关于钢结构工业厂房的抗震设计分析

蔡勇发东南铝业有限公司（361000）



关于钢结构工业厂房的抗震设计分析

蔡勇发
东南铝业有限公司（361000）

摘要：主要从结构类型、高度限制、抗震原理这些方面对钢结构工业厂房的抗震设计进行探讨，阐述了包括防震缝、钢柱脚、截面及楼盖等关键环节在内的设计要点，对钢结构厂房的结构布置中的注意事项作出了强调，以指导实践。

关键词：钢结构工业厂房；抗震设计

0　前言

近几年，地震比较频繁，造成了房屋坍塌、人员伤亡和经济损失等多方面的重大事故，因此我们开始充分考虑建筑物的抗震性能。由于地震比较复杂，不确定因素多，很难把握地震的规律。因此在对建筑物的抗震进行设计时，理论数据的局限性大大限制了设计的可靠性。如果将目光放在结构的总体地震反应上，按照结构的破坏机制以及破坏过程，对抗震设计准则灵活运用，可以从大量的地震灾害机理和设计实践中得出：结构布置的合理性至关重要。

钢结构是一种新型结构，在工业建筑中已经是屡见不鲜了。例如焦化厂、电厂中栈桥（桁架结构），转运站（框架结构），单层厂房（排架结构）等。

1　结构的类型及高度限制

1.1钢结构适用的结构类型

1）框架结构

纯框架结构可单独承担侧向力，可在不超过12层的结构或较低的高层钢结构中应用，具有较好的延性。只不过纯框架属于柔性结构，侧向刚度小，故在层数和高度上受到了一定的限制。框架结构可灵活布置建筑平面，易于布置较大房间。

2）框架—中心支撑结构

支撑构件是抗侧力构件的支撑体系，与周边框架组成的支撑框架形成了一个抗侧力结构。交叉支撑是中心支撑比较适宜的一个方式，但也可采用人字（V形）支撑或是单斜杆支撑，K形支撑是不宜使用的。钢支撑对增强框架的抗侧刚度的效果比较显著，同时还减少了侧向位移，因此是抗震设计的一个比较重要的结构类型。

3）框架—偏心支撑（延性墙板）结构

每对支撑与梁的交点间形成消能梁段，或者是支撑与梁的交点和柱之间形成消能梁段是其结构特点，每根支撑至少应该有一端连着框架梁。支撑的位置取决于偏心支撑耗能梁段的设置部位。根据大量的震害经验，我们可以总结出，偏心支撑最好能够采用消能梁段位于横梁中部的支撑形式。这种结构的设计原则是强柱、强支撑和弱消能梁段。

4）内藏钢支撑钢筋混凝土剪力墙板结构

这种结构起抗震作用的主要原因是钢板支撑承担水平力，在外包钢筋混凝土的弹性阶段可以增加其水平刚度。

5）空间桁架结构

这种结构的结点在一般情况下都被看作成圆球铰结点，连接圆球铰的杆件可以通过铰中心的任意一条轴线进行转动。因此在网架结构、塔架、起重机构架等方面经常应用。

1.2高度限制

建筑适用的最大高度与结构类型、设防烈度等因素有关。《建筑抗震设计规范》中表8．1．1对钢结构房屋的最大高度作出相应的规定。平面和竖向均不规则或建造于Ⅳ类场地的结构，适用的最大高度应适当降低。对于超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。

2　防震缝的设置

2.1防震缝设置原则

多层钢结构的结构平面布置、竖向布置应遵守抗震设计中布置规则性的原则，一般可不设防震缝。GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》明确规定体型复杂、平立面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析，确定是否设置防震缝。

2.2防震缝的宽度

当建筑物的高度不超过15 m时，防震缝宽度（缝两侧建筑物外边缘之间距离）为120 mm，高度超过15 m时，6度、7度、8度、9度相应每增加5 m、4 m、3 m、2 m时，防震缝宜加宽30 mm。由于钢结构侧向位移的规定限值较混凝土结构大，防震缝的宽度不小于相应钢筋混凝土结构的1．5倍。

3　钢柱脚的设计

3.1钢柱脚的形式

通过对柱脚的受力分析，可以将其大致分为铰接柱脚和刚性固定柱脚两种形式。其中刚性固定柱脚还可以再分为外露式、埋入式和外包式柱脚。外包式一般在单层厂房、低层框架或高层的裙房中应用，可以将其按铰接或刚接进行设计。

高层的柱底为刚接，对抗震构造的要求比较高，超过了12层的高层钢结构比较适宜的方式是埋入式柱脚，当抗震烈度在6度、7度时也可采用外包式柱脚。

3.2钢柱脚的埋入深度

1）埋入式柱脚

对轻型工字形柱，钢柱脚的埋入深度不得小于钢柱截面高度的2倍；对大截面H形钢柱和箱形截面柱不得小于钢柱截面高度的3倍。

2）外包式柱脚

将钢柱直接置于地下室墙或基础梁顶面。

4　截面设计

钢结构房屋与钢筋混凝土房屋一样，同样应遵守强柱弱梁、强剪弱弯和强节点弱构件的抗震设计基本原则。

4.1强柱弱梁

梁端实际受弯承载力与节点处柱端实际受弯承载力相比要更小。一般采用的方式是增大柱端弯矩设计值。对结构的变形能力进行提高，以便在强烈地震作用下楼房不倒塌。强柱弱梁不仅是一种手段，而且也是目的。手段表现在人们认为对柱的设计弯矩放大，对梁的设计弯矩不放大。目的表现在调整后，柱的抗弯能力较之前相比更强了，梁的抗弯能力则不变。这样梁、柱一起受力时，梁端可在柱之前屈服。

4.2强剪弱弯

强剪弱弯是指避免构件（梁、柱、墙）剪力较大的部位在梁端达到塑性变形能力极限之前发生非延性破坏，即控制脆性破坏形式的发生。也就是说，结构（框架梁、柱）的抗剪承载力要大于抗弯承载力，目的是控制构件发生弯曲破坏，而不是剪切破坏，避免脆性破坏，充分发挥塑性铰的能力。

4.3强节点弱构件

以下为在设计中加强节点的措施：

1）构造保证

增加连接强度，如增加焊缝和螺栓，梁端加腋或加隅撑，加厚梁柱节点域的腹板厚度或增设水平和斜向加劲肋。

2）计算保证

按抗震弹性设计：计算中抗震承载力调整系数为0．85，初步确定焊缝尺寸或螺栓数量、间距、直径。按以上确定的焊缝尺寸或螺栓数量、间距、直径验算连接的抗震极限受弯、受拉和拼接承载力是否大于其构件的屈服承载力，并留有一定的裕量。

5　楼盖结构

压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或钢筋混凝土楼板比较适合钢结构房屋的楼盖，同时还应该和钢梁有可靠的连接。在不超过12层的钢结构房屋中，可以采用装配整体式钢筋混凝土楼板和装配式楼板。对于超过12层的高层钢结构楼盖来说应该采用压型钢板现浇钢筋混凝土组合楼板或非组合楼板。但是对于那些楼盖孔口相对来说较大、电梯间等削弱较大的楼板，则应该在开洞旁设水平支撑，以此保证楼盖平面内刚度。

6　厂房的结构布置

厂房复杂的体型和严重不规则的结构受力，导致结构分析的难度比较大。如果结构设计不合理，则会在地震时造成严重的破坏。因此，厂房的结构布置应该符合以下要求。即平面宜为矩形且简单对称；在结构单元的平面内，将框架、柱间支撑等抗侧力构件以对称的方式进行布置；距离刚度中心比较近的部位应该是那些质量相对较大的设备。