關(guān)于單層廠房抗震設(shè)計(jì)的探討

吳澤亮

（成都西南交通大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司　四川　成都　610000）

關(guān)于單層廠房抗震設(shè)計(jì)的探討

吳澤亮

（成都西南交通大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司四川成都610000）

我國(guó)作為一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家，所以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)顯得尤為重要，在進(jìn)行廠房設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮抗震的要求。而在單層廠房中使用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有很好的抗震性。本文首先講解了單層廠房在場(chǎng)地選擇以及地基基礎(chǔ)建設(shè)過程需要注意的問題，然后重點(diǎn)分析了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在單層廠房抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用以及設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題。

鋼結(jié)構(gòu)；廠房；抗震

引言

最近幾年來，國(guó)內(nèi)以及國(guó)外抗震設(shè)防目標(biāo)的總發(fā)展趨勢(shì)就是要求建筑物在使用過程中，能夠針對(duì)不同強(qiáng)度和頻率的地震，擁有不同程度的抵御能力，即所謂的“小震不壞，中震能修，大震不倒”[1]。在對(duì)房屋抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段以及建筑方案圖中就應(yīng)該立刻將抗震的“概念設(shè)計(jì)”引入其中，然后跟據(jù)“概念設(shè)計(jì)”這一基本思想，結(jié)構(gòu)才能夠?qū)崿F(xiàn)良好的抗震性能[2]。首先取決于合理的結(jié)構(gòu)布置以及良好的結(jié)構(gòu)體系。現(xiàn)階段工業(yè)建筑中應(yīng)用非常廣泛的就是單層廠房結(jié)構(gòu)這一結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)廠房用途的不同，所建廠房的跨數(shù)、跨度、以軌頂標(biāo)高及柱距等各方面的差異都非常大，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)來說都非常復(fù)雜。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[3]作為一種空間結(jié)構(gòu)體系，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于單層工業(yè)廠房當(dāng)中，因?yàn)槠湓谑褂眠^程中可以顯著的提升廠房整體的抗震性能以及結(jié)構(gòu)的可靠性，本文著重講解了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在單層廠房中的應(yīng)用。

1　場(chǎng)地選擇

在進(jìn)行場(chǎng)地選擇時(shí)，應(yīng)盡可能的避開對(duì)廠房結(jié)構(gòu)不利的地段而選擇有利于結(jié)構(gòu)的地段。其中抗震有利地段主要包括堅(jiān)硬土，穩(wěn)定基巖，平坦、開闊、均勻、密實(shí)的中硬土等；而關(guān)于抗震不利地段，從地形方面而言，通常是指突出的山頂，非巖質(zhì)的陡坡，高差較大的臺(tái)地邊緣，河岸邊坡邊緣等位置。為了較小地震通過地基和建筑場(chǎng)地傳至上部結(jié)構(gòu)的地震能量，在選擇有利于工業(yè)廠房場(chǎng)地過程中需要注意以下幾個(gè)方面：①選擇較薄的場(chǎng)地覆蓋層。根據(jù)世界各地的大地震研究表明，針對(duì)柔性結(jié)構(gòu)，在土層較厚時(shí)震害較為嚴(yán)重，而較薄土層造成的震害卻較輕，那些直接位于基巖上的震害最輕。②選擇堅(jiān)實(shí)的場(chǎng)地土。震害研究表明，場(chǎng)地土的剛度如果較大，那么結(jié)構(gòu)震害的程度就較小，造成的破壞程度就較輕；場(chǎng)地土剛度如果較小，則震害程度較大，造成的破壞程度較為嚴(yán)重。所以應(yīng)該選擇擁有較大平均剪切波速的場(chǎng)地。③把地震振動(dòng)的卓越周期與廠房的自振周期與錯(cuò)開防止發(fā)生共振。眾所周知，如果地震振動(dòng)的卓越周期與廠房的自振周期相等或者相近，那么會(huì)因?yàn)榘l(fā)生共振而使得建筑物的破壞程度大大增加，所以，要防止發(fā)生這種情況。

2　地基基礎(chǔ)

對(duì)于同一結(jié)構(gòu)單元的基礎(chǔ)來說，不應(yīng)該以部分采取天然地基，而另一部分采取人工地基，也不應(yīng)該采用兩類及以上的性質(zhì)差異非常大的土層當(dāng)作地基的持力層，當(dāng)廠基礎(chǔ)樁端或底板接近或者局部進(jìn)入土層的傾斜頂面時(shí)，最好是加深基礎(chǔ)或者加大樁長(zhǎng)，使得樁端或者基礎(chǔ)底部全部在同一個(gè)臥屋內(nèi)，以防止可能造成的不均勻沉降。廠房場(chǎng)地在地震時(shí)不可避免的可能發(fā)生滑移或者地裂的河、湖，所以在河道的邊緣位置，需要采用針對(duì)性非常強(qiáng)的地基穩(wěn)定措施，并強(qiáng)化基礎(chǔ)的整體性。在地基持力層范圍內(nèi)，當(dāng)有可液化土層時(shí)，需要采用相應(yīng)措施去除該土層液化對(duì)上部結(jié)構(gòu)可能造成的不利影響。基本去除地基土層液化的沉陷對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)生的不利影響，可結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況采取以下措施：①采取加密法，比如強(qiáng)夯法、砂樁擠密法、振沖法等，在對(duì)地基進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)處理到土層液化深度的下界面，并且處理后，有關(guān)土層標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值，應(yīng)該比土層液化的臨界值大。②采取深基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)底面埋入穩(wěn)定土層內(nèi)的深度，應(yīng)該大于500mm。

3　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在單層廠房抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1在結(jié)構(gòu)形式上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系和鋼屋架體系之間的比較

在結(jié)構(gòu)形式上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系和鋼屋架體系之間進(jìn)行比較而言，所謂網(wǎng)架指的是由桿件按照一定的順序排列組合而成的空間結(jié)構(gòu)，具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如空間剛度大，整體性好，受力比較均勻，使得所有桿件材料都可以充分發(fā)揮各桿件的作用。在布置方面，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件可以非常的靈活，除開應(yīng)用到本文中提到的單層廠房之外，還可以應(yīng)用在各種各樣形狀的建筑物以及大柱距、大跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)。此外，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)還具有抗震性能優(yōu)良這一特點(diǎn)，同時(shí)其施工工期相對(duì)來說也比較短，在桿件布置方面，其規(guī)律性非常強(qiáng)并且造型美觀，結(jié)構(gòu)很輕巧。和平面鋼屋架體系相比，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在不增添配筋和柱斷面的情況下，也可以將抗風(fēng)柱當(dāng)作網(wǎng)架支點(diǎn)承受屋面荷載，以此來達(dá)到節(jié)約材料的作用。用料省也是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)體系最為突出的特點(diǎn)。而鋼屋架屋蓋體系為平面結(jié)構(gòu)體系，它的特點(diǎn)就是平面剛度和強(qiáng)度相對(duì)來說比較大，但是平面外的剛度和強(qiáng)度就比較小。一般情況下此種結(jié)構(gòu)體系多為單棍屋架支承于柱頭之上，屋架之間主要由屋面支撐相連接從而形成比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，屋面上所有的垂直荷載全都由各棍屋架承受然后再傳給柱子。而屋面支撐往往按照構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)置，在垂直方向上支撐系統(tǒng)不參加受力，除開確保屋架的穩(wěn)定以外只傳遞水平力。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析過程中不考慮其共同工作，這樣就使得屋蓋支撐中所有的桿件不能夠充分發(fā)揮各自的作用。所以說支撐系統(tǒng)和屋架是各行其職，分工明確，這樣針對(duì)材料受力能力的利用來說顯然是一種嚴(yán)重的浪費(fèi)。另外，平面結(jié)構(gòu)體系主要是利用集中傳力的形式來完成力的傳遞任務(wù)的。在整個(gè)傳力的過程當(dāng)中，力途經(jīng)的承重構(gòu)件越多那么結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的概率就越大。因?yàn)闂U件間的連接部位通常來說比較薄弱，很容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是在地震的影響之下容易發(fā)生斷裂、變形，總的來說，平面結(jié)構(gòu)體系它的抗震性能比較差，沒有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)抗震性能強(qiáng)。此外，平面結(jié)構(gòu)體系施工周期較長(zhǎng)，加工制作時(shí)間長(zhǎng)。

3.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式的選用

在選用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式的時(shí)候，從外形角度可以將網(wǎng)架分為平板網(wǎng)架以及曲面網(wǎng)架兩個(gè)大類。此外還可以將平板網(wǎng)架分為正放（或者斜放）角錐式以及正放（或者斜放）交叉析架式兩類，在將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)用到單層工業(yè)廠房當(dāng)中時(shí)，平板以及曲面形式均有采用，但是平板式正放四角錐網(wǎng)架還是應(yīng)用最為廣泛的，原因主要是由于它的抗震性能比較好，造型比較簡(jiǎn)單，制造過程也很方便。而針對(duì)普通矩形平面周邊支承的網(wǎng)架而言，其比較廣泛的選型主要有正放四角錐網(wǎng)架以及斜放四角錐網(wǎng)架，如果平面形狀近似于正方形時(shí)，單從用鋼量這一指標(biāo)來進(jìn)行衡量，斜放四角錐網(wǎng)架要比正放四角錐網(wǎng)架相對(duì)來說節(jié)省鋼材，但是節(jié)省的鋼材只是桿件用鋼，反過來其節(jié)點(diǎn)用鋼量可能比正放時(shí)節(jié)點(diǎn)的還要增多，這是由于斜放四角錐網(wǎng)架其上弦平面節(jié)點(diǎn)要比正放時(shí)多很多。由于配件用量的增多使得造價(jià)增多較多，且桿件多、節(jié)點(diǎn)多也加大了制作安裝相關(guān)方面工作量，因此經(jīng)過分析，從抗震性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮，一般情況下在矩形平面形狀下應(yīng)該首先選擇正放四角錐網(wǎng)架。

3.3網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題

（1）在進(jìn)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該對(duì)各種荷載組合進(jìn)行綜合考慮，除了需要考慮屋面活載以及屋面恒載之外，還需要重點(diǎn)考慮地震以及風(fēng)載作用。特別是地震的影響，很多發(fā)生的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)事故都是由于忽略地震而造成的。

（2）在網(wǎng)架計(jì)算過程中采取支座假定，應(yīng)該和實(shí)際設(shè)計(jì)的支座在形式上確保一致，在進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，需要區(qū)分固定支座和鉸支座的不同。

（3）在進(jìn)行網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程時(shí)，應(yīng)該盡可能使用焊接球節(jié)點(diǎn)。一般情況下網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)主要有螺栓球節(jié)點(diǎn)和焊接球節(jié)點(diǎn)兩種形式，針對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)而言，雖然它安裝起來比較方便，但是由于其節(jié)點(diǎn)中間桿件很多，螺栓和套筒中任何一個(gè)如果質(zhì)量不能保證的話，就會(huì)使得節(jié)點(diǎn)很容易遭到破壞。所以建議使用焊接球節(jié)點(diǎn)。

（4）在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要特別注重預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用。在網(wǎng)架中采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)能夠在很大程度上改善受力性能，提升結(jié)構(gòu)的承載能力并節(jié)省鋼材。特別是針對(duì)多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)，將結(jié)構(gòu)的荷載分為幾部分，然后分批作用在結(jié)構(gòu)上，最后分批交替地作用預(yù)應(yīng)力，這樣可以對(duì)材料在彈性范圍以內(nèi)的承載能力進(jìn)行反復(fù)利用，從而顯著強(qiáng)化結(jié)構(gòu)剛度，與單次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)相比能夠更多的節(jié)約鋼材，從而減輕結(jié)構(gòu)的自身重量，并最終得到更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在進(jìn)行單層廠房抗震設(shè)計(jì)時(shí)，合理選用結(jié)構(gòu)形式顯得非常重要，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)除了具有抗震性能好的特點(diǎn)之外，它還具有經(jīng)濟(jì)效益顯著的特點(diǎn)。毫無(wú)疑問，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是未來單層廠房抗震設(shè)計(jì)師的首先選擇對(duì)象。

[1]湯海濤.關(guān)于廠房的抗震設(shè)計(jì)相關(guān)問題的探討[J].中小企業(yè)管理與科技，2009（5）：287～288.

[2]武云能.關(guān)于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)的方法探討[J].建筑知識(shí)：學(xué)術(shù)刊，2013（3）：112.

[3]張毅剛，藍(lán)倜恩.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在豎向地震作用下的實(shí)用分析方法[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1985（5）.

TU352.11

A

1673-0038（2015）32-0060-02

2015-7-8

吳澤亮（1976-），男，工程師，大學(xué)本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。