建筑结构抗震(8-3-2)-单层钢结构厂房

8.3单层钢结构厂房8.3.1抗震设计对单层钢结构厂房体系的要求8.3.2地震作用计算8.3.3杆件验算和构造措施第0页/共86页单层钢结构厂房的结构体系一般可以分为横向结构（跨度方向）与纵向结构（柱距方向）两个方向。横向结构一般是柱－梁体系或柱－屋架体系；纵向结构一般是柱－连系梁－支撑体系。8.3.1抗震设计对单层钢结构厂房体系的要求第1页/共86页横向结构按跨数区分单跨多跨（有等高和不等高之分）按结构形式区分排架体系刚架体系横向结构排架体系中，柱脚刚接，屋架则与柱顶采用铰接连接。刚架体系中，柱脚可以刚接或铰接，屋架或实腹式钢梁则与柱顶刚接。多跨单层厂房采用实腹式钢梁时，钢梁和柱顶的连接可部分刚接，部分铰接，但是至少其中的2根柱子应在柱顶和梁刚性连接。第2页/共86页a)单跨排架结构图8.21单层钢结构厂房的横向结构b)单跨刚架结构c)多跨等高厂房d)多跨不等高厂房第3页/共86页纵向结构图8.22单层钢结构厂房的纵向结构示意纵向结构一般处理成支撑－铰接框架形式，柱脚与基础按铰接连接设计，柱子与纵向连系梁、吊车梁、支撑构件之间也按铰接连接设计。在大柱距厂房中，通常纵向还有托架结构。第4页/共86页屋盖结构传统现在无檩体系：屋架＋支撑＋钢筋混凝土大型屋面板体系有檩体系：屋架（或实腹式钢梁）＋支撑＋檩条＋压型钢板墙体材料：现代工业厂房越来越多地采用压型钢板，但是也有的厂房仍采用砌块作墙体，即使在采用压型钢板作围护的厂房中，从基础梁上方至相对标高1～1.5m范围内采用砌块，以及车间内防火墙等采用砌块的也不在少数。第5页/共86页多跨厂房可以做到按等高布置的，尽可能按等高布置考虑。当因工艺需要设置高低跨、或设置高低跨可以较大幅度降低建造费用（减少维护材料）和使用费用（节约采暖费用）等，厂房可以采用各跨不等高。对地震中低跨屋盖高度处的惯性力给连接高低跨的柱子施加横向力的问题，钢柱设计时需予以考虑。结构上相互联系的车间，其平面宜规整。图8.23所示厂房平面，相邻两跨在纵向长度不一样，可能产生的问题是，当跨度方向受到地震作用时，4轴框架和5轴框架的结构横向刚度、质量都不相同，同一时刻的振动加速度、位移也不相同，平面突然改变处易遭受破坏。从结构抗震角度考虑，单层钢结构厂房结构布置时需注意如下问题图8.23不规整的厂房平面第6页/共86页图8.24纵横跨相垂直的厂房平面厂房体型复杂时，宜设防震缝。在厂房纵横跨交界处（参见图8.24）、大柱网厂房或不设柱间支撑的厂房，防震缝宽度可采用100～150mm，其他情况可采用50～90mm。厂房内上吊车的爬梯不应靠近在防震缝设置；多跨厂房各跨上吊车的爬梯不应布置在同一横向轴线附近。设置爬梯处决定了吊车的停靠位置；如果多跨厂房的吊车集中停靠在某一轴线附近，则受到地震作用时，该处的惯性力将显著高于其他轴线处的框架，这是抗震设计中应当避免的。厂房各柱列的侧移刚度宜均匀。第7页/共86页屋盖平面内，应设置横向水平支撑。屋盖平面内的横向水平支撑不仅是减少实腹式钢梁或钢屋架弦杆平面外计算长度所必需的，也是将屋盖平面内的水平地震作用有效地传递至钢柱所必需的。采用钢屋架的结构中，必要时应设置竖向支撑，竖向支撑保持屋架高度范围内的稳定性，同时将屋架上弦的地震水平作用传递至柱子。采用钢屋架的屋盖结构，如遇下列情况，还需要布置纵向水平支撑：（1）屋架间距大于或等于12m时；（2）厂房内有特重级桥式吊车、壁行吊车或双层桥式吊车时；（3）有起重量较大的中级或重级工作制吊车时；（4）厂房内有较大振动设备时；（5）要求厂房具有较大空间刚度时；（6）设有托架时，在托架处局部设置纵向支撑。一般情况下，纵向水平支撑布置在屋架下弦平面内。单跨结构沿厂房纵向两侧各布置一道；多跨结构则布置数道。第8页/共86页纵向结构平面内，无特殊原因的应设置柱间支撑。纵向平面长度大，可能有较大吨位的吊车运行，为减少不均匀沉降等引起的不利影响，设计时力图减少超静定次数，纵向杆件如吊车梁、联系梁等与柱的连接多采用铰接连接；厂房柱的强轴弯曲方向一般在横向框架平面内，纵向是抗弯刚度的弱轴方向，该方向柱脚也就通常按铰接处理，所以支撑系统是该方向有效抵抗水平地震作用所必需的。只有当条件限制确实无法采用支撑时，才考虑通过刚性框架的方式抵抗地震作用。有吊车的厂房，应在厂房纵向结构的单元中部设置上下柱间支撑，并应在单元两端设上柱支撑；采用轻质屋盖和墙板的厂房，温度应力一般不会成为控制因素，如有需要，端部单元也可设置下柱支撑。7度时，结构单元长度大于120m，或8、9度时单元长度大于90m时，宜在单元中部1/3区段内设置两道上下柱支撑。第9页/共86页计算单层钢结构厂房时，一般假定沿厂房横向（跨度方向）和竖向的地震作用由横向框架承受，沿纵向（柱距方向）的地震作用由纵向框架承受。结构计算模型的选取厂房抗震计算时，根据屋盖高差和吊车设置情况，可分别采用单质点、双质点或多质点的结构计算模型。8.3.2地震作用计算图8.26双质点模型

图8.25单质点模型第10页/共86页不设吊车的单跨或多跨等高排架结构，一般可简化为单质点的悬臂柱（图8.25）。不设吊车的单跨或多跨等高结构，也可简化为单质点的悬臂柱，但在设定等效柱的抗侧刚度时，需要考虑柱顶刚接梁对柱顶的约束作用。厂房设吊车时，吊车梁位置有较大的重力荷载及地震水平作用，一般可作为双质点模型考虑（图8.26）。高低跨厂房结构也可按类似原则考虑。就结构刚度而言，单层钢结构厂房都可以简化为简单的力学模型；但是，由于不同跨、不同柱子上质量分布的高度和大小不一致，简化为简单的力学模型进行地震作用计算时，需要考虑结构特征值的等效和惯性力作用的等效，否则便会得出与实际相差较大的结果。而现在的计算机结构分析程序可以方便地实现多质点模型的固有值计算、地震作用计算和内力分析，所以，单层钢结构厂房可以按照比较符合实际的情况建立多质点分析模型。第11页/共86页就结构刚度而言，单层钢结构厂房都可以简化为简单的力学模型；但是，由于不同跨、不同柱子上质量分布的高度和大小不一致，简化为简单的力学模型进行地震作用计算时，需要考虑结构特征值的等效和惯性力作用的等效，否则便会得出与实际相差较大的结果。而现在的计算机结构分析程序可以方便地实现多质点模型的固有值计算、地震作用计算和内力分析，所以，单层钢结构厂房可以按照比较符合实际的情况建立多质点分析模型。第12页/共86页计算厂房地震作用时，围护墙的自重与刚度的取用压型钢板等轻质墙板、与柱柔性连接的预制钢筋混凝土墙板，计算时计入全部自重，但不考虑其刚度。与柱贴砌且与柱拉结的砌体围护墙，计算时计入全部自重，在平行于墙体方向计算时可以计入等效刚度，等效系数可以采用0.4。计算横向结构时的空间刚度作用采用压型钢板等轻型屋盖的单层钢结构厂房，各横向结构可视为互相独立的结构，按排架或刚架进行分析；当采用钢筋混凝土大型屋面板等刚度较大的屋盖时，宜计入屋盖的刚度进行空间分析。第13页/共86页计算纵向结构时地震作用的分配原则采用轻质墙板或与柱柔性连接的大型墙板的厂房，各柱列的地震作用可按如下方法分配：厂房采用钢筋混凝土无檩屋盖的，可以考虑屋盖刚度对结构整体性的贡献，地震作用按柱列刚度分配。厂房采用轻型屋盖的：各柱列地震作用可该柱列承受的重力荷载代表值的比例分配。厂房采用钢筋混凝土有檩屋盖的，可取上述两种算法的平均值。采用与柱子贴砌的烧结普通粘土砖围护墙厂房，可参照第九章的有关叙述。但是，若仅在1.5m高度以下采用砌块墙体，上方为轻质墙板的钢结构厂房，按采用轻质墙板的厂房对待。第14页/共86页竖向地震作用的计算《抗震规范》规定跨度大于24m的钢屋架应计算竖向地震作用。竖向地震作用的标准值，取重力荷载代表值和竖向地震作用系数的乘积。吊车计算吊车自重和悬吊物对结构的重力作用，与吊车自重及悬吊物因地震作用引起的惯性力是同时作用在结构上的。进行地震作用效应组合时，重力荷载代表值效应中应包括吊车及其悬吊物的重力标准值；参与组合的地震作用效应中，需计入吊车自重引起的地震作用；对于悬吊物，按《抗震规范》规定，软钩吊车的悬吊物重力可以不计，硬钩吊车的悬吊物重量取组合值系数0.3，但吊重较大时，应按实际情况采用。在同一横向结构中，结构静力计算时，最多考虑的吊车台数为2台，抗震计算时可以按此种情况考虑。第15页/共86页单层钢结构厂房体系是超静定次数不高的结构体系，其杆件验算，原则上与静力设计的要求相同；但是在罕遇地震作用下，也会发生杆件进入塑性的情况，因此杆件设计和节点设计都应满足结构抗震的构造要求。钢柱的长细比限制柱子长细比过大，容易因失稳导致承载力提前下降，并阻碍塑性变形能力发展。《抗震规范》规定单层钢结构厂房柱柱子长细比不应大于120，其中fay为钢材的屈服点。8.3.3杆件验算和构造措施第16页/共86页梁与柱的板件宽厚比限制重屋盖厂房，板件宽厚比按多层和高层钢结构房屋考虑，7、8、9度的抗震等级可分别按四、三、二级采用。轻屋盖厂房，塑性耗能区板件宽厚比限值可根据其承载力的高低按性能指标确定。塑性耗能区外的板件宽厚比限值，可按《钢结构设计规范》GB50017弹性设计阶段的板件宽厚比限值。柱间支撑及节点的抗震验算和构造要求有吊车厂房的下柱柱间支撑应采用型钢，上柱支撑可以采用型钢或圆钢。支撑形式宜采用交叉式，支撑斜杆与水平面交角不宜大于55°；重型厂房中的下柱支撑因工艺限制无法使用交叉式时，可以使用门式支撑或人形支撑。柱间支撑的长细比，应符合《钢结构设计规范》规定。第17页/共86页交叉式支撑在交叉点处应设置节点板，其厚度不应小于10mm。斜杆与交叉节点板应焊接，与端节点板宜焊接。交叉支撑中有一杆中断时，交叉节点板应加强，使其承载力大于1.1倍杆件承载力。交叉支撑的端部连接，对单角钢支撑应考虑强度折减系数，对按拉杆设计的支撑杆件，其强度折减系数取0.85；在8、9度时，不得采用单面偏心连接。支撑和构件的连接，不应小于支撑杆件塑性承载力的1.2倍。屋盖支撑及节点的抗震验算和构造要求屋盖支撑的截面设计，根据杆件内力确定。屋架设置竖向支撑的，其斜杆应能承受和传递水平地震作用。屋盖支撑的连接承载力，应大于杆件的内力，并满足构造要求。第18页/共86页柱脚设计要求单层钢结构厂房的柱脚形式有埋入式（插入式）、外包式、外露式等（图8.27）。埋入式、外包式都是刚性连接的柱脚形式，外露式有刚性连接和铰接连接两种方式。图8.27柱脚形式第19页/共86页设防烈度为6、7度时，柱脚可以采用外露式柱脚，可能条件下应按刚接处理，此时柱脚锚栓的组合弯矩设计值应乘以增大系数1.2。外露式柱脚柱子底板与基础顶面之间用无收缩砂浆进行二次灌浆。剪力较大时需设置抗剪键。鉴于在过去的大地震中发生过外露式柱脚锚栓被拔出等破坏现象，高烈度地区采用外露式柱脚应慎重。实腹式钢柱采用插入式柱脚时，其埋置深度不得小于钢柱截面高度的2倍，同时满足式（8.18）的要求。

式中

d——柱脚埋深；

M——柱脚全截面屈服时的极限弯矩；

bf——柱在受弯方向截面的翼缘