浅谈钢结构工业厂房的抗震设计

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【摘要】钢结构施工周期较短,并且具体节能环保、延展性好等优点，特别对于钢结构建筑具有的延展性可以对地震波产生衰减作用，减少地震对钢结构建筑的破坏。本文主要阐述了有关钢结构工业厂房的抗震设计。

【关键词】钢结构，工业厂房，抗震设计

中图分类号：TU291 文献标识码：A

1.前言

由于钢材具有轻质高强的特性，可减轻结构的自重，因此钢材是一种很适宜建造抗震结构的材料。从而减轻结构所受的地震作用；钢材材质均匀，强度易于保证，因此结构的可靠性大；钢材的延性好，使结构具有很大的变形能力，即使在很大的变形下仍不倒塌，从而可保证结构的安全性。

2.钢结构建筑抗震研究现状

2.1.结构的抗震设计有两类途径，一类是对外荷载实现联机跟踪和预测，并通过作动器对结构施加控制力来改变结构的动力特性，这就是通常所说的主动控制方法；另一类是通过改善结构本身的特征，实现对结构模态变量的控制或优化，改变结构的动力特性。

2.2.我国现行的结构抗震设计，是以承载力为基础的设计，通常取结构的动应力特别是动拉应力为抗震设计时的控制指标；但历次震害表明，结构破坏、倒塌的主要原因是变形过大，超过了结构能承受的变形能力，因此在20世纪90年代，美国学者提出了基于位移的抗震设计以结构的变形作为抗震设计时的控制指标，要求结构的变形值要满足在地震作用下的变形要求。

2.3.我国采用的设计反应谱是采用振型分解反应谱法进行结构抗震计算的基础，由大量地震反应谱的统计平均确定。尽管地震反应谱的计算理论是经典的，只要地震记录准确，获得的地震反应谱也将准确，但是由于地震记录计算的地震反应谱在长周期段将不真实。而高层建筑钢结构自振周期较大（如金茂大厦、帝王大厦等），地震反应谱长周期段的错误对高层钢结构建筑的影响将较大，因此对于长周期段的反应谱还有待于进一步研究。另外，钢结构自身阻尼比较小，按现行抗震规范的计算方法，在考虑结构延性以后地震作用力减小的同时又因阻尼比降低而加大。

3.工业厂房高层钢结构抗震设计方案选择

3.1.工程概况

国内某铜冶炼厂需要从国外引进3台奥斯麦特炉，其中有沉降炉、熔炼炉、吹炼炉各有一台，需要将设备集中放置于熔炼炉的主厂房内。熔炼炉主厂房车间平面为矩形厂房，长度为36米，宽度为25米，主跨度为21米，副跨度为4米，其檐口标高为47.2米，总建筑面积为5000平方米。主跨内设置有50T和10T重量级的桥式起重机各一台，其轨顶标高为41.77米，在屋面梁下悬挂有供炉子提升氧枪所用的2台10T电动葫芦，该厂房楼面的大部分活载为30kN/㎡。

工程工艺较为新颖，要求较为严格，施工流程较为复杂，同时室内具有高温热源，受到二氧化硫等气体的腐蚀影响，楼层间的高低差距较大，工程位于7度地震区，厂房业主要求工期较为紧迫。

3.2.方案选择

由于该工程的特殊性，同时考虑工艺流程配置的特殊要求，综合考虑其他因素，确定采用钢框架结构较为适宜。考虑到厂房形式为自下而上的敞开大空间，没有完整的楼层，其结构空间刚度较弱，在厂房四周设置垂直的支撑，设计时室内柱间无障碍物，便于设备管线的布置。采用钢框架结构的结构体系，具有较为稳定的抗侧刚度，其稳定性取决于柱和梁的连接接点刚度及其延性。

3.3.结构类型选择参考

钢结构工业厂房设计中，通常采用的建筑结构形式有三种:

3.3.1第一种为框架和支撑体系，设计时将横向设计为刚接框架，钢架梁和柱子也为刚接；纵向设计成为柱-支撑体系，框架梁和柱子为铰接，各柱间的支撑抵抗水平的荷载。此种结构比较适合横向较短，纵向较长的工业厂房，结构较为经济，比较节省钢材，其缺点为各柱间的支撑可能会影响到上部钢结构的使用。

3.3.2纯框架结构体系。此种结构为将纵向和横向两个方向上都设计为刚接框架，不在各柱间设置支撑。纯框架结构体系的使用空间不容易受到影响，在设计时不适合采用工字型截面柱，一般适宜采用口形或圆形等两个方向上惯性矩差别不大的截面形式，采用此结构需要较多的钢材用量，施工制作相对较为困难。

3.3.3钢架+支撑混合体系。钢架和支撑混合体系综合了框架和支撑体系、纯框架结构体系两种结构体系的优点，结构设计时将纵向设计为钢架和支撑混合的结构形式，在厂房的外侧设置柱间支撑，依靠二者的共同作用来抵抗水平力。钢架和支撑混合体系将少了柱子的纵向弯矩，柱间的支撑抵抗水平力效果较好，设计可以采用工字型的截面柱，此种结构需要较大的楼层刚度，适合采用钢筋混凝土楼面来保证整体的空间刚度，其截面宽度较大。

结合工程要求和钢结构各结构体系的优缺点，本方案选择钢架和支撑混合体系。

4.钢结构的抗震性能

4.1.从材料强度方面来讲，钢材的强度约为混凝土材料的8倍，而材料重度方面，前者重度仅为混凝土重度的3.2倍，因此，针对相同承载条件下，钢材料结构在重量方面比混凝土结构要轻很多。其次，从结构构件的横截面形状来看，钢结构构件一般为空腹截面，常用的型钢如槽钢、工字钢、角钢、H型钢和T型钢等，钢构件对横截面具有较高的利用率；相应的混凝土结构构件，一般为实腹截面，如长方形、正方形等。对于高层钢结构建筑，采用钢结构可以明显降低结构整体重量，因此，在地震中减小结构所承受的地震力，减小地震对钢结构的影响。

4.2.根据钢材和混凝土材料的应力应变曲线可以发现，相对于混凝土材料，钢材具有很好的弹塑性，表现出更好的延展性，这可以通过钢材材料的延伸率来判断，其材料延伸率可超过20%。在地震中可充分利用材料的延展性来抵抗地震对结构的影响，减小地震对钢结构的破坏。

4.3.比较钢材与混凝土材料的滞回曲线可以发现，钢结构材料的滞回曲线通常情况下都比较饱满，在地震中能更好的消耗地震作用中产生的能量；而钢筋混凝土结构的滞回曲线与前者相比，表现出明显的捏拢效应。对于结构材料来讲，其结构滞回性能越好，在地震中对地震作用反应越小，对地震作用有更好的抗震性能。

5.钢结构的抗震设计

5.1.钢结构预制构件拼接建筑结构。张晓波从汶川抗震救灾中广泛使用的活动板房,归纳总结指出,在钢结构预制构件拼接建筑结构中,预制钢构件的连接增加了结构的超静定次数,从而增加了塑性铰的形成数量,构成多道抗震防线,不仅提高了结构的抗震可靠度,更延长了结构进入倒塌的过程。即使是纯框架结构(类似于汶川校舍建筑)之类的楼房,也能大大提高其抗震能力。且这种结构具有施工方便,工期短,自重轻,结构面积小,节能,维修方便等优点,可以作为抗震结构设计类型。

5.2.支撑布置方式。由于高度限制,用于高层钢结构建筑的框架体系常设置支撑。同时,为控制楼层的顶点位移及层间位移,可设置水平加强层。增加支撑体系和水平加强层是提高结构整体刚度,减少梁、柱用钢量有效方法之一,具有较好的经济效果。不同的支撑布置形式对其地震响应有不同的影响。

5.3.轻型门式刚架设计。实腹式轻型门式刚架结构按截面形式主要有两种类型:等截面门式刚架和变截面门式刚架。门式刚架结构的主体结构一般由等截面或变截面的焊接(或轧制)H型钢门架构成,柱脚常设计为铰接或刚接,维护结构通常采用压型钢板作为轻型外墙和屋面。变截面的焊接H型钢门式刚架通常将构件腹板制成楔形,只改变腹板宽度,不改变腹板厚度、翼缘的宽度和厚度。依据刚架的弯矩分布特点,门式刚架柱一般由一个楔形构件组成,而梁则由几个楔形构件组成。轻型门式刚架结构体系具有施工速度快、安装方便、造型轻盈美观、造价低廉等诸多优点,近年来已经成为单、多层工业厂房、仓储库房和大跨轻钢结构的主要形式之一。如下图所示：

5.4.巨型梁设置。巨型梁的设置对整个巨型钢结构的抗震性能影响很大,是巨型钢结构抗震设计中的一个重要问题。

徐国林等通过计算研究发现,巨型梁的数量不是越多越好。此外巨型梁数量要保证结构具有足够的抗侧刚度,且要考虑巨型梁柱线刚度,使其相差不能太大,以利于抗震。在地震动作用下巨型梁位置的改变对结构的反应影响较大,而从反应谱分析中并未看出巨型梁位置改变对结构反应的影响。

6.结束语

总之，设计人员进行钢结构抗震设计时，应首先从概念设计着手，制订比较合理的设计方案。相信随着钢结构抗震设计研究的不断进步,在不久的将来,会有越来越多让人们“信得过”的钢结构建筑问世。

参考文献：

[1]张晓波,从汶川地震看钢结构预制构件拼接建筑结构的应用和发展[J].住宅产业,2012(7)

[2]崔辉辉等,支撑布置方式对具水平加强层全钢高层结构抗震性能的影响分析[J].福建建筑,2011(9).

[3]彭彤.对建筑抗震结构设计的探讨[J].科技创新导报，2012(02)：109-110.