浅析钢单层钢筋混凝土柱工业厂房结构抗力

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摘要：通过对汶川地震中钢单层钢筋混凝土柱工业厂房的震害进行调查研究，确定钢单层工业厂房影响结构抗力主要因素及其选取依据，进而提出增强钢单层钢筋混凝土柱工业厂房结构抗力的设计要点。

关键词：钢单层钢筋混凝土柱工业厂房；典型震害；结构抗力；设计要点

引言：

本文首先以汶川地震中钢单层钢筋混凝土柱工业厂房的典型震害进行实例分析来说明钢单层钢筋混凝土柱工业厂房的典型震害，包括屋盖结构、柱子及支撑、围护结构等3个方面，进而确定钢单层工业厂房影响结构抗力主要因素及其选取依据，最后从钢单层钢筋混凝土柱工业厂房抗震设计的要点出发，为增强钢单层钢筋混凝土柱工业厂房结构抗力提出指导性意见。

一、钢单层钢筋混凝土柱工业厂房的典型震害及汶川地震中案例分析

1.1工业厂房屋盖系统结构严重破坏

采用钢筋混凝土屋架及屋面板的工业厂房在地震中容易发生严重破坏，强烈的地震作用使得这种整体性差、重量大的屋盖结构系统大批坠落，个别厂房结构解体破坏。

①强烈的地震作用使得钢单层钢筋混凝土柱工业厂房柱的顶面与屋架连接处的连接焊缝及螺栓被剪断，或预埋件被拔出，从而使得柱顶与屋架的连接失效，在地震中屋架产生纵向或横向位移错动，最终丧失钢筋混凝土柱的支撑，屋面板与屋架一起坠落。

②由于屋架与屋面板的焊接不良，或连接件严重锈蚀，在强烈的地震作用下，屋架与屋面板的连接松动脱空，使屋面板在地震晃动中滑脱下坠。

③厂房位于边坡附近，地震时处于更为不利的条件，加剧了地基基础的变形，在强烈地震的反复作用下，承重柱失稳倾斜，围护墙坍塌，吊车梁塌落，最终屋盖系统失去承重条件而导致落顶，使得整个工业厂房结构破坏，厂房内的人员及昂贵设备损失惨重。

1.2柱子及支撑的震害

①柱子严重破坏导致屋盖坍塌。厂房属多跨单层厂房，边柱为矩形截面，地震后基本完好；中柱为双肢大空腹薄壁柱，每个肢是槽型钢筋混凝土截面，柱子的整体工作能力显然太差，下柱局部破坏严重，上柱的破坏更为严重，有的甚至在全高范围内被压碎，只剩下零零星星的几根钢筋，最终导致屋盖的全面坍塌。

②钢单层钢筋混凝土柱与吊车梁顶面连接处发生剪切裂缝。由于汶川地震前的工业厂房设计中均未考虑到抗震设计，所以在汶川地震中工业厂房柱子与吊车梁顶面连接处发生了严重的剪切裂缝如图1。吊车梁平面内通过牛腿传递水平力，平面外则通过吊车梁顶传到排架柱上柱，此处应该箍筋局部加密以达到抗剪目的。

③在汶川地震作用下，先发生抗风柱与屋架上弦连接的弹簧板与柱顶预埋件焊缝被剪断，或连接被拉脱，在柱顶连接失去作用后，抗风柱处于悬臂状态，在地震后续作用下，抗风柱上段柱从根部折断，连同上部山墙一起倾倒。具体震害见图2。

1.3围护结构的震害

造成大部分钢单层钢筋混凝土柱工业厂房的封墙局部脱落或大面积倒塌的主要原因是围护墙、屋盖还有柱子之间拉接不牢，柱子与圈梁联结不强，整体布置不合理等。

二、确定钢单层工业厂房影响结构抗力主要因素及其选取依据

根据统计分析的结果并结合专家经验，本文选定8个因素作为对钢筋混凝土钢单层工业厂房作为总评价的因素，各因素如下：

①厂房高度（符号：B，单位：m）：厂房越高，对其他的构件的要求竖向质量和刚度无突变要求越高，要求整体性越好，才能有较强的抗力；反之亦然。

②厂房宽度（符号：H，单位：m）：在单层钢筋混凝土工业厂房的抗震计算中有对纵向的抗震计算，因此，对厂房宽度选取为考虑因素是合理的。

③厂房跨度（符号：L，单位：m）：在单层钢筋混凝土工业厂房的抗震计算中有对横向的抗震计算，因此，对厂房宽度选取为考虑因素是合理的。

④上柱与全柱高度比（符号：B，无量纲）：考虑变截面柱的强度相对单截面柱的强度是降低了，上柱的高度与全柱的高度影响整个柱的刚度。

⑤上下柱截面尺寸比（符号：A，无量纲）：上下柱截面尺寸变化，柱的刚度有影响，即考虑厂房在竖向刚度的突变情况。

⑥上下柱配筋率之比（符号：S，无量纲）：考虑柱截面中在受拉区用钢量的突变情况。

三、钢单层钢筋混凝土柱工业厂房抗震设计要点

近年来，国内外抗震设防目标的发展总趋势是要求建筑物在使用期间，对不同频率和强度的地震，应具有不同的抵抗能力，即“小震不坏，中震可修，大震不倒” 房屋抗震结构设计时除了要符合一般规定的要求外，应着重注意以下几点：

3.1计算重点

柱是主要承重构件，即使个别柱失效，也可能导致结构全面倒塌；同时，柱为偏压构件，其截面变形能力远不如以弯曲作用为主的梁。设计柱时，要提高其延性，使其在进入弹塑性工作阶段后仍能具有足够的变形能力和承载力。

3.2构造措施

①屋架

屋架上弦第一节间和梯形屋架端竖杆的配筋，6度和7度时不宜少于4Ф12，8度和9度时不宜少于 4Ф14。梯形屋架的端竖杆截面宽度宜与上弦宽度相同。屋架上弦端部支撑屋面板的小立柱的截面不宜小于200mm×200mm，高度不宜大于500mm，主筋宜采用门形，6 度和 7 度时不宜少于 4Ф12，8 度和 9 度时不宜少于 4Ф14，箍筋可采用Ф6，间距宜为100mm。钢筋混凝土组合屋架的上弦宜为矩形截面，下弦应采用型钢。

②柱

为了增加钢筋混凝土柱的延性，应对柱采取适当的构造措施，一般在规定的范围内柱的箍筋应加密。

③柱间支撑

柱间支撑是保证厂房纵向刚度和抵抗地震作用的重要抗侧力构件。一般情况下，应在厂房单元中部设置上下柱间支撑；对于有吊车或处在8度和9度区的厂房，还应在厂房单元两端增设上柱支撑。为了使强烈地震时支撑传递的水平地震作用不致在柱内引起过大的弯矩和剪力，下柱支撑的下节点应设置在靠近基础顶面处，并使力的作用线汇交于基础顶面。柱间支撑的杆件应采用型钢，支撑形式宜采用交叉式，其斜杆与水平面的交角不宜大于55°，对柱间支撑的长细比应有所控制。8 度时厂房跨度不小于18m 的多跨厂房的中柱和 9 度时多跨厂房的各柱，柱顶宜设置通长水平压杆。柱间支撑与柱连接的节点焊缝及柱内锚件应与支撑杆件等强，以避免节点过早破坏。

④连接节点

8 度时，屋架与柱的连接宜采用螺栓，9度时宜采用钢板铰或螺栓，屋架下必须垫支承垫板，厚度不宜小于16mm，柱顶预埋件与柱头应加强锚固，锚筋宜采用4Ф14（8度）和4Ф16（9度）。对有柱间支撑的柱子，柱顶预埋件还应增设抗地震剪力的抗剪钢板。

⑤围护墙体

为了避免地震时砖围护墙的外闪和倒塌，增加墙体平面外的稳定，砖围护墙应沿全高与柱子牢固拉结，转角处应沿两个主轴方向与柱拉结，柱顶以上的墙体与屋架端部拉结，围护墙顶部与屋面板、天沟板拉结。当采用预制墙梁时，要求每层墙顶面必须与其上面的墙梁底面，用连接钢筋或钢板互相拉结。闭合圈梁能增加厂房的整体性，减轻砖墙震害，其设置要求为：圈梁沿平面必须闭合；在屋架端头上弦处、柱顶标高处，各设一道 ；当 屋 架 端 头 高 度 不 大 于900mm 时，可仅在柱顶或屋架端头上弦标高各设一道；8 度、9 度区，应沿厂房竖向按上密西稀的原则，每隔4m左右，在窗顶标高增设现浇圈梁一道；当采用钢筋混凝土大型墙板时，墙板与厂房柱或屋架间宜采用柔性连接，6～7 度区可采用型钢互焊的刚性连接。

四、总结及建议

目前，钢单层工业厂房抗震的新趋势是以钢管混凝土结构、轻钢结构、钢结构、及压型钢板系列围护结构为代表的现代钢结构作为其主流结构形式，承重结构更加空间化， 围护结构和屋盖更趋于轻型化、高强化。本文通过对汶川地震中钢单层钢筋混凝土柱工业厂房的震害进行调查研究，对钢单层钢筋混凝土柱工业厂房的典型震害进行分析得出如下几点建议：新建厂房应按新的抗震规范设计，其抗震性能是有保障的；以后要特别重视非结构构件和高大设备的抗震设计。对不符合抗震鉴定标准的老厂房应尽快进行改造加固，以达到地震工作预防为主的目的。

参考文献

[1]杨文忠.唐山地震与建筑抗震[M].成都：西南交通大学出版社，1996.

[2]刘大海，杨翠如，陶希暝.建筑抗震构造手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[3]裘民川，刘大海.单层工业厂房抗震设计[M].北京：地震出版社，1989：1-28.

作者简介

周海涛（1970.03，）男，本科，工程师，毕业于合肥工业大学土木工程系，现从事建筑结构设计工作。