鋼結(jié)構(gòu)震害分析與廠房鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

您現(xiàn)在的位置：鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)首頁(yè) > 鋼構(gòu)資訊 > 鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)論文 > 鋼結(jié)構(gòu)震害分析與廠房鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

作者：王元清丁大益宗亮石永久
時(shí)間：2011-12-21 17:09:05 [收藏]

摘要：我國(guó)是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，在歷次地震中，鋼結(jié)構(gòu)建筑事故屢有發(fā)生，其中包括許多廠房鋼結(jié)構(gòu)。因此進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)震害分析，明確廠房鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思路是極其重要的。本文結(jié)合筆者多年的工程經(jīng)驗(yàn)、汶川地震現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及廠房鋼結(jié)構(gòu)理論分析計(jì)算，明確了地震中鋼結(jié)構(gòu)震害的特點(diǎn)，并針對(duì)廠房鋼結(jié)構(gòu)，提出了需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的五種情況及相應(yīng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：震害分析，廠房，鋼結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計(jì)

1 引言

全世界地震主要分布于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶。我國(guó)位于地球的兩大地震帶之間，是地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。2008年5月12日汶川特大地震（M8.0）造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，其中大部分是由于大量建筑物倒塌造成的。提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，進(jìn)行具有足夠安全系數(shù)的抗震設(shè)計(jì)，對(duì)于國(guó)計(jì)民生有著極其重要的意義。

相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)在抗震方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。但是在近期世界范圍內(nèi)的大型地震中，包括美國(guó)Northridge地震、日本阪神地震、土耳其伊比米特地震、臺(tái)灣集集地震以及汶川地震等，鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌的現(xiàn)象仍屢有發(fā)生。因此，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)震害分析是十分必要的。進(jìn)一步講，在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，廠房鋼結(jié)構(gòu)占據(jù)很大比例。廠房鋼結(jié)構(gòu)在地震下的安全性也更為重要，一是會(huì)影響到工廠中工人的生命財(cái)產(chǎn)安全，二是會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)生活，甚至對(duì)震后的救災(zāi)帶來(lái)許多不便。因此，對(duì)于廠房鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究分析，并在此基礎(chǔ)上提出合理的抗震設(shè)計(jì)方法是至關(guān)重要的。

本文結(jié)構(gòu)筆者多年的工程經(jīng)驗(yàn)和震后實(shí)地調(diào)研，重點(diǎn)分析了汶川地震中鋼結(jié)構(gòu)的震害情況，并提出了廠房鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的諸多要點(diǎn)。由多例工程實(shí)例表明，筆者的廠房鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念可以有效地保證結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。

2 鋼結(jié)構(gòu)震害分析

2.1 典型國(guó)外地震介紹

2.1.1 Northridge地震

Northridge地震發(fā)生于1994年，里氏6.7級(jí)。諾斯里奇地震時(shí)，H形截面的梁柱節(jié)點(diǎn)的典型破壞形式。由圖中可見(jiàn)，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)破壞發(fā)生在梁端下翼緣處柱中，這可能是由于混凝土樓板與鋼梁共同作用，使下翼緣應(yīng)力增大，而下翼緣與柱連接焊縫又存在較多缺陷造成的。

2.1.2 阪神地震

阪神地震發(fā)生于1995年1月，里氏7.2級(jí)。阪神地震中鋼結(jié)構(gòu)主要破壞形式為帶有外伸橫隔板的箱形柱與H型鋼梁剛性節(jié)點(diǎn)的破壞。連接裂縫主要向梁的一側(cè)擴(kuò)展，這主要和采用外伸的橫隔板構(gòu)造有關(guān)。阪神地震中有鋼結(jié)構(gòu)房屋倒塌現(xiàn)象，但這些鋼結(jié)構(gòu)大多是1971年以前建造的，當(dāng)時(shí)日本鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范尚未修訂，抗震設(shè)計(jì)水平還不高。

2.2汶川地震中建筑震害特點(diǎn)

2008年5月12日14點(diǎn)28分我國(guó)四川汶川發(fā)生里氏8.0特點(diǎn)地震，造成巨大生命財(cái)產(chǎn)損失，其中大量建筑物倒塌是主要原因。地震發(fā)生后，應(yīng)四川省建設(shè)廳要求和建設(shè)部指派，清華大學(xué)土木工程系先后排出兩支專(zhuān)家組奔赴四川參加抗震救災(zāi)，主要進(jìn)行震后害房屋安全排查。筆者作為首批專(zhuān)家組成員，于5月16日～5月26日在綿陽(yáng)市建設(shè)局和房產(chǎn)局統(tǒng)一安排下，深入綿陽(yáng)市、江油市、安縣、梓潼、平武等災(zāi)區(qū)，對(duì)主要公共建筑、學(xué)校、醫(yī)院、政府辦公樓等進(jìn)行房屋安全排查。根據(jù)排查結(jié)果，得到汶川地震中建筑震害有如下特點(diǎn)^[1]：

（1）我國(guó)房屋建筑抗震安全儲(chǔ)備和設(shè)計(jì)水平逐漸提高，從74抗震規(guī)范到89抗震規(guī)范到2001規(guī)范，建筑震害有明顯減輕趨勢(shì)。按照89和2001抗震規(guī)范設(shè)計(jì)并保證施工質(zhì)量時(shí)，總體上能夠達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。

（2）大量磚混結(jié)構(gòu)，特別是一些沒(méi)有設(shè)圈梁和構(gòu)造柱的舊建筑發(fā)生整體倒塌，甚至粉碎性倒塌，造成慘重?fù)p失。

（3）框架-砌體結(jié)構(gòu)由于豎向或水平混合，地震反映明顯。對(duì)于豎向混合（底部框架上部磚混），多為底部軟弱層破壞；對(duì)于水平混合，多為結(jié)構(gòu)體系混亂，剛度不協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致嚴(yán)重破壞。

（4）框架結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)震害較輕，主要破壞發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和填充墻。但特別需要注意的是，地震中發(fā)生了許多柱端破壞，這是由框架梁剛度較大造成的。

（5）總體來(lái)說(shuō)，汶川地震中鋼結(jié)構(gòu)震害相對(duì)較小，這恰好說(shuō)明鋼結(jié)構(gòu)建筑具有良好的抗震性能，適合在高烈度區(qū)應(yīng)用，但是也有許多鋼結(jié)構(gòu)工程事故實(shí)例。這些實(shí)例主要表現(xiàn)在：

1）傳統(tǒng)重屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房

2.3 鋼結(jié)構(gòu)震害分析

鋼結(jié)構(gòu)房屋在強(qiáng)震作用下，往往表現(xiàn)為強(qiáng)度足夠，但側(cè)向剛度不足。鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式主要為：

（1）框架節(jié)點(diǎn)區(qū)的梁柱焊接連接破壞

（2）豎向支撐的整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)

（3）柱腳焊縫破壞及錨栓失效

具體而言，構(gòu)件的破壞包括翼緣的屈曲、拼接處的裂縫、節(jié)點(diǎn)焊縫處裂縫引起的柱翼緣層狀撕裂、框架柱的脆性斷裂，腹板屈曲和裂縫、截面扭轉(zhuǎn)屈曲。當(dāng)梁或柱在地震作用下反復(fù)受彎，以及構(gòu)件的截面尺寸和局部構(gòu)造如長(zhǎng)細(xì)比、板件寬厚比設(shè)計(jì)時(shí)，可能產(chǎn)生構(gòu)件的局部屈曲破壞。

支撐構(gòu)件為結(jié)構(gòu)提供了較大的側(cè)向剛度，當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較大時(shí)，承受的軸向力（反復(fù)拉壓）增加，如果支撐的長(zhǎng)度、局部加勁板構(gòu)造與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造等出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)出現(xiàn)破壞或失穩(wěn)。如圖11所示。

由于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)傳力集中、構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，容易造成應(yīng)力集中、強(qiáng)度不均衡現(xiàn)象，再加上可能出現(xiàn)的焊縫缺陷、構(gòu)造缺陷，就更容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)破壞。節(jié)點(diǎn)域的破壞形式比較復(fù)雜，主要有加勁板的屈曲和開(kāi)裂、加勁板焊縫出現(xiàn)裂縫、腹板的屈曲和裂縫。如圖12所示。

1 廠房鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

1.1 廠房鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)工業(yè)廠房包括鋼筋混凝土廠房和鋼屋架廠房。鋼筋混凝土廠房由鋼筋混凝土柱、鋼筋混凝土屋架或鋼屋架組成，具有“肥梁、胖柱、重蓋、深基”的特點(diǎn)。廠房結(jié)構(gòu)跨度大，構(gòu)件延性及強(qiáng)度儲(chǔ)備較低；自重大，地震反應(yīng)強(qiáng)；墻面多采用磚砌體，抗倒塌能力差。鋼屋架廠房由鋼柱、鋼桁架屋蓋組成。結(jié)構(gòu)屋蓋自重大，地震反應(yīng)強(qiáng)；整體剛度差；施工較為復(fù)雜。傳統(tǒng)工業(yè)廠房的這些特征大大降低了鋼筋混凝土廠房的抗震性能，要達(dá)到抗震設(shè)計(jì)的要求，其經(jīng)濟(jì)成本將大幅提高，因此有必要開(kāi)發(fā)并選取新型的廠房鋼結(jié)構(gòu)形式，以滿(mǎn)足抗震設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。

輕型鋼結(jié)構(gòu)是在普通鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)形式，它包括所有輕型屋面下采用的鋼結(jié)構(gòu)。輕型鋼結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的形式為單層輕型房屋，一般采用門(mén)式剛架、屋架和網(wǎng)架為承重結(jié)構(gòu)，其上設(shè)檁條、屋面板(或板檁合一的輕質(zhì)大型屋面板)，下設(shè)柱(對(duì)剛架則梁柱合一)、基礎(chǔ)，柱外側(cè)有輕質(zhì)墻架，柱內(nèi)側(cè)可設(shè)吊車(chē)梁。目前工業(yè)廠房多采用輕型房屋門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)。圖13為典型的輕型房屋門(mén)式鋼架結(jié)構(gòu)。

3.2 輕型房屋門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，由于門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)采用薄壁型鋼檁條墻架梁、輕質(zhì)高強(qiáng)屋面和墻體材料，地震作用相對(duì)小，結(jié)構(gòu)計(jì)算通稱(chēng)由風(fēng)荷載組合起控制作用，具有良好的抗震性能。筆者所帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自98年以來(lái)在四川設(shè)計(jì)了約50多個(gè)輕鋼廠房項(xiàng)目，到目前尚未接到地震損壞報(bào)告。現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011)中明確規(guī)定，該規(guī)范不適用于單層輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房。其抗震設(shè)計(jì)應(yīng)遵循《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS102: 2003)，其中包含如下規(guī)定^[2][4]：

（1）由于單層門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的自重較小，通常7度地區(qū)可不作抗震驗(yàn)算，8度及以上地區(qū)應(yīng)作抗震驗(yàn)算，局部夾層的也需進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

（2）對(duì)輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)由地震作用效應(yīng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，尚應(yīng)針對(duì)輕型鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。

（3）門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)高度不大于40m，以剪切變形為主，且質(zhì)量及剛度沿高度分布比較均勻，可以采用底部剪力法計(jì)算。

根據(jù)使用功能的不同，將常用的輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房分為四類(lèi)：

（1）單層門(mén)式剛架廠房（不帶吊車(chē)）

（2）帶吊車(chē)的單層門(mén)式剛架廠房

（3）帶夾層的門(mén)式剛架廠房

（4）四周為磚墻圍護(hù)的門(mén)式剛架廠房

以下將通過(guò)一系列算例，驗(yàn)證地震作用對(duì)以上四類(lèi)門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算的原始參數(shù)參見(jiàn)表1，表2和表3。

門(mén)式剛架廠房按橫向平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)承載能力極限狀態(tài)，按荷載效應(yīng)的基本組合和偶然組合進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)正常使用極限狀態(tài)按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算簡(jiǎn)圖參見(jiàn)圖14所示。

為了方便比較，以結(jié)構(gòu)高度作為變化參數(shù)，同時(shí)控制結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件的使用應(yīng)力達(dá)到材料設(shè)計(jì)值的水平（即為應(yīng)力水平）。結(jié)構(gòu)計(jì)算柱距取為7.5m^{[5]，在分析比較風(fēng)荷載作用組合與地震作用組合對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，抗震設(shè)防烈度取8度，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，地震分組為第一組。}

3.2.1 單層門(mén)式剛架廠房（不帶吊車(chē)）

廠房荷載參數(shù)如表1所示，考慮風(fēng)載工況組合、地震工況組合對(duì)柱頂側(cè)移的影響。分析這種結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)不變。規(guī)程規(guī)定該類(lèi)單層門(mén)式剛架廠房柱頂位移限值為h/60 (h為結(jié)構(gòu)檐口處高度) 。

計(jì)算主要結(jié)論如下：

（1）由圖15可知，對(duì)于相同的結(jié)構(gòu)計(jì)算幾何參數(shù)和計(jì)算荷載參數(shù)，結(jié)構(gòu)周期與結(jié)構(gòu)自重都是一個(gè)定值，隨著地震作用的增大，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化很小，結(jié)構(gòu)的柱頂側(cè)移也隨之加大，在圖2中其影響曲線為一下降的曲線。但是，地震作用組合工況仍不是結(jié)構(gòu)的控制工況。

（2）由圖16可知，如果結(jié)構(gòu)高度較小，控制結(jié)構(gòu)的是：恒荷載+活荷載，而風(fēng)荷載組合與地震作用組合對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很小。結(jié)構(gòu)柱的應(yīng)力比控制為：0.71～0.86，結(jié)構(gòu)梁的應(yīng)力比控制為：0.64～0.92。隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，風(fēng)荷載組合對(duì)結(jié)構(gòu)的影響逐漸增加，取代“恒荷載+活荷載”而成為結(jié)構(gòu)的控制工況；隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，結(jié)構(gòu)周期也隨之增大，結(jié)構(gòu)的自重也隨之增加，地震作用組合對(duì)結(jié)構(gòu)的影響變化不大，在圖16中地震作用的影響曲線基本是一水平線。在結(jié)構(gòu)高度較小時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移影響大于風(fēng)荷載組合，隨著結(jié)構(gòu)高度增加，風(fēng)荷載組合逐漸成為控制工況，而地震作用組合對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響始終滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)移的控制要求。

因此，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，隨著結(jié)構(gòu)高度增加，風(fēng)荷載組合逐漸成為控制工況，而地震作用組合對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不大，可以不必計(jì)算。

3.2.2    帶吊車(chē)的單層門(mén)式剛架廠房

帶吊車(chē)單層門(mén)式剛架工業(yè)廠房的荷載參數(shù)根據(jù)表1和表2中數(shù)據(jù)確定，計(jì)算風(fēng)載組合工況和地震作用組合工況對(duì)牛腿處和柱頂側(cè)移的影響^[6]。分析這種結(jié)構(gòu)時(shí)，需調(diào)整結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，使其滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。帶吊車(chē)的單層門(mén)式剛架廠房柱頂位移限值應(yīng)滿(mǎn)足h／400。

計(jì)算主要結(jié)論如下：

（1）由圖17可知，對(duì)于相同的結(jié)構(gòu)計(jì)算幾何參數(shù)和計(jì)算荷載參數(shù)，其周期與自重都是一個(gè)定值，隨著地震作用的增大，結(jié)構(gòu)的側(cè)移也隨之加大，牛腿處側(cè)移與柱頂側(cè)移動(dòng)變化趨勢(shì)是一致的，在圖17中為一下降的曲線。由于結(jié)構(gòu)參數(shù)條件未做改變，隨著地震作用的增大，結(jié)構(gòu)的側(cè)移超出規(guī)程允許值。但是，地震作用組合工況僅是結(jié)構(gòu)側(cè)移的控制工況，不是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的控制工況。

（2）由圖18可知，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，風(fēng)荷載組合對(duì)牛腿處的側(cè)移是逐漸增大的，但不是結(jié)構(gòu)的控制工況。而地震作用組合的影響總體趨勢(shì)上基本保持不變，主要因?yàn)椋?)、結(jié)構(gòu)高度變化時(shí)，而牛腿處的標(biāo)高不變，即為6m；2)、隨著結(jié)構(gòu)高度增加，結(jié)構(gòu)周期隨之增大，結(jié)構(gòu)的自重也有所增加。結(jié)構(gòu)柱的應(yīng)力比控制為：0.61～0.69，結(jié)構(gòu)梁的應(yīng)力比控制為：0.59～0.89。因此，隨結(jié)構(gòu)高度的變化，地震作用組合對(duì)牛腿處的側(cè)移是基本上變化不大的，在圖18中基本是一水平線。

（3）由圖19可知，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，二者的變化趨勢(shì)是一致的。其中，風(fēng)荷載組合對(duì)高度的變化較為敏感，隨著高度的增加趨勢(shì)更顯著，但一直未超過(guò)地震作用組合。地震作用組合對(duì)高度的變化不敏感，在建筑高度較小時(shí)，對(duì)側(cè)移的影響大大超出風(fēng)荷載組合的作用，地震作用組合一直是柱頂側(cè)移的控制工況。

從上述結(jié)果可以看出，在帶吊車(chē)的門(mén)式剛架廠房里，地震作用組合是側(cè)移的控制工況，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮抗震驗(yàn)算。

3.2.3     帶夾層的門(mén)式剛架廠房

這種結(jié)構(gòu)形式不同于多層結(jié)構(gòu)，也不同于一般的單層門(mén)式剛架工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)。較為常見(jiàn)的是在單層門(mén)式剛架工業(yè)廠房局部設(shè)計(jì)成為二層或多層辦公室，常常與單層門(mén)式剛架工業(yè)廠房一同建設(shè)。一般下部為框架結(jié)構(gòu)，上部為門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，因此不能用一種規(guī)范或規(guī)程計(jì)這種結(jié)構(gòu)。對(duì)于這種混合結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)根據(jù)多層結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)，而上部則采用門(mén)式剛架規(guī)程設(shè)計(jì)比較合理經(jīng)濟(jì)。

由于夾層結(jié)構(gòu)的恒載和活載均遠(yuǎn)大于門(mén)式剛架，因此地震作用較大，地震作用組合成為這種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)控制工況。分析這種結(jié)構(gòu)時(shí)，需根據(jù)地震作用與廠房結(jié)構(gòu)高度調(diào)整結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，使其滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

局部夾層的門(mén)式剛架工業(yè)廠房的結(jié)構(gòu)參數(shù)和荷載參數(shù)根據(jù)表1中數(shù)據(jù)確定，夾層處的標(biāo)高為4.0m，改變結(jié)構(gòu)高度，計(jì)算分析風(fēng)荷載組合與地震作用組合對(duì)夾層主梁處和柱頂側(cè)移的影響。

計(jì)算主要結(jié)論如下：

（1）由圖20可知，隨著地震作用的增大，結(jié)構(gòu)側(cè)移也隨之加大。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)形式，地震作用組合工況是其控制工況。因此，隨著地震作用的增加，必須要增大原結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)，使其滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。由于增大結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)和地震荷載，結(jié)構(gòu)的周期基本不變，結(jié)構(gòu)自重稍有增加，圖20中的曲線不如圖2和圖4中曲線光滑，隨著地震作用的增大，結(jié)構(gòu)的側(cè)移也隨之加大，夾層處側(cè)移與柱頂側(cè)移動(dòng)變化趨勢(shì)是一致的，在圖7中為一下降的曲線。地震作用組合工況是這種結(jié)構(gòu)形式的控制工況。

（2）由圖21可知，地震作用隨著結(jié)構(gòu)高度的增加而減弱。風(fēng)荷載組合則是隨之增加，風(fēng)荷載組合對(duì)結(jié)構(gòu)的側(cè)移的影響較地震作用要小，地震作用組合成為結(jié)構(gòu)側(cè)移的控制工況。邊柱的應(yīng)力比控制為：0.53～0.54，中柱的應(yīng)力比控制為：0.8～0.84，梁的應(yīng)力比控制為：0.55～0.59（屋面梁），0.89～0.95（夾層主梁），計(jì)算夾層主梁未考慮混凝土對(duì)主梁的組合作用。對(duì)下部結(jié)構(gòu)的控制應(yīng)根據(jù)多層結(jié)構(gòu)的相應(yīng)規(guī)范，地震作用控制層間位移角為1/300，風(fēng)荷載作用控制層間位移角為1/400。

（3）由圖22可知，地震作用組合隨著結(jié)構(gòu)高度的增加變化不明顯，而風(fēng)荷載的變化同圖21。上部結(jié)構(gòu)的控制應(yīng)根據(jù)門(mén)式剛架技術(shù)規(guī)程，控制柱頂側(cè)移。

這種結(jié)構(gòu)一般為地震作用組合控制，設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)必須計(jì)算這種工況，但應(yīng)依據(jù)不同規(guī)范和規(guī)程設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于這種結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)不同的規(guī)范或規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)控制，不可單純使用一種規(guī)范和規(guī)程來(lái)設(shè)計(jì)。

1.1.1     四周為磚墻圍護(hù)的單層門(mén)式剛架廠房

這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型同單層門(mén)式剛架工業(yè)廠房相比，主要區(qū)別在于：維護(hù)結(jié)構(gòu)的不同，四周為輕質(zhì)彩板維護(hù)，對(duì)柱頂側(cè)移控制相對(duì)較松；四周為磚墻維護(hù)，對(duì)柱頂側(cè)移控制較嚴(yán)。

四周為磚墻圍護(hù)的單層門(mén)式剛架廠房受力和變形有如下特點(diǎn)：

（1）磚墻和剛架所受荷載有所不同。屋面的風(fēng)荷載由門(mén)式剛架承受，墻面的風(fēng)荷載主要由墻體承受；對(duì)于地震作用，門(mén)式剛架承受鋼結(jié)構(gòu)和屋面受的荷載，磚墻承受自身所受的地震作用。為了保證磚墻的自承重，應(yīng)該按照砌體結(jié)構(gòu)規(guī)范在磚墻內(nèi)部設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁。

（2）磚墻和剛架柱屬于兩種完全不同的結(jié)構(gòu)，它們的周期和振型差別比較大，在荷載作用下它們的變形不協(xié)調(diào)。磚墻維護(hù)與承重結(jié)構(gòu)之間留有一定的施工縫隙，結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下產(chǎn)生的最大側(cè)移必須小于施工縫隙，防止它們之間的碰撞。

（3）門(mén)式剛架柱平面外無(wú)墻體作用時(shí)，柱平面外穩(wěn)定問(wèn)題突出，特別是廠房較高時(shí)，應(yīng)根據(jù)計(jì)算需要設(shè)置一道或者多道柱間系梁，減少柱平面外長(zhǎng)細(xì)比。同時(shí)系梁的布置在縱向方向要保證與柱間支撐協(xié)調(diào)傳力。

綜上，四周磚墻圍護(hù)的單層門(mén)式剛架在設(shè)計(jì)計(jì)算上與一般的單層門(mén)式剛架工業(yè)廠房有所區(qū)別，抗震措施也有很大不同，并且在側(cè)移控制要嚴(yán)于單層門(mén)式剛架工業(yè)廠房。

1.1.2     抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)

綜上分析，對(duì)于輕型房屋門(mén)式鋼架鋼結(jié)構(gòu)，下列情況需要進(jìn)行抗震設(shè)防：

（1）高烈度區(qū)，8度以上

（2）吊車(chē)噸位較大，或工作制較高

（3）帶夾層或局部帶夾層

（4）帶磚混維護(hù)墻

（5）屋蓋懸掛荷載較大

這些類(lèi)門(mén)式剛架廠房中，地震作用明顯，可能起控制作用，設(shè)計(jì)中需要考慮抗震。

總結(jié)上述分析結(jié)論，可得各典型情況下的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：

1）帶吊車(chē)的門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)

Ø         當(dāng)?shù)踯?chē)噸位較大（15噸以上），或工作制較高（A5以上），應(yīng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

Ø         隨著地震等級(jí)提高，地震荷載逐漸超過(guò)風(fēng)荷載，成為結(jié)構(gòu)側(cè)移的控制荷載，但不是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制工況；

Ø         在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮采用地震組合工況對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移進(jìn)行驗(yàn)算。

Ø         隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響超過(guò)地震荷載

2）帶夾層或局部夾層的門(mén)式剛架

Ø         地震組合為控制工況，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮，應(yīng)根據(jù)不同的規(guī)范和規(guī)程分別設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)和夾層；

Ø         夾層下部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，廠房上部結(jié)構(gòu)根據(jù)門(mén)式剛架技術(shù)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3）四周為磚墻圍護(hù)的門(mén)式剛架

Ø         為了保證磚墻的自承重與抗震性能，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置圈梁及構(gòu)造柱；

Ø         磚墻與剛架在荷載下變形不協(xié)調(diào)，需要預(yù)留一定的施工縫隙，并作好柔性連接構(gòu)造；

Ø         四周為磚墻圍護(hù)的門(mén)式剛架對(duì)側(cè)移的控制要求嚴(yán)于相應(yīng)的門(mén)式剛架，其側(cè)移要小于施工縫隙，而且還要保證磚墻與承重結(jié)構(gòu)連接可靠。

Ø         門(mén)式剛架計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮磚墻圍護(hù)地震作用影響。

4）屋蓋懸掛荷載較大的門(mén)式剛架

Ø         屋蓋較大的懸掛荷載對(duì)門(mén)式剛架影響較大，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮地震作用。

Ø         除了對(duì)剛架截面影響較大外，往往對(duì)剛架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)帶來(lái)影響，端板上螺栓布置困難，尚無(wú)可靠的計(jì)算方法。
下面根據(jù)上述幾種類(lèi)型，給出筆者參與的幾個(gè)工程實(shí)例圖片：

現(xiàn)行CECS102:2002《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)結(jié)構(gòu)的跨度、吊車(chē)噸位和柱距有一定要求。即：吊車(chē)噸位大于20t、吊車(chē)工作制大于A5。當(dāng)不滿(mǎn)足限制條件時(shí)，不能按現(xiàn)行CECS102:2002《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須按照普通鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2003）進(jìn)行設(shè)計(jì)。筆者結(jié)合多年工程經(jīng)驗(yàn)，建議采用輕型圍護(hù)門(mén)式剛架普通鋼結(jié)構(gòu)。其主要技術(shù)要求為：

（1）主承重結(jié)構(gòu)采用門(mén)式剛架（包括格構(gòu)式截面）；

（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板；

（3）門(mén)式剛架柱截面和吊車(chē)梁截面等承重結(jié)構(gòu)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)（包括抗震設(shè)計(jì)）；

（4）門(mén)式剛架梁截面和檁條、墻梁、支撐等按《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》設(shè)計(jì)；

（5）節(jié)點(diǎn)采用端板連接節(jié)點(diǎn)，或采用栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)；

以筆者參與的多個(gè)工程為例，可知這種結(jié)構(gòu)形式可帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。其抗震設(shè)計(jì)方法應(yīng)分別遵循《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求即可，在此不再贅述。

1           結(jié)語(yǔ)

(1) 汶川地震中鋼結(jié)構(gòu)震害相對(duì)較小，這說(shuō)明鋼結(jié)構(gòu)建筑具有良好的抗震性能，適合在高烈度區(qū)應(yīng)用，但是在傳統(tǒng)重屋蓋鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房、大跨度公共建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)等仍存在鋼結(jié)構(gòu)事故實(shí)例。

(2) 鋼結(jié)構(gòu)房屋在強(qiáng)震作用下，往往表現(xiàn)為強(qiáng)度足夠，但側(cè)向剛度不足，且焊縫連接處常常發(fā)生脆性破壞。應(yīng)采取措施提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，提高焊接質(zhì)量。

(3) 單層門(mén)式剛架隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，風(fēng)荷載成為其設(shè)計(jì)的控制工況，而地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很小，對(duì)于設(shè)防烈度不高的地區(qū)可以不必計(jì)算。

(4) 帶吊車(chē)的門(mén)式剛架地震作用組合對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響一般要大于風(fēng)荷載組合，應(yīng)該計(jì)算地震荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

(5) 局部夾層的下部結(jié)構(gòu)地震作用是其控制工況，必須根據(jù)多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)則根據(jù)門(mén)式剛架技術(shù)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(6) 四周維護(hù)為磚墻的單層門(mén)式剛架對(duì)側(cè)移的控制要求要嚴(yán)于相應(yīng)的門(mén)式剛架，其側(cè)移控制要小于施工縫隙，而且還要保證磚墻與承重結(jié)構(gòu)連接可靠，減小剛架柱平面外的計(jì)算長(zhǎng)度，提高平面外的穩(wěn)定性。

(7) 屋蓋較大的懸掛荷載對(duì)門(mén)式剛架影響較大，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮地震作用。

(8) 當(dāng)結(jié)構(gòu)的跨度、吊車(chē)噸位和柱距不滿(mǎn)足CECS102:2002《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的限制要求時(shí)，建議采用輕型圍護(hù)門(mén)式剛架普通鋼結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

1         汶川地震建筑震害調(diào)查與災(zāi)后重建分析報(bào)告。中國(guó)建筑工業(yè)出版社，北京，2008.8。

2         CECS102：2003，門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

3         GB50011-2002，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

4         申林，蔡益燕.<門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程>修訂介紹[J].建筑結(jié)構(gòu)，2002（9）.

5         王元清，王春光.門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房最優(yōu)柱距研究[J].工業(yè)建筑，1999，（6）.

6         王元清，章軍等. 帶吊車(chē)門(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房基礎(chǔ)反力的計(jì)算與設(shè)計(jì)[J].工業(yè)建筑，2002，（12）.