钢结构工业厂房抗震设计

钢结构工业厂房抗震设计

陈鑫

江苏省第一工业设计研究院股份有限公司    江苏省徐州市   221000

摘要：中国作为地震多发国家，建筑工程结构抗震设计深受地质构造和地震活动的影响。20世纪初，中国地震频繁，特别是1976年唐山大地震造成巨大损失，这一事件成为我国抗震设计史上的重要转折点。这些地震事件对我国抗震设计理论和实践提出了新的挑战，也促使了抗震设计规范的不断完善。随着科技的进步，新材料和先进技术的应用，以及抗震理论的不断深化，我国的抗震设计正朝着更加科学、合理和安全的方向发展。这些举措不仅提高了建筑结构的抗震能力，也为减轻地震灾害带来的损失作出了积极贡献。

关键词：钢结构；工业厂房；抗震设计

1.结构抗震设计的含义及重要性

1.1结构抗震设计的含义

抗震设计涉及在工业厂房领域内应用工程技术与设计策略，以增强建筑物抵御地震冲击时的稳定性与安全性，并优化其整体的抗震效能。其目的是通过合理的结构布局、选择适当的结构形式、材料和构件设计、加固措施等，使工业厂房结构在地震发生时能够减少破坏程度，保障人员生命安全，并尽量避免财产损失。结构抗震设计的核心在于通过科学的手段和方法，使工业厂房结构具有足够的刚度、强度和延性，以在地震作用下吸收和分散地震能量，降低结构受到地震力的影响，从而减小地震灾害对建筑物的危害程度。这一过程需要充分考虑工业厂房结构的动力响应特性、地震波传播规律、结构材料的性能以及地震作用下的结构受力机制等因素，以确保抗震设计方案的可行性和有效性。同时，结构抗震设计也需要严格遵循相关的国家标准和规范要求，以保证抗震设计的科学性和合理性，为工业厂房结构在地震区域的使用提供可靠的保障。

1.2结构抗震设计的重要性

结构抗震设计在工业厂房工程中的重要性不言而喻。地震作为一种极端自然灾害，可能对建筑物和其中的人员造成严重的危害。因此，结构抗震设计的重要性主要体现在以下几个方面：首先，结构抗震设计直接关系到人们的生命安全。在地震发生时，如果工业厂房结构缺乏抗震设计，可能导致建筑物的倒塌或严重受损，从而威胁到工业厂房内的工作人员的生命安全。通过科学的抗震设计，可以使工业厂房结构具有更好的抗震能力，减少人员伤亡的可能性。再者，采用抗震结构设计对于缓解地震带来的灾难性后果扮演着关键角色。在地震频繁的地区，合理的抗震设计能够降低建筑物受到地震影响的程度，减少地震对工业厂房结构和财产的损害，从而减少地震灾害可能带来的社会经济损失。另外，针对建筑物整体结构安全性的提升，采用抗震结构设计策略同样不可或缺。通过加强结构的抗震能力，可以提高建筑物在其他自然灾害或外部冲击下的整体抵抗能力，增强工业厂房的结构稳定性和耐久性，延长建筑物的使用寿命。最后，结构抗震设计可进一步提升城市基础设施的安全性。城市中的各种基础设施，如桥梁、隧道、水库大坝等，都需要进行抗震设计，以确保其在地震发生时能够正常运行并保持稳定，从而保障城市的正常运转和居民的生活安全。

2.钢结构工业厂房抗震设计的基本原则

2.1整体性原则

（1）将整个钢结构工业厂房作为一个系统来考虑，而不是把它看作是由独立部件组成的集合。这意味着在抗震设计中，需要综合考虑钢结构工业厂房的各个部分之间的相互作用和协同工作，而不是单独对每个部分进行设计。通过在整体考虑的基础上进行设计，可以提高工业厂房结构的整体刚度和强度，从而增强其抵抗地震力的能力。

（2）抗震设计中注重结构的韧性和能量耗散能力。地震作用通常会引起结构内部的应力和变形集中，如果结构不能承受这些应力和变形而发生破坏，将导致工业厂房整体倒塌。为了增强结构的韧性，可以采用一些措施，如提高材料的延性和减震器的安装等。这些措施可以使结构在地震作用下发生一定的变形，从而起到地震能量的耗散和减缓破坏的效果，保护整体结构的稳定性。

（3）抗震设计中注重结构的连续性和完整性。地震作用会引起结构的局部破坏和失稳，通过增强结构的连续性和完整性可以将地震作用传递到整个结构，减小局部破坏的风险。这可以通过采用适当的结构连接方式和加强结构节点的措施来实现。

2.2简化性原则

（1）结构形式设计中尽量减少复杂性。复杂的结构形式往往意味着更多的构件、更复杂的连接和更高的制造成本。而抗震设计要求结构具备足够的刚度和强度来抵抗地震作用，但并不意味着结构越复杂就能够提高抗震性能。相反，简化结构的形式可以降低结构的自重和惯性力，减小地震作用对结构的影响，提高结构的稳定性和抗震性能。

（2）降低抗震设计中的计算复杂性。抗震设计需要对结构的受力和变形进行分析，比较常用的方法是采用有限元分析等数值分析方法。因此，在抗震设计中，可以采用一些简化的计算方法和规则，如等效静力法、固定节点法等，以降低计算复杂性，并能更方便地满足实际工程需求。

（3）抗震设计中注重结构的可行性和可操作性。抗震设计涉及众多的参数和约束条件，而实际工程往往有时间和经济成本的限制。因此，设计人员需要在满足抗震设计要求的前提下，考虑实际工程的可行性和可操作性。通过合理地选择结构材料、减少构件数量和尺寸以及优化构件布局等措施，可以提高抗震设计方案的可行性，降低工程的成本和风险。

2.3抵抗性原则

（1）强调结构的强度和刚度，这是抵御地震力量的关键。在抗震设计中，结构的强度是指其能够承受的荷载大小，而刚度则指结构的变形程度。在建筑物的基础和梁柱等主要承重构件上采用高强度材料，并增加构件的截面尺寸和数量，可以提高结构的强度和刚度，从而增强工业厂房的抗震能力。

（2）结构需具备良好的耗能性能。地震时结构会受到冲击力，如果没有有效的能量耗散机制，冲击力会集中在结构某些部位上，导致局部损坏或倒塌。因此，为了保证工业厂房的抵抗性能，在结构设计中应引入一定的能量耗散机制。

（3）结构需具备良好的位移控制能力。地震力量会引起钢结构工业厂房的变形和振动，若变形和振动超过一定限度，就会导致结构损坏。因此，在结构中设置剪力墙、加劲筋等，能够有效地抑制结构的变形和振动，提高结构抵抗地震力量的能力。

3.钢结构工业厂房抗震设计措施

某厂房工程，总建筑面积为17218m2，安全等级为二级，耐火等级为一级，抗震设防烈度为8度，设计使用年限为50年。厂房建筑跨度36m，柱距9m。基本风压0.30kN/m2。厂房结构，见图1所示。

图1钢结构工业厂房结构示意图

3.1影响钢结构工业厂房的抗震结构设计因素分析

钢结构的整体设计稳定性是一个重要方面，在掌握稳定性影响因素的基础上，是取得良好设计效果的重要前提。几何非线性缺陷对钢结构在加载过程中的旋转操作和显著运动引起的非线性缺陷有关。在处理比较问题时，应考虑几何非线性变化的影响。对于有关非线性缺陷的计算，变形的小几何方程不适用。在非线性材料的研究过程中，对传递指标进行了客观的分析和研究。应计算和监测旋转过程中的传递指数和具体变形，计算时还应注意非线性方程的一般结构和表达方法。该方法可明显避免了几何非线性元素不稳定。在钢结构设计的初始阶段，缺陷主要被识别为结构缺陷。如果结构发生变形或其他缺陷，将影响结构的整体承载力指标和位置。这是直接影响钢结构稳定性的一个重要指标。当变形产生困难时，钢结构的偏心度值和初始钢位置对钢结构的稳定性有直接的负面影响。

3.2钢结构工业厂房平面布置

若钢结构工业厂房的结构不规则，受力复杂，可能因结构设计不合理而导致钢结构工业厂房缺乏稳定性，尤其是遇到地震灾害时更易失稳。因此，在设计钢结构厂房平面布置方式时，需要遵循简单、对称的原则，平面以矩形为宜，钢架、柱间支撑等抗侧力构件可对称布置，厂房中的大型设备可优先布置在临近刚度中心的位置。对于厂房侧面紧贴热水间等房屋或结构高度差异大或平立面布置较为复杂的情况，设置抗震缝起到分隔作用。对于大柱网厂房或不设柱间支撑的厂房或厂房总横跨交接部位，抗震缝的宽度以100～150mm为宜。

3.3钢结构抗震的计算方法

从X、Y和XY方向分析钢结构厂房的位移响应，分析时采用的工具为SAP2000，见图2。根据图2，做如下分析：

（1）图2（a）：第三榀、第四榀和第五榀间的变形最大，出现位置在518节点处，最大的X方向位移为24.98mm，考虑到结构稳定性要求，建议适当增加支撑装置；

（2）图2（b）：结构最大的Y向位移为41.18mm；

（3）图2（c）：最大位移出现在节点750处，结构在X、Y方向的位移量仅有较小的差别。根据前述的结构地震反应分析结果可知，本钢结构工业厂房可满足设计要求。

图2结构整体位移云图

3.4防震缝的设计

（1）设计原则。为提升钢结构厂房的综合性能，需要做好防震缝的设计工作，且对于多层钢结构厂房而言，抗震缝设计更为重要。设计师需要考虑到钢结构厂房基本结构组成以及构件力学特性，严格依据国家建筑抗震设计（GB50011-2010）规范进行设计，设置的防震缝不可影响钢结构厂房结构的完整性，且防震缝必须有效，即能够减轻地震对钢结构厂房产生的不良影响。

（2）防震缝设计要点。宽度是防震缝设计中的重点项目，根据钢结构厂房总高度设计防震缝的宽度，总高度不超过16m时，设置宽度为13mm的防震缝，总高度超过20m时，将防震缝加宽至20mm左右。钢结构工业厂房防震缝的宽度需超过钢筋混凝土结构防震缝宽度的1.4倍。

（3）钢柱脚性能设计。1）结构形式。按照受力方式的不同，钢柱脚有铰接柱脚、刚性固定柱脚两类，其中外露式、外包式、埋入式均属于典型的刚性固定柱脚形式；2）单层厂房、底层框架或高层的裙房通常采用外包式，可按刚性设计或铰接设计；3）高层的柱底刚接，要求构造具有可靠的抗震性能，若高层钢结构的层数超过12层，需要设置埋入式柱脚，以此来保证结构的稳定性。

（4）钢柱脚的埋入深度。1）外包式柱脚：直接将钢柱置于基础梁顶面或地下室墙；2）埋入式柱脚：分两种情况考虑，一是轻型工字形柱，埋入深度不少于钢柱截面高度的2倍，二是大截面“H”形钢柱，埋入深度不少于钢柱截面高度的3倍。

3.5楼面水平支撑的布置要求

工业钢结构的楼面大多无法做成混凝土楼板，设置水平支撑则成为加强楼面刚度的常用手段。参考相关标准规范关于楼面水平支撑布置的要求，建议楼面水平支撑可以连在梁的腹板或梁底，柱间支撑的跨间应设水平支撑，水平支撑与梁的夹角应控制在30~60°之间，楼面大设备支座底部应设置系杆或水平支撑，将水平力传至支撑节点处。

3.6框架-交叉支撑结构

框架-交叉支撑结构理想的屈服机制,与框架-人字支撑结构相同,受压支撑屈曲-受拉支撑屈服-框架梁受弯屈服。因此,交叉支撑系统中框架梁、支撑相关节点的验算与人字支撑类似。为了确保屈服机制符合预期,还应进行强柱弱支撑验算,即支撑系统的框架柱除承担重力荷载代表值产生的内力外,还应能够承受支撑屈服产生的竖向分力。

3.7底层抗震设计

底层抗震设计是一种新的、重要的工业厂房结构抗震设计。其特点是地震设计从宏观质量目标向一定的定量量化目标过渡。经过论证，还可以在实验中使用现行标准和规范中未规定的新结构系统、技术和材料，以便于针对不同的抗震性、当地条件和工业厂房的重要性采用不同的操作目标和抗震措施。

结束语

工业厂房钢结构抗震设计原则及优化研究关系到人的生命财产安全。因此，考虑到工业厂房数量的逐渐增加，应从钢结构抗震设计原则、影响钢结构建筑的抗震结构设计因素和工业厂房结构抗震设计的优化措施3个方面进行钢结构抗震设计。通过对比实验可知本文方法可最终提高工业厂房结构的抗震性能，避免工业厂房退化，地震灾害造成的危害人类生命安全。

参考文献

[1]亢毅.工业厂房结构设计中钢结构设计应用分析[J].居舍,2022,(34):116-118.

[2]夏研.多层轻钢结构工业厂房的设计与应用分析[J].能源技术与管理,2022,47(05):159-161+175.

[3]呼延宇.简析钢结构工业厂房建筑设计与施工要点[J].居舍,2022,(09):112-114.

[4]闫艳蕾.关于钢结构工业厂房的抗震设计分析[J].中国金属通报,2021,(07):177-178.

[5]刘雪冬,燕家琪.工业厂房结构设计中钢结构设计应用研究[J].绿色环保建材,2021,(06):41-42.