关于单层钢结构工业厂房结构设计

【摘要】近些年来，世界各地频繁发生地震，带来的房屋倒塌、人员伤亡、财产损失，让我们深刻体会到了建筑物在设计时充分考虑抗震的重要性，作为一名结构设计工程师更是如此。但是，由于地震有着复杂性和不确定性的特点，以目前的科技手段还很难完全掌握地震的发生规律。因此，通过对单层工业厂房在地震中的破坏现象，分析其破坏的原因，对震后的恢复重建具有重要的现实意义和指导价值，并可作为今后结构设计的参考依据。下面就从结构体系、构件连接方面来分析单层钢结构厂房的设计原则和所须注意的问题。

【关键词】钢结构；工业厂房；抗震设计

一、结构体系

一般单层钢结构厂房采用框架支撑体系，即横向设计成刚接框架，纵向设计成柱间支撑体系，这种体系经济节约，但柱间支撑可能会影响使用功能。这种形式特别适用于纵向较长，横向较短的单层工业厂房。

1、截面设计

钢结构厂房与钢筋混凝土房屋一样，同样应遵守强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的抗震设计基本原则。

1.1 强柱弱粱。指在粱柱连接节点处柱端实际受弯承载力要大于梁端实际受弯承载力。一般采用增大柱端弯矩的做法。也就是使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求，用以提高结构的变形能力，防止在强烈地震作用下倒塌。“强柱弱梁”不仅是手段，也是目的，其手段表现在人们认为对柱的设计弯矩放大，对梁不放大。其目的表现在调整后，柱的抗弯能力比之前强了，而梁不变。即柱的能力提高程度比梁大。这样梁柱一起受力时，梁端可以先于柱屈服。

1.2 强剪弱弯。指避免构件（梁、柱、墙）剪力较大的部位在梁端达到塑性变形能力极限之前发生非延性破坏，即控制脆性破坏形式的发生。也就是说结构（框架梁、柱）的抗剪承载力要大于抗弯承载力，目的是控制构件发生弯曲破坏，而不是剪切破坏，避免脆性破坏，充分发挥塑性铰的能力。

1.3 强节点若构件。以下为在设计中加强节点的措施：（1）构造保证。①增加连接强度，如增加焊缝厚度和螺栓大小。②梁端加腋或加隅撑。③加厚梁柱节点域的腹板厚度或增设水平和斜向加劲肋。（2）计算保证。①按抗震弹性设计：计算中考虑抗震承载力调整系数为0.85，初步确定焊缝尺寸或螺栓数量、间距、直径。②按以上确定的焊缝尺寸或螺栓数量、间距、直径验算连接的抗震极限受弯、受拉和拼接承载力是否大于其构件的屈服承载力，并留有一定的裕量。

2、支撑体系

屋面支撑和柱间支撑是保证单层工业厂房结构稳定的重要构件，尤其是柱间支撑，在地震中常出现支撑斜杆的扭曲，随之引起支撑与钢柱连接节点的破坏，而交叉式支撑中部的连接处则出现节点板扭曲变形。当支撑与柱的连接节点为焊接时，其破坏特征多呈现为焊缝断裂或节点板撕裂，或者将连接处钢柱腹板拉裂；当支撑与柱子连接节点为螺栓连接时，多呈现为：螺栓孔处的节点板断裂，支撑杆端的连接孔处断裂、连接螺栓剪断、支撑螺栓连接端部板开裂、支撑节点板与柱剪断等破坏。据统计，螺栓连接的支撑破坏高于焊接连接。故在抗震设计时，支撑连接宜优先选用焊接连接，在实际工程中也有螺栓连接和焊接连接同时使用的情况。柱间支撑的设置和构造，应符合下列要求：（1）一般情况下，应在厂房单元中部设置上下柱间支撑，且下柱支撑应与上柱支撑配套设置；（2）有起重机或8度和9度时，宜在厂房单元两端增设上柱支撑；（3）厂房单元较长或8度III、Ⅳ类场地和9度时，可在厂房单元中部1/3区段内设置两道柱间支撑。（4）下柱支撑的下节点位置和构造措施，应保证将地震作用直接传给基础；当6度和7度（0.109）不能直接传给基础时，应计及支撑对柱和基础的不利影响采取加强措施。（5）交叉支撑在交叉点应设置节点板，其厚度不应小于lOmm，斜杆与交叉节点板应焊接，与端节点板宜焊接。

3、围护结构

维护结构的破坏多由于拉结不足或者高宽比比较大造成破坏，在以后的设计中应加强柱与墙的拉结，调整高宽比，局部可采用框架、轻质围护墙等措施减少震害。

二、构件连接

1、节点脆性破坏原理

众多学者的研究表明，节点的脆性破坏原因主要是由焊缝的质量和较高的二向应力引起。节点脆性破坏的典型模式为：脆性裂纹自梁下翼缘与柱翼缘相交焊缝处，通过不同途径扩展，导致多种多样的断裂模式。相关学者一共总结了8种裂纹形式，其中有7类裂纹起源于梁下翼缘和柱翼缘的交叉区域，这充分说明了节点的梁底部翼缘焊接区是发生脆性破坏的主要区域，具体的破坏原因可以总结为以下几点：首先是结构在焊接过程中的问题。在焊接过程中容易产生各种影响因素，包括焊缝金属的冲击韧性低和焊缝存在的缺陷，这些都是应力集中可能产生的结果。在地震力作用下，梁柱的节点外应力值较大且状态复杂，焊接部位的钢材往往处于二向应力状态，从而使节点焊缝截面成为结构的薄弱环节。而钢材的韧性，仅在较细的杆件处于单轴应力状态下才得以充分发挥，当其处于三向应力状态下，就很难充分发挥材料的优势性能，从而就会在没有明显屈服现象的情况下发生脆性破坏。其次，在坡口焊缝处的衬板和引弧板造成的“人工”裂缝的存在，也会使裂缝尖端的应力极度系数超过临界值，从而引发不稳定断裂。再次，梁柱连接处的钢材因受到约束不能转动，尤其是当柱翼缘板材较厚时，这种约束使梁柱节点处钢材不能屈服，从而加剧了该处焊缝的局部高应力，也增大了再焊缝缺陷中引发裂缝的几率。另外还有柱节点板域过大的剪切屈服变形，组合楼板产生的负面影响等其他多种因素。

2、梁柱节点的设计原则

钢框架梁柱连接节点的基本设计原则就是节点必须能够完全传递被连接板件的弯矩和剪力，充分发挥钢材的塑性性能，保证钢框架梁柱节点在地震作用下少发生甚至不发生脆性破坏。据此提出的节点设计方法，概括起来为如下几点：①将塑性铰的位置外移；②对梁翼缘焊缝衬板缺口效应进行处理；③改进形切角构造；④选用有较高冲击韧性的焊缝；⑤将梁腹板与柱子焊接。

在抗震设计中，直接的满焊焊接可能无法满足要求，要通过抗震措施来加强。目前，主要采用将塑性铰自梁端外移来避免强震下梁柱连接外焊缝破坏的做法，其常用的方法有以下几种：①加强梁端截面；②局部削弱梁截面；③狗骨式与梁端加强式相结合的做法。这几种方法的目的都是相对地加大梁端的局部截面，减小该处的局部应力，确保结构发生延性破坏。但在节点局部加强时应十分注意，不要因此而出现弱柱的情况，否则违背强柱弱梁的设计原则。

另外，还应注意以下构造措施：①梁与柱刚性连接时，按抗震设防要求，柱在梁翼缘上下各500ram的节点范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱型柱壁板间的组合焊缝，应采用全焊透剖口焊缝；②当梁翼缘的塑性截面模量小于全截面塑性截面模量的70%时梁腹板与柱的连接螺栓不得少于两列。当仅需要一列时，仍应布置两列，且螺栓总数不得少于计算值的1.5倍；③螺栓孔等对粱全截面的削弱率不应大于25%。通过这些构造措施的改进，就能保证在大震作用下，梁上出现塑性铰，从而减轻震害，实现大震不倒的抗震设计目标。

三、结语

本文从结构体系、构件连接等方面概括了单层钢结构工业厂房的抗震原则和要求。从而让我们了解到，在设计单层工业厂房时，应从提高厂房整体的抗震性能着手，使厂房在总体上满足抗震的要求，而不仅仅考虑局部构件和部位，随着对地震作用研究的深入，对地震设计的经验总结也越来越全面。近年来多地发生地震也使抗震设计越来越受到重视，工业厂房的抗震设计发展前景将会更广阔。