關于鋼結構工業廠房的抗震設計分析

蔡勇發東南鋁業有限公司（361000）

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關于鋼結構工業廠房的抗震設計分析

蔡勇發
東南鋁業有限公司（361000）

摘要：主要從結構類型、高度限制、抗震原理這些方面對鋼結構工業廠房的抗震設計進行探討，闡述了包括防震縫、鋼柱腳、截面及樓蓋等關鍵環節在內的設計要點，對鋼結構廠房的結構布置中的注意事項作出了強調，以指導實踐。

關鍵詞：鋼結構工業廠房；抗震設計

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。由于地震比較復雜，不確定因素多，很難把握地震的規律。因此在對建筑物的抗震進行設計時，理論數據的局限性大大限制了設計的可靠性。如果將目光放在結構的總體地震反應上，按照結構的破壞機制以及破壞過程，對抗震設計準則靈活運用，可以從大量的地震災害機理和設計實踐中得出：結構布置的合理性至關重要。

鋼結構是一種新型結構，在工業建筑中已經是屢見不鮮了。例如焦化廠、電廠中棧橋（桁架結構），轉運站（框架結構），單層廠房（排架結構）等。

1　結構的類型及高度限制

1.1鋼結構適用的結構類型

1）框架結構

純框架結構可單獨承擔側向力，可在不超過12層的結構或較低的高層鋼結構中應用，具有較好的延性。只不過純框架屬于柔性結構，側向剛度小，故在層數和高度上受到了一定的限制。框架結構可靈活布置建筑平面，易于布置較大房間。

2）框架—中心支撐結構

支撐構件是抗側力構件的支撐體系，與周邊框架組成的支撐框架形成了一個抗側力結構。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剛度的效果比較顯著，同時還減少了側向位移，因此是抗震設計的一個比較重要的結構類型。

3）框架—偏心支撐（延性墻板）結構

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構特點，每根支撐至少應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置部位。根據大量的震害經驗，我們可以總結出，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。這種結構的設計原則是強柱、強支撐和弱消能梁段。

4）內藏鋼支撐鋼筋混凝土剪力墻板結構

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

5）空間桁架結構

這種結構的結點在一般情況下都被看作成圓球鉸結點，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動。因此在網架結構、塔架、起重機構架等方面經常應用。

1.2高度限制

建筑適用的最大高度與結構類型、設防烈度等因素有關。《建筑抗震設計規范》中表8．1．1對鋼結構房屋的最大高度作出相應的規定。平面和豎向均不規則或建造于Ⅳ類場地的結構，適用的最大高度應適當降低。對于超過表內高度的房屋，應進行專門研究和論證，采取有效的加強措施。

2　防震縫的設置

2.1防震縫設置原則

多層鋼結構的結構平面布置、豎向布置應遵守抗震設計中布置規則性的原則，一般可不設防震縫。GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》明確規定體型復雜、平立面不規則的建筑，應根據不規則程度、地基基礎條件和技術經濟等因素的比較分析，確定是否設置防震縫。

2.2防震縫的寬度

當建筑物的高度不超過15 m時，防震縫寬度（縫兩側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度相應每增加5 m、4 m、3 m、2 m時，防震縫宜加寬30 mm。由于鋼結構側向位移的規定限值較混凝土結構大，防震縫的寬度不小于相應鋼筋混凝土結構的1．5倍。

3　鋼柱腳的設計

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用，可以將其按鉸接或剛接進行設計。

高層的柱底為剛接，對抗震構造的要求比較高，超過了12層的高層鋼結構比較適宜的方式是埋入式柱腳，當抗震烈度在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梁頂面。

4　截面設計

鋼結構房屋與鋼筋混凝土房屋一樣，同樣應遵守強柱弱梁、強剪弱彎和強節點弱構件的抗震設計基本原則。

4.1強柱弱梁

梁端實際受彎承載力與節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計值。對結構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。手段表現在人們認為對柱的設計彎矩放大，對梁的設計彎矩不放大。目的表現在調整后，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生非延性破壞，即控制脆性破壞形式的發生。也就是說，結構（框架梁、柱）的抗剪承載力要大于抗彎承載力，目的是控制構件發生彎曲破壞，而不是剪切破壞，避免脆性破壞，充分發揮塑性鉸的能力。

4.3強節點弱構件

以下為在設計中加強節點的措施：

1）構造保證

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

2）計算保證

按抗震彈性設計：計算中抗震承載力調整系數為0．85，初步確定焊縫尺寸或螺栓數量、間距、直徑。按以上確定的焊縫尺寸或螺栓數量、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件的屈服承載力，并留有一定的裕量。

5　樓蓋結構

壓型鋼板現澆鋼筋混凝土組合樓板或鋼筋混凝土樓板比較適合鋼結構房屋的樓蓋，同時還應該和鋼梁有可靠的連接。在不超過12層的鋼結構房屋中，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層的高層鋼結構樓蓋來說應該采用壓型鋼板現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，則應該在開洞旁設水平支撐，以此保證樓蓋平面內剛度。

6　廠房的結構布置

廠房復雜的體型和嚴重不規則的結構受力，導致結構分析的難度比較大。如果結構設計不合理，則會在地震時造成嚴重的破壞。因此，廠房的結構布置應該符合以下要求。即平面宜為矩形且簡單對稱；在結構單元的平面內，將框架、柱間支撐等抗側力構件以對稱的方式進行布置；距離剛度中心比較近的部位應該是那些質量相對較大的設備。