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单层钢结构的结构体系与支撑体系

  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,青岛钢结构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。




  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。