱

為了增加鋼筋混凝土柱的延性，應對柱采取適當的構造措施，一般在規定的范圍內柱的箍筋應加密。

③柱間支撐

柱間支撐是保證廠房縱向剛度和抵抗地震作用的重要抗側力構件。一般情況下，應在廠房單元中部設置上下柱間支撐；對于有吊車或處在8度和9度區的廠房，還應在廠房單元兩端增設上柱支撐。為了使強烈地震時支撐傳遞的水平地震作用不致在柱內引起過大的彎矩和剪力，下柱支撐的下節點應設置在靠近基礎頂面處，并使力的作用線匯交于基礎頂面。柱間支撐的桿件應采用型鋼，支撐形式宜采用交叉式，其斜桿與水平面的交角不宜大于55°，對柱間支撐的長細比應有所控制。8 度時廠房跨度不小于18m 的多跨廠房的中柱和 9 度時多跨廠房的各柱，柱頂宜設置通長水平壓桿。柱間支撐與柱連接的節點焊縫及柱內錨件應與支撐桿件等強，以避免節點過早破壞。

④連接節點

8 度時，屋架與柱的連接宜采用螺栓，9度時宜采用鋼板鉸或螺栓，屋架下必須墊支承墊板，厚度不宜小于16mm，柱頂預埋件與柱頭應加強錨固，錨筋宜采用4Ф14（8度）和4Ф16（9度）。對有柱間支撐的柱子，柱頂預埋件還應增設抗地震剪力的抗剪鋼板。

⑤圍護墻體

為了避免地震時磚圍護墻的外閃和倒塌，增加墻體平面外的穩定，磚圍護墻應沿全高與柱子牢固拉結，轉角處應沿兩個主軸方向與柱拉結，柱頂以上的墻體與屋架端部拉結，圍護墻頂部與屋面板、天溝板拉結。當采用預制墻梁時，要求每層墻頂面必須與其上面的墻梁底面，用連接鋼筋或鋼板互相拉結。閉合圈梁能增加廠房的整體性，減輕磚墻震害，其設置要求為：圈梁沿平面必須閉合；在屋架端頭上弦處、柱頂標高處，各設一道 ；當 屋 架 端 頭 高 度 不 大 于900mm 時，可僅在柱頂或屋架端頭上弦標高各設一道；8 度、9 度區，應沿廠房豎向按上密西稀的原則，每隔4m左右，在窗頂標高增設現澆圈梁一道；當采用鋼筋混凝土大型墻板時，墻板與廠房柱或屋架間宜采用柔性連接，6～7 度區可采用型鋼互焊的剛性連接。

四、總結及建議

目前，鋼單層工業廠房抗震的新趨勢是以鋼管混凝土結構、輕鋼結構、鋼結構、及壓型鋼板系列圍護結構為代表的現代鋼結構作為其主流結構形式，承重結構更加空間化， 圍護結構和屋蓋更趨于輕型化、高強化。本文通過對汶川地震中鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房的震害進行調查研究，對鋼單層鋼筋混凝土柱工業廠房的典型震害進行分析得出如下幾點建議：新建廠房應按新的抗震規范設計，其抗震性能是有保障的；以后要特別重視非結構構件和高大設備的抗震設計。對不符合抗震鑒定標準的老廠房應盡快進行改造加固，以達到地震工作預防為主的目的。

參考文獻

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[2]劉大海，楊翠如，陶希暝.建筑抗震構造手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[3]裘民川，劉大海.單層工業廠房抗震設計[M].北京：地震出版社，1989：1-28.

作者簡介

周海濤（1970.03，）男，本科，工程師，畢業于合肥工業大學土木工程系，現從事建筑結構設計工作。