關(guān)于單層廠房抗震設計的探討

吳澤亮

（成都西南交通大學設計研究院有限公司　四川　成都　610000）

關(guān)于單層廠房抗震設計的探討

吳澤亮

（成都西南交通大學設計研究院有限公司四川成都610000）

我國作為一個地震多發(fā)的國家，所以對建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設計顯得尤為重要，在進行廠房設計時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地選擇以及地基基礎建設過程需要注意的問題，然后重點分析了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在單層廠房抗震設計中的應用以及設計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，國內(nèi)以及國外抗震設防目標的總發(fā)展趨勢就是要求建筑物在使用過程中，能夠針對不同強度和頻率的地震，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]。在對房屋抗震結(jié)構(gòu)進行設計時，在結(jié)構(gòu)初步設計階段以及建筑方案圖中就應該立刻將抗震的“概念設計”引入其中，然后跟據(jù)“概念設計”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、以軌頂標高及柱距等各方面的差異都非常大，并且結(jié)構(gòu)相對來說都非常復雜。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[3]作為一種空間結(jié)構(gòu)體系，已經(jīng)廣泛的應用于單層工業(yè)廠房當中，因為其在使用過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)在單層廠房中的應用。

1　場地選擇

在進行場地選擇時，應盡可能的避開對廠房結(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硬土，穩(wěn)定基巖，平坦、開闊、均勻、密實的中硬土等；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)廠房場地過程中需要注意以下幾個方面：①選擇較薄的場地覆蓋層。根據(jù)世界各地的大地震研究表明，針對柔性結(jié)構(gòu)，在土層較厚時震害較為嚴重，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選擇堅實的場地土。震害研究表明，場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重。所以應該選擇擁有較大平均剪切波速的場地。③把地震振動的卓越周期與廠房的自振周期與錯開防止發(fā)生共振。眾所周知，如果地震振動的卓越周期與廠房的自振周期相等或者相近，那么會因為發(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

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

3　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在單層廠房抗震設計中的應用

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，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，除開應用到本文中提到的單層廠房之外，還可以應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，同時其施工工期相對來說也比較短，在桿件布置方面，其規(guī)律性非常強并且造型美觀，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，也可以將抗風柱當作網(wǎng)架支點承受屋面荷載，以此來達到節(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。而鋼屋架屋蓋體系為平面結(jié)構(gòu)體系，它的特點就是平面剛度和強度相對來說比較大，但是平面外的剛度和強度就比較小。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)造要求進行設置，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，這樣針對材料受力能力的利用來說顯然是一種嚴重的浪費。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的。在整個傳力的過程當中，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。因為桿件間的連接部位通常來說比較薄弱，很容易發(fā)生應力集中現(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。此外，平面結(jié)構(gòu)體系施工周期較長，加工制作時間長。

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)應用到單層工業(yè)廠房當中時，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，造型比較簡單，制造過程也很方便。而針對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，單從用鋼量這一指標來進行衡量，斜放四角錐網(wǎng)架要比正放四角錐網(wǎng)架相對來說節(jié)省鋼材，但是節(jié)省的鋼材只是桿件用鋼，反過來其節(jié)點用鋼量可能比正放時節(jié)點的還要增多，這是由于斜放四角錐網(wǎng)架其上弦平面節(jié)點要比正放時多很多。由于配件用量的增多使得造價增多較多，且桿件多、節(jié)點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)濟性進行綜合考慮，一般情況下在矩形平面形狀下應該首先選擇正放四角錐網(wǎng)架。

3.3網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計過程中需要注意的問題

（1）在進行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計過程中應該對各種荷載組合進行綜合考慮，除了需要考慮屋面活載以及屋面恒載之外，還需要重點考慮地震以及風載作用。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)架計算過程中采取支座假定，應該和實際設計的支座在形式上確保一致，在進行計算和設計，需要區(qū)分固定支座和鉸支座的不同。

（3）在進行網(wǎng)架節(jié)點設計過程時，應該盡可能使用焊接球節(jié)點。一般情況下網(wǎng)架節(jié)點主要有螺栓球節(jié)點和焊接球節(jié)點兩種形式，針對螺栓球節(jié)點而言，雖然它安裝起來比較方便，但是由于其節(jié)點中間桿件很多，螺栓和套筒中任何一個如果質(zhì)量不能保證的話，就會使得節(jié)點很容易遭到破壞。所以建議使用焊接球節(jié)點。

（4）在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設計中需要特別注重預應力技術(shù)的應用。在網(wǎng)架中采用預應力技術(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。特別是針對多次預應力鋼結(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應力，這樣可以對材料在彈性范圍以內(nèi)的承載能力進行反復利用，從而顯著強化結(jié)構(gòu)剛度，與單次預應力鋼結(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)濟效益。

4　結(jié)語

綜上所述，在進行單層廠房抗震設計時，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之外，它還具有經(jīng)濟效益顯著的特點。毫無疑問，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是未來單層廠房抗震設計師的首先選擇對象。

[1]湯海濤.關(guān)于廠房的抗震設計相關(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)廠房設計的方法探討[J].建筑知識：學術(shù)刊，2013（3）：112.

[3]張毅剛，藍倜恩.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在豎向地震作用下的實用分析方法[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，1985（5）.

TU352.11

A

1673-0038（2015）32-0060-02

2015-7-8

吳澤亮（1976-），男，工程師，大學本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設計工作。