建筑結(jié)構(gòu)抗震(8-3-2)-單層鋼結(jié)構(gòu)廠房

8.3單層鋼結(jié)構(gòu)廠房8.3.1抗震設(shè)計對單層鋼結(jié)構(gòu)廠房體系的要求8.3.2地震作用計算8.3.3桿件驗算和構(gòu)造措施第0頁/共86頁單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)體系一般可以分為橫向結(jié)構(gòu)（跨度方向）與縱向結(jié)構(gòu)（柱距方向）兩個方向。橫向結(jié)構(gòu)一般是柱－梁體系或柱－屋架體系；縱向結(jié)構(gòu)一般是柱－連系梁－支撐體系。8.3.1抗震設(shè)計對單層鋼結(jié)構(gòu)廠房體系的要求第1頁/共86頁橫向結(jié)構(gòu)按跨數(shù)區(qū)分單跨多跨（有等高和不等高之分）按結(jié)構(gòu)形式區(qū)分排架體系剛架體系橫向結(jié)構(gòu)排架體系中，柱腳剛接，屋架則與柱頂采用鉸接連接。剛架體系中，柱腳可以剛接或鉸接，屋架或?qū)嵏故戒摿簞t與柱頂剛接。多跨單層廠房采用實腹式鋼梁時，鋼梁和柱頂?shù)倪B接可部分剛接，部分鉸接，但是至少其中的2根柱子應(yīng)在柱頂和梁剛性連接。第2頁/共86頁a)單跨排架結(jié)構(gòu)圖8.21單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的橫向結(jié)構(gòu)b)單跨剛架結(jié)構(gòu)c)多跨等高廠房d)多跨不等高廠房第3頁/共86頁縱向結(jié)構(gòu)圖8.22單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的縱向結(jié)構(gòu)示意縱向結(jié)構(gòu)一般處理成支撐－鉸接框架形式，柱腳與基礎(chǔ)按鉸接連接設(shè)計，柱子與縱向連系梁、吊車梁、支撐構(gòu)件之間也按鉸接連接設(shè)計。在大柱距廠房中，通常縱向還有托架結(jié)構(gòu)。第4頁/共86頁屋蓋結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)現(xiàn)在無檁體系：屋架＋支撐＋鋼筋混凝土大型屋面板體系有檁體系：屋架（或?qū)嵏故戒摿海危珯_條＋壓型鋼板墻體材料：現(xiàn)代工業(yè)廠房越來越多地采用壓型鋼板，但是也有的廠房仍采用砌塊作墻體，即使在采用壓型鋼板作圍護(hù)的廠房中，從基礎(chǔ)梁上方至相對標(biāo)高1～1.5m范圍內(nèi)采用砌塊，以及車間內(nèi)防火墻等采用砌塊的也不在少數(shù)。第5頁/共86頁多跨廠房可以做到按等高布置的，盡可能按等高布置考慮。當(dāng)因工藝需要設(shè)置高低跨、或設(shè)置高低跨可以較大幅度降低建造費用（減少維護(hù)材料）和使用費用（節(jié)約采暖費用）等，廠房可以采用各跨不等高。對地震中低跨屋蓋高度處的慣性力給連接高低跨的柱子施加橫向力的問題，鋼柱設(shè)計時需予以考慮。結(jié)構(gòu)上相互聯(lián)系的車間，其平面宜規(guī)整。圖8.23所示廠房平面，相鄰兩跨在縱向長度不一樣，可能產(chǎn)生的問題是，當(dāng)跨度方向受到地震作用時，4軸框架和5軸框架的結(jié)構(gòu)橫向剛度、質(zhì)量都不相同，同一時刻的振動加速度、位移也不相同，平面突然改變處易遭受破壞。從結(jié)構(gòu)抗震角度考慮，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)布置時需注意如下問題圖8.23不規(guī)整的廠房平面第6頁/共86頁圖8.24縱橫跨相垂直的廠房平面廠房體型復(fù)雜時，宜設(shè)防震縫。在廠房縱橫跨交界處（參見圖8.24）、大柱網(wǎng)廠房或不設(shè)柱間支撐的廠房，防震縫寬度可采用100～150mm，其他情況可采用50～90mm。廠房內(nèi)上吊車的爬梯不應(yīng)靠近在防震縫設(shè)置；多跨廠房各跨上吊車的爬梯不應(yīng)布置在同一橫向軸線附近。設(shè)置爬梯處決定了吊車的停靠位置；如果多跨廠房的吊車集中停靠在某一軸線附近，則受到地震作用時，該處的慣性力將顯著高于其他軸線處的框架，這是抗震設(shè)計中應(yīng)當(dāng)避免的。廠房各柱列的側(cè)移剛度宜均勻。第7頁/共86頁屋蓋平面內(nèi)，應(yīng)設(shè)置橫向水平支撐。屋蓋平面內(nèi)的橫向水平支撐不僅是減少實腹式鋼梁或鋼屋架弦桿平面外計算長度所必需的，也是將屋蓋平面內(nèi)的水平地震作用有效地傳遞至鋼柱所必需的。采用鋼屋架的結(jié)構(gòu)中，必要時應(yīng)設(shè)置豎向支撐，豎向支撐保持屋架高度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，同時將屋架上弦的地震水平作用傳遞至柱子。采用鋼屋架的屋蓋結(jié)構(gòu)，如遇下列情況，還需要布置縱向水平支撐：（1）屋架間距大于或等于12m時；（2）廠房內(nèi)有特重級橋式吊車、壁行吊車或雙層橋式吊車時；（3）有起重量較大的中級或重級工作制吊車時；（4）廠房內(nèi)有較大振動設(shè)備時；（5）要求廠房具有較大空間剛度時；（6）設(shè)有托架時，在托架處局部設(shè)置縱向支撐。一般情況下，縱向水平支撐布置在屋架下弦平面內(nèi)。單跨結(jié)構(gòu)沿廠房縱向兩側(cè)各布置一道；多跨結(jié)構(gòu)則布置數(shù)道。第8頁/共86頁縱向結(jié)構(gòu)平面內(nèi)，無特殊原因的應(yīng)設(shè)置柱間支撐。縱向平面長度大，可能有較大噸位的吊車運行，為減少不均勻沉降等引起的不利影響，設(shè)計時力圖減少超靜定次數(shù)，縱向桿件如吊車梁、聯(lián)系梁等與柱的連接多采用鉸接連接；廠房柱的強(qiáng)軸彎曲方向一般在橫向框架平面內(nèi)，縱向是抗彎剛度的弱軸方向，該方向柱腳也就通常按鉸接處理，所以支撐系統(tǒng)是該方向有效抵抗水平地震作用所必需的。只有當(dāng)條件限制確實無法采用支撐時，才考慮通過剛性框架的方式抵抗地震作用。有吊車的廠房，應(yīng)在廠房縱向結(jié)構(gòu)的單元中部設(shè)置上下柱間支撐，并應(yīng)在單元兩端設(shè)上柱支撐；采用輕質(zhì)屋蓋和墻板的廠房，溫度應(yīng)力一般不會成為控制因素，如有需要，端部單元也可設(shè)置下柱支撐。7度時，結(jié)構(gòu)單元長度大于120m，或8、9度時單元長度大于90m時，宜在單元中部1/3區(qū)段內(nèi)設(shè)置兩道上下柱支撐。第9頁/共86頁計算單層鋼結(jié)構(gòu)廠房時，一般假定沿廠房橫向（跨度方向）和豎向的地震作用由橫向框架承受，沿縱向（柱距方向）的地震作用由縱向框架承受。結(jié)構(gòu)計算模型的選取廠房抗震計算時，根據(jù)屋蓋高差和吊車設(shè)置情況，可分別采用單質(zhì)點、雙質(zhì)點或多質(zhì)點的結(jié)構(gòu)計算模型。8.3.2地震作用計算圖8.26雙質(zhì)點模型

圖8.25單質(zhì)點模型第10頁/共86頁不設(shè)吊車的單跨或多跨等高排架結(jié)構(gòu)，一般可簡化為單質(zhì)點的懸臂柱（圖8.25）。不設(shè)吊車的單跨或多跨等高結(jié)構(gòu)，也可簡化為單質(zhì)點的懸臂柱，但在設(shè)定等效柱的抗側(cè)剛度時，需要考慮柱頂剛接梁對柱頂?shù)募s束作用。廠房設(shè)吊車時，吊車梁位置有較大的重力荷載及地震水平作用，一般可作為雙質(zhì)點模型考慮（圖8.26）。高低跨廠房結(jié)構(gòu)也可按類似原則考慮。就結(jié)構(gòu)剛度而言，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房都可以簡化為簡單的力學(xué)模型；但是，由于不同跨、不同柱子上質(zhì)量分布的高度和大小不一致，簡化為簡單的力學(xué)模型進(jìn)行地震作用計算時，需要考慮結(jié)構(gòu)特征值的等效和慣性力作用的等效，否則便會得出與實際相差較大的結(jié)果。而現(xiàn)在的計算機(jī)結(jié)構(gòu)分析程序可以方便地實現(xiàn)多質(zhì)點模型的固有值計算、地震作用計算和內(nèi)力分析，所以，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房可以按照比較符合實際的情況建立多質(zhì)點分析模型。第11頁/共86頁就結(jié)構(gòu)剛度而言，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房都可以簡化為簡單的力學(xué)模型；但是，由于不同跨、不同柱子上質(zhì)量分布的高度和大小不一致，簡化為簡單的力學(xué)模型進(jìn)行地震作用計算時，需要考慮結(jié)構(gòu)特征值的等效和慣性力作用的等效，否則便會得出與實際相差較大的結(jié)果。而現(xiàn)在的計算機(jī)結(jié)構(gòu)分析程序可以方便地實現(xiàn)多質(zhì)點模型的固有值計算、地震作用計算和內(nèi)力分析，所以，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房可以按照比較符合實際的情況建立多質(zhì)點分析模型。第12頁/共86頁計算廠房地震作用時，圍護(hù)墻的自重與剛度的取用壓型鋼板等輕質(zhì)墻板、與柱柔性連接的預(yù)制鋼筋混凝土墻板，計算時計入全部自重，但不考慮其剛度。與柱貼砌且與柱拉結(jié)的砌體圍護(hù)墻，計算時計入全部自重，在平行于墻體方向計算時可以計入等效剛度，等效系數(shù)可以采用0.4。計算橫向結(jié)構(gòu)時的空間剛度作用采用壓型鋼板等輕型屋蓋的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，各橫向結(jié)構(gòu)可視為互相獨立的結(jié)構(gòu)，按排架或剛架進(jìn)行分析；當(dāng)采用鋼筋混凝土大型屋面板等剛度較大的屋蓋時，宜計入屋蓋的剛度進(jìn)行空間分析。第13頁/共86頁計算縱向結(jié)構(gòu)時地震作用的分配原則采用輕質(zhì)墻板或與柱柔性連接的大型墻板的廠房，各柱列的地震作用可按如下方法分配：廠房采用鋼筋混凝土無檁屋蓋的，可以考慮屋蓋剛度對結(jié)構(gòu)整體性的貢獻(xiàn)，地震作用按柱列剛度分配。廠房采用輕型屋蓋的：各柱列地震作用可該柱列承受的重力荷載代表值的比例分配。廠房采用鋼筋混凝土有檁屋蓋的，可取上述兩種算法的平均值。采用與柱子貼砌的燒結(jié)普通粘土磚圍護(hù)墻廠房，可參照第九章的有關(guān)敘述。但是，若僅在1.5m高度以下采用砌塊墻體，上方為輕質(zhì)墻板的鋼結(jié)構(gòu)廠房，按采用輕質(zhì)墻板的廠房對待。第14頁/共86頁豎向地震作用的計算《抗震規(guī)范》規(guī)定跨度大于24m的鋼屋架應(yīng)計算豎向地震作用。豎向地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值，取重力荷載代表值和豎向地震作用系數(shù)的乘積。吊車計算吊車自重和懸吊物對結(jié)構(gòu)的重力作用，與吊車自重及懸吊物因地震作用引起的慣性力是同時作用在結(jié)構(gòu)上的。進(jìn)行地震作用效應(yīng)組合時，重力荷載代表值效應(yīng)中應(yīng)包括吊車及其懸吊物的重力標(biāo)準(zhǔn)值；參與組合的地震作用效應(yīng)中，需計入吊車自重引起的地震作用；對于懸吊物，按《抗震規(guī)范》規(guī)定，軟鉤吊車的懸吊物重力可以不計，硬鉤吊車的懸吊物重量取組合值系數(shù)0.3，但吊重較大時，應(yīng)按實際情況采用。在同一橫向結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)靜力計算時，最多考慮的吊車臺數(shù)為2臺，抗震計算時可以按此種情況考慮。第15頁/共86頁單層鋼結(jié)構(gòu)廠房體系是超靜定次數(shù)不高的結(jié)構(gòu)體系，其桿件驗算，原則上與靜力設(shè)計的要求相同；但是在罕遇地震作用下，也會發(fā)生桿件進(jìn)入塑性的情況，因此桿件設(shè)計和節(jié)點設(shè)計都應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)抗震的構(gòu)造要求。鋼柱的長細(xì)比限制柱子長細(xì)比過大，容易因失穩(wěn)導(dǎo)致承載力提前下降，并阻礙塑性變形能力發(fā)展?！犊拐鹨?guī)范》規(guī)定單層鋼結(jié)構(gòu)廠房柱柱子長細(xì)比不應(yīng)大于120，其中fay為鋼材的屈服點。8.3.3桿件驗算和構(gòu)造措施第16頁/共86頁梁與柱的板件寬厚比限制重屋蓋廠房，板件寬厚比按多層和高層鋼結(jié)構(gòu)房屋考慮，7、8、9度的抗震等級可分別按四、三、二級采用。輕屋蓋廠房，塑性耗能區(qū)板件寬厚比限值可根據(jù)其承載力的高低按性能指標(biāo)確定。塑性耗能區(qū)外的板件寬厚比限值，可按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017彈性設(shè)計階段的板件寬厚比限值。柱間支撐及節(jié)點的抗震驗算和構(gòu)造要求有吊車廠房的下柱柱間支撐應(yīng)采用型鋼，上柱支撐可以采用型鋼或圓鋼。支撐形式宜采用交叉式，支撐斜桿與水平面交角不宜大于55°；重型廠房中的下柱支撐因工藝限制無法使用交叉式時，可以使用門式支撐或人形支撐。柱間支撐的長細(xì)比，應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定。第17頁/共86頁交叉式支撐在交叉點處應(yīng)設(shè)置節(jié)點板，其厚度不應(yīng)小于10mm。斜桿與交叉節(jié)點板應(yīng)焊接，與端節(jié)點板宜焊接。交叉支撐中有一桿中斷時，交叉節(jié)點板應(yīng)加強(qiáng)，使其承載力大于1.1倍桿件承載力。交叉支撐的端部連接，對單角鋼支撐應(yīng)考慮強(qiáng)度折減系數(shù)，對按拉桿設(shè)計的支撐桿件，其強(qiáng)度折減系數(shù)取0.85；在8、9度時，不得采用單面偏心連接。支撐和構(gòu)件的連接，不應(yīng)小于支撐桿件塑性承載力的1.2倍。屋蓋支撐及節(jié)點的抗震驗算和構(gòu)造要求屋蓋支撐的截面設(shè)計，根據(jù)桿件內(nèi)力確定。屋架設(shè)置豎向支撐的，其斜桿應(yīng)能承受和傳遞水平地震作用。屋蓋支撐的連接承載力，應(yīng)大于桿件的內(nèi)力，并滿足構(gòu)造要求。第18頁/共86頁柱腳設(shè)計要求單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的柱腳形式有埋入式（插入式）、外包式、外露式等（圖8.27）。埋入式、外包式都是剛性連接的柱腳形式，外露式有剛性連接和鉸接連接兩種方式。圖8.27柱腳形式第19頁/共86頁設(shè)防烈度為6、7度時，柱腳可以采用外露式柱腳，可能條件下應(yīng)按剛接處理，此時柱腳錨栓的組合彎矩設(shè)計值應(yīng)乘以增大系數(shù)1.2。外露式柱腳柱子底板與基礎(chǔ)頂面之間用無收縮砂漿進(jìn)行二次灌漿。剪力較大時需設(shè)置抗剪鍵。鑒于在過去的大地震中發(fā)生過外露式柱腳錨栓被拔出等破壞現(xiàn)象，高烈度地區(qū)采用外露式柱腳應(yīng)慎重。實腹式鋼柱采用插入式柱腳時，其埋置深度不得小于鋼柱截面高度的2倍，同時滿足式（8.18）的要求。

式中

d——柱腳埋深；

M——柱腳全截面屈服時的極限彎矩；

bf——柱在受彎方向截面的翼緣