工业厂房抗震概念设计

牛贺亮 张子扬 宫长亮

摘要：抗震设计是工业厂房建筑结构设计的重要组成部分，在工业厂房的抗震设计时，合理的结构布置、保证结构的延性、减轻结构上部的重量、考虑到支撑系统的布置、柱及节点的廷性以及围护结构的稳定性，是单层工业厂房抗震概念设计重要内容。良好的概念设计，则可以从根本上消除薄弱环节，使整个建筑物具有较高的总体抗震.

关键词：抗震缝， 抗推刚度 ，柱间支撑

中图分类号：TU2文献标识码： A

前言

所谓抗震概念设计就是进行结构抗震设计时，应着眼于结构的总体地震反应，按照建筑结构的破坏机制和破坏过程，灵活地运用抗震设计准则，全面地合理地解决结构设计中的基本问题。既要注意总体布置上的原则，又要顾及到关键部位的细节，从根本上提高建筑结构的抗震能力。 所谓抗震概念设计就是进行结构抗震设计时，着眼于结构的总体地震反应，按照结构的破坏机制和破坏过程，灵活地运用抗震设计准则，全面合理地解决结构设计的基本问题。既注意总体布置上的原则，又顾及到关键部位的细节，从根本上提高结构的抗震能力。地震是一种随机振动，有难于把握的复杂性和不确定性，要准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数，目前尚难做到。在结构分析方面，由于未能充分考虑结构的空间作用、结构材料的非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，同时也存在着不准确性。因此，工程抗震问题不能完全依赖“计算设计”解决，而必须立足于“概念设计”。

一.厂房震害概述 单层厂房的破坏主要是因为体系内存在一定的抗震薄弱环节，受震源机制影响，不同地震，同一烈度区内单层厂房的震害现象也不相同，所体现出来的薄弱环节也不一致，但是大体上有一定的规律可循[2]。单层厂房的抗震能力及其在地震中的破坏程度，不仅取决于结构和构件的抗震能力，而且在很大程度上取决于单层厂房的整体抗震能力，薄弱环节的存在很大程度上削弱了厂房的整体抗震能力。 研究表明，在地震作用下，单层厂房的一般震害现象是：在7度区，厂房的主体结构完好，门式天窗竖向支撑部分发生破坏，或节点预埋件被拔出，中柱列的柱间支撑，易发生杆件压曲或支撑与柱的连接节点拉脱，围护结构主要震害是砖围护墙体的局部开裂或外闪，山墙或纵墙出屋面的女儿墙多数倒塌；在8度区，屋盖系统出现少数屋面板滑落，屋架端头支墩断裂等典型破坏现象，上柱根部和柱肩部位出现水平裂缝，下柱根部出现纵向水平裂缝，柱间支撑普遍发生压曲现象；在9度及大于9度区，震害现象与8度区类似，但显著加重，主要体现为主体结构严重开裂破坏。

二.工业厂房的结构体系钢结构具有强度高、塑性韧性好、自重小、制作简便、施工工期短、节能环保等优点。随着经济的发展，单层钢结构厂房在工业建筑中得到广泛应用。采用单层工业厂房，生产工艺流程相对简洁，地面上可以放置较重的机器设备和产品，内部生产运输容易组织。但是在强烈地震作用下单层厂房有局部破坏、甚至倒塌现象的事故发生。对于工业厂房的地震反应，在横向要取一排架或框排架作为计算单元；在纵向要取一个柱列，忽略结构的整体作用。换言之，该结构屋盖的水平刚度可以忽略不计，地震期间各排架、框排架和山墙都是独立振动而互不影响。有学者根据单层厂房的实测数据，对单层厂房的空间整体工作与变形性质进行了研究，进而提出了空间振动理论。该理论为工业厂房抗震空间分析奠定了理论基础。根据实测数据所获得的结构厂房整体变形性质，我们可以提出一个简单的简化模型，“用屋盖将一系列排架和山墙联系起来而形成一个空间体系”，同时我们认为，从结构体系的整体来看，主厂房屋盖的横向变形是以剪切变形为主，在结构分析中，可以视屋盖为水平剪切粱，如果将横向排架所起的约束作用简化为沿纵向均匀分布的弹性约束，也就可以将数量较多的弹件支座用符合文克尔假定的弹性地基来代替。对于单层大空间体系复杂结构，一般采用混凝土组合结构和钢结构等抗震设计、计算和构造以及抗震措施。针对大型工业主厂房结构的特点，重点内容有以下几个方面：钢筋混凝土结构着重解决高强度混凝土在主厂房结构中的应用及薄弱环节的抗震；组合结构要解决钢管混凝土、外包钢的节点及楼盖等组合结构及其节点连接的抗震性能；钢结构主要解决结构体系和连接节点设计构造及强震作用下钢结构的铰接和刚性节点特性；减震、耗能措施主要侧重于新型材料研制、消能支撑的抗震以及新型减震、消能材料及其在支撑中的应用等。

三.抗震设计的一般原则

1.1场地和地基

建筑结构在地震作用下的破坏情况有四种：

（1）地震时，在水平和竖向振动作用下，建筑物的内力和变形骤增，甚至结构的受力形式发生改变，最终导致建筑物承载力不足甚至于丧失或者变形过大而破坏。

（2）地震作用下，由于节点强度不足、延性不够、锚固失效，使得结构构件缺乏可靠的连接，建筑物丧失整体性而遭破坏。

（3）地震作用下，由于地基承载力下降或地基土液化，使得地基部分失效甚至于完全失效，最终导致建筑物倾斜、倒塌。

（4）由地震引发的次生灾害如火山、洪水、滑坡、泥石流等造成建筑物的严重破坏。

所以场地的选择是建筑抗震设计成功的第一步，从选址工作开始就应该选择对抗震有利的地段，尽量避开不利的地段，避不开时应采取有效措施确保地基的稳定性；任何情况下均不考虑在抗震危险地段建造建筑物。

四.合理的结构总体布置

在有条件时，围护墙宜优先采用大型钢筋混凝土墙板或其它轻质板材。高低跨厂房的高跨封墙，以及纵横跨交接处的悬墙，应尽量采用轻质板材，并应与屋盖构件及柱有牢固锚拉。如采用砖墙，必须使墙体与屋盖构件和柱有可靠连接，保证其有足够的稳定性。构件的抗推刚度和屈服强度比，即构件实际截面和配筋计算出屈服剪力的比值。沿竖向突变，突变部位会因此出现较大的塑性变形集中，发生严重破坏。等高厂房与不等高厂房相比较，后者伸壁小柱抗推刚度和屈服强度比的突然减小，将引起地震时塑性变形集中，从而使小柱因过大变形而破坏。为保证强度和刚度的连续变化，避免高阶振型地震反应对结构带来的不利影响。在厂房的设计中，应首先选用两跨等高的排架结构。

4.1保证结构的延性

构件的抗推刚度大，势必要吸收较大的地震作用和较多的输人能量。而构件的强度低，则表明构件的屈服强度比值低，容易发生早期破坏。构件的延性小，就意味着构件所能消耗的地震能量较少。一多一少，其结果是使构件发生严重的破坏。为使构件的刚度、强度和延性相匹配，应保证在柱的临界截面屈服前发生脆性破坏以及除柱根部位外，其它部位不出现塑性铰。

4.2支撑系统布置

屋盖支撑对于保证厂房屋盖的整体性和增强厂房的抗震能力具有重要作用。震害表明，由于支撑系统的不足，也造成了大量天窗架失稳和倒塌的严重后果。因此，采用无檩体系时，除应继续保证屋面板与屋架的可靠连接外，．还应在屋盖支撑体系上做更合理的布置和进一步加强。单层厂房的纵向抗震能力是不高的，增强屋盖支撑可以有力地提高厂房纵向抗震能力。柱间支撑是保证厂房纵向刚度和将屋盖地震荷载传到基础的重要构件。由于过去对厂房纵向抗震没有足够重视，因此厂房纵向震害是比较明显的。尤其是多跨厂房的中柱列，震害更为明显。一般7度以上地震区必须在厂房设置柱间支撑，当设计烈度为8、9度时，除在厂房单元中段设柱间支撑外，在两端应增设上柱支撑，这是考虑到8、9度时地震荷载较大，为了将屋盖地震荷载分散传到柱上，从而减轻屋面板与屋架端部顶面联结点的应力，防止破坏。当厂房纵向较长，屋面较重，跨度较大且为多跨时，每一柱列亦可设两道以上柱间支撑，支撑位置可设在单元中段三分之一范围内。

4.3接点连接要求

在单层厂房设计中，排架是按铰接考虑的，而实际构造采用屋架与支柱之间焊接连接，可使节点具有较大的刚性，基本上无转动的可能，在强烈地震作用下，厂房排架产生较大的水平力，如果屋架与屋架支座构造没有考虑此地震力，而且延性又差，那么在地震冲击下，轻则柱顶开裂压酥，重则混凝土剥落，预埋板拔开，锚筋拉拖脱，屋架端头破坏，有的甚至将上柱拉断。螺栓连接有利于提高联接点的延性，在变形较大的情况下，可以起铰作用，以避免屋架端头和柱发生严重震害，即使遭到破坏也容易修复。

4.4构件构造

为了使结构构件具有较好的延性，结构方案和构造也是很重要的。如避免采用长细构件，使结构和构件不致因失稳而破坏。在应力集中区，如节点及梁、柱的端部采用较密的箍筋或连续的螺旋箍把混凝土箍紧；受拉钢筋留有足够的锚固长度；限制构件过大的配筋率，避免构件发生脆性破坏等。为了增强屋架端头的延性，端头应有固边钢筋，底部与柱连接的预埋板应加强锚固，不应采用仅有锚爪的单独预埋板，应与下铉主筋或非预应力加斜板焊牢。在一般静力设计中，柱顶没有什么特殊要求，实际上柱顶是处于素混凝土的状态，在强地震作用下，柱顶的应力状态很复杂。因而柱上端比较容易出现裂缝、酥碎、剪裂、钢筋弯折或外鼓等破坏。为了提高柱顶的抗震能力，增强柱顶的延性，应在柱顶500mm范围内箍筋加密。

4.5围护结构

当采用砖围护墙时，必须使围护墙体与屋盖构件接结，围护墙与山墙应沿全高与柱妥善拉结，以保证地震时墙体平面外的稳定，防止使墙呈悬壁状态。在有条件时，围护墙宜优先采用大型钢筋混凝土墙板或其它轻质材料。高低跨厂房的高跨封墙，以及纵横交接处的悬墙，应尽量采用轻质材料，并与屋盖构件及柱有牢固锚拉，如采用砖墙，必须使墙体与屋盖构件和柱有可靠联结，保证其有足够的稳定性。圈梁随同墙体一起倒塌的例子较多，这说明圈梁必须与柱或屋盖构件具有良好的拉结，否则在地震作用下，起不到增强厂房整体性的作用。这时顶部圈梁尤为重要，因厂房顶部在地震作用下产生位移最大，圈梁所受的冲击力亦大，为此顶部的圈梁应加强与屋盖构件或柱的拉结。山墙承重对抗震来说是不利的，一旦山墙出现严重破坏或倒塌，将造成严重后果，因此不宜采用山墙承重方案，而必须设置端屋架。

结论

良好的概念设计，可以从根本上消除薄弱环节，使整个建筑物具有较高的总体抗震能力。当设计各种建筑物时，必须考虑地震的作用能力，并采用适当的行之有效的抗震措施。随着对地震经验的不断总结，抗震研究的不断深化，设计方法也进行广泛交流，工程抗震的概念设计，愈来愈受到世界范围内工程界的普遍重视。

参考文献

[1] 张大巍，黄薇，严衍隆. 厂房结构弹塑性动力分析与抗震性能评估[J]. 河北工程大学学报(自然科学版)，2009（2）：32-35 [2] 刘琳，赵杰，刘震，王桂萱，汪宇. 基于性能抗震分析的核电常规岛主厂房设计[J]. 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2011，30（3）：365-368 [3] 田兴运，席丁民，姜守芳，陈建锋. 单层不等高厂房横向抗震效应调整系数的探讨[J]. 工业建筑，2006，36（1）：78-79