某工业厂房钢结构分析设计
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摘要:本文结合某厂房钢结构的设计实例，对其结构体系进行分析，对结构整体计算和构件设计做出了比较优化的设计。
中图分类号： TU319 文献标识码： A 文章编号：
一、前言
目前，国内普遍采用的钢筋混凝土剪力墙体系或钢结构中心支撑体系，其在强震下的抗震性能及经济性均不及钢结构偏心支撑体系。钢结构偏心支撑体系是介于纯钢框架体系和中心支撑钢框架体系之间的一种结构体系。一方面纯钢框架体系设计中不设置柱间支撑，利于平面灵活布置，且结构具有良好的延性和耗能能力，但纯框架结构较柔，弹性刚度差，在弹性阶段为控制水平侧移，其梁、柱截面往往是不经济的;另一方面，中心支撑框架体系在弹性阶段刚度大，但其延性和耗能能力较小，且在强震条件下其地震作用较大。对于偏心支撑框架体系因其设置了相应的耗能梁段，因此兼有纯框架和中心支撑框架体系的特点，在弹性阶段刚度较大，水平侧移小，而在强震中耗能梁段屈服，具有良好的延性和耗能能力，可以有效减小结构整体所受的地震作用，利于达到安全和经济的结构设计。
2工程概况
某工业厂房位于西南某省，属于9度高烈度地震区，该钢结构主厂房采用了钢结构偏心支撑体系进行设计。厂房由主厂房和附厂房组成，跨度分别为33m,9m;柱距8m，总长48m。主厂房A排柱通过主厂房钢屋架与附厂房钢框架一起组成横向受力体系.在附厂房各轴均设置横向柱间支撑;纵向框架2.3轴之间，5.6轴之间设置纵向柱间支撑与梁、柱形成纵向受力体系.由主厂房屋面上、下弦水平支撑以及附厂房的钢筋混凝土楼板的共同作用下，整个厂房形成一个空间受力体系。主厂房采用STAAD-III空间计算软件进行计算，结构建模和输人荷载的过程与普通钢结构厂房的计算过程相同。但要注意的是，在此过程中需要初步确定偏心支撑的形式和消能梁段的长度。本工程中偏心支撑采用人字撑，消能梁段位于框架中部不与框架柱相连，这种偏心支撑形式比较适合大跨度的重型结构。
三、消能梁段的设计
消能梁段在强震中会发生屈服，从而形成塑性铰，并通过其塑性变形能力来消耗地震能量。在地震水平力作用下，消能梁段中主要内力为杆端的弯矩和剪力，因此消能梁段主要可能发生弯曲屈服和剪切屈服。消能梁段的长度对于整个结构的特性具有重要的影响，主要包括两个方面，一是对整体刚度的影响，消能梁段越长，结构越趋于纯框架，结构相对柔一些;消能梁段越短，结构越趋于中心支撑框架，结构相对刚劲一些;二是，通过实验证明，当消能梁段较长时，消能梁段在水平地震作用下将首先发生弯曲屈服，而当消能梁段较短时，消能梁段在水平地震作用下将发生剪切屈服，两者的抗震消能特性是不同的.因此，消能梁段长度的取值对整个结构设计具有关键意义。由于 消 能 梁段剪切屈服时其消能效果要优于弯曲屈服时，因此一般限制消能梁段的长度使其处于剪切屈服范围内。这时消能梁段的长度a应满足:
(1)
其中: 为消能梁段全塑性受弯承载力，为屈服剪力。
,其中为屈服强度，为梁段的塑性截面模量。
，其中为腹板截面面积。
公式 (1) 给 出了消能梁段的长度上限。但消能梁段也不是越短越好，因消能梁段太短相应结构的延性就比较差，其变形能力不足以起到在强震中吸收地震能量的作用，消能梁段对结构体系的有利作用就不能充分发挥。另外，通过结构试算，可以发现当改变消能梁段的长度，消能梁段变小时，梁段中的剪力将变大，杆端弯矩变小，也要求消能梁段必须有更高的抗剪承载力。对消能梁段的长度下限并无硬性规定，但综合各种有关消能梁段的实验及理论研究，一般认为，消能梁段的长度处于下式范围内时，其抗震消能效果是比较理想的:
(2)
此时可得到消能梁段的长度的优选范围为：
(3)
其中，为梁的跨度。
本工程中横向框架柱距9m，纵向框架柱距8m，消能梁段长度均采用1m，框架简图见图1。
图1主厂房横向框架布置图
当然，这里是初步确定消能梁段的长度，可以在结构设计中根据计算结果进行优化调整。在主厂房框架模型确定后即采用STAAD-III空间计算软件进行计算，结构建模，截面选型，计算假定和输人荷载，荷载组合的过程与普通钢结构厂房的计算过程基本相同，这里就不再详细介绍。在一般荷载及多遇地震作用下，结构应处于弹性阶段，此时整个结构按线弹性钢结构设计，各构件均应满足荷载作用下的强度及变形要求。在强震作用下，结构进人弹塑性阶段，此时应复核各构件满足弹塑性承载力的要求，其设计原则为强柱，强非消能梁段，强支撑及弱消能梁段，其设计要点如下:
(1) 根据地震作用下的内力，首先调整消能梁段的截面，消能梁段并不是能够承担地震作用即可，也不是越大越好。消能梁段刚度太大，在地震中仍工作在弹性阶段是不正确的;消能梁段太小，在地震中破坏也是不对的，必须控制消能梁段的刚度，在地震作用下进人屈服阶段。
(2) 设计中应控制柱、梁，支撑的内力和相对刚度，确保消能梁段在地震中首先屈服，而不是柱或支撑。
(3) 为确保框架柱，支撑及非消能梁段当消能梁段屈服时仍工作在弹性阶段，消能梁段屈服时的框架柱、支撑及非消能梁段中的内力设计值均应考虑增大系数，以此来进行设计或复核。本工程抗震设计中，采用地震效应折减系数来衡量结构体系对所受地震作用的影响，偏心支撑系统的地震效应折减系数是中心支撑体系的1.5倍，其所受地震荷载小了1/3。在本工程实际设计过程中，采用偏心支撑系统时钢材用量减小约20%。
四、结语
综上所述，就设计结果来看，主厂房钢结构结构的延性大大提高，其所受到的地震作用也大幅减小；就工程完工后厂房的使用效果来看，在此高烈度地震区也非常的稳定，取得了理想的效果。