钢结构厂房性能的分析与研究

韩树国

(郑州交通建设投资有限公司,河南郑州 450000)

钢结构厂房性能的分析与研究

韩树国

(郑州交通建设投资有限公司,河南郑州 450000)

地震对工业厂房有冲击作用大、作用时间短、作用频率高等一系列特点。目前我国对于钢混结构厂房的抗震性能做出了巨大的研究成果。但是随着社会经济的发展,大量钢结构厂房广泛运用。本文在钢结构发展、总结与概括的基础上通过对地震冲击荷载的分析并运用动力学理论进行了以下几方面工作:(1)对钢结构进行整体分析,研究得到钢结构厂房在抗震以及施工方面的薄弱环节。(2)细致介绍钢结构厂房在抗震方面的主要原则并概括了地震作用计算的一般规定。(3)通过分析对厂房进行抗震性能分析,总结了工业厂房在地震位移作用下的主要位移方向。(4)对反应谱理论进行总结与概括,分析了反应谱理论在结构抗震性能研究与分析中的优缺点,得到了在运用反应谱理论时应注意的重点。

钢结构 厂房 抗震性能 施工 研究与分析 反应谱理论

1 概述

1.1 钢结构主要发展历程

钢结构[1]是随着人类社会冶铁技术的发展而发展起来的一种建筑结构。随着人类社会冶金技术的发展以及新材料的不断问世，钢结构厂房在近几年快速发展，逐渐赶超原有的砖混以及框架结构。钢结构与原有结构相比主要有以下几点优点:

(1)材料强度高，可以适应各种大跨径结构；材料塑形好，在收到过载破坏时不会突然破坏，只会柔性破坏。易发现，好补救。

(2)钢结构为框架式结构，自重小。自重的减轻降低了对地基承载力的要求，极大地降低了地基处理的成本与造价并增大了厂房适应性。

(3)钢结构厂房在使用过程中由于体积小，所以厂房可使用面积大。

(4)制作方便，成型速度快。钢结构厂房十分适应工业化生产，现场只需进行安装与少量的特殊加工即可，省去模板搭支等准备工作。所以可以建成速度快。

1.2 工业厂房抗震防震重要性与发展历程

地震自人类社会存在伊始，一旦发生便会对人类的生命与经济产生重大的影响。地震[2]具有难预测，冲击作用大、破坏性强、波及范围广等特点。地震可以在一瞬间产生巨大的破坏力并引发其他次生灾害。地震对建筑物的破坏作用主要有以下几点组成:

(1)破坏建筑物的整体性。建筑物是由许多构件组合而成，各个构件之间相互连接相互作用形成约束，从而保证了建筑物可以有效长期的承受荷载。但是地震一旦放生，如果结构物连接部位有薄弱处，便会随着位移产生相应的应力集中，导致结构物连接与约束能力的丧失。结构物的整体性能便会受到极大的破坏，最终导致建筑物无法使用甚至垮塌。

(2)地震的发生会极大的降低建筑物的耐久性能。地震发生时会对建筑物产生极大的冲击作用。这些冲击作用会使建筑物产生多方向不均等位移。由于建筑物受到极大的位移影响会使建筑物产生大梁的变形与裂缝，轻则建筑物耐久性降低，重则建筑物直接失效。

(3)地震作用直接导致地基承载力损失甚至失效。由于地震破坏性质的特殊性，会直接对地基产生破坏。甚至有时会直接导致地基失效，例如房屋直接沉陷等等现象。

2 厂房施工中注意要点

2.1 工业厂房刚架的安装

门架[3]在风力较强的时候经常会出现被风拔出地面的情况。所以在风大地区的厂房建造中一定要注意门架在安装后的抗拔力。像地锚这种抗拔构造一定要作为施工控制重点严密布控。

2.2 端板与保温材料的处理

端板作为连接的重要部位，一旦在施工中有所大意，就容易出现连接不严的情况。由于钢结构厂房容易受到雨水侵蚀，特别是在大雪覆压的情况下，很有可能出现垮塌现象，所以端板处理必须要认真仔细，符合规范。而保温层由于其材料特殊性质，当受到雨水侵蚀时，保温材料会急剧增重，从而导致钢结构厂房过载而垮塌。所以在保证端板的情况下也要保证保温材料的防水施工。

2.3 支撑体系的设置

支撑体系作为钢结构厂房的主要承重构件之一。一定要具有承载力强、抗腐蚀性好、刚度要求高、耐久性好等特性。所以在支撑体系施工方面一定要严格按照图纸施工，不能偷工减料，不能任意增减檩条数量以及安装方式。加强支撑体系安装预处理质量管理。

3 厂房整体结构分析

通过在设计与施工中的长期经验总结，我们可以认为结构的自振与外部荷载没有关系，结构自振主要是由结构的自身特性所决定。决定结构自振频率的主要特性有:质量、刚度、连接方式、材料等。结构自身变形由结构的自振特性决定。所以在进行结构分析时，进行结构自振特性分析与动力特性分析是极其重要的。

通过运用软件分析与模拟[4]以及实际施工经验我们可以得到以下几条结论:

(1)钢结构厂房的自振基频通常情况下与厂方跨度有关。

(2)通过软件模拟与实际施工中总结的经验我们可以认为，钢结构厂房的竖向自振频率对结构的整体性以及使用性能影响细微，可以忽略不计。

(3)一般情况下，厂房的薄弱环节发生在榀与榀之间，所以这个部位一定要作为设计与施工时的控制重点。

4 反应谱理论在钢结构厂房防震性能分析中的应用

4.1 反应谱理论的优缺点

1943年提出的反应谱[5]的概念被提出，1948年基于反应谱理论的抗震性能计算方法被提出。从此反应谱理论开始在建筑结构物抗震性能计算中被广泛运用。反应谱理论被广泛运用后，关于建筑结构物的抗震性能研究也进入了动力学的阶段。反应谱理论主要有以下几个优点:

(1)计算量较小。由于反应普理论自身的架构特性，在一般情况下会做线性假定。

这样一来，在计算过程中只需要考虑个别几个低阶振型既可，极大的降低了运算量与运算难度。

(2)容易被接受，易用于实际计算。由于反应谱理论的独特性，反应谱理论在计算动力学问题时可以将动力学问题完美转化为静力学问题。这样的计算方式已与工程师们接受并易于有的放矢。

虽然反应谱理论有以下几点优点但也有自身的一些缺点难以避免:

(1)对于一般情况可以使用，但是如果出现非线性问题，反应谱理论就会不适用，无法对结构进行分析。

(2)无法分析振动的空间效应，从而导致反应谱理论无法合理的对桥梁结构进行抗震性分析。

4.2 计算步骤与过程

在进行反应谱理论分析之前要收集强震记录，对强震记录进行统计分析获取原始资料。然后对结构物自身频率进行计算分析，求得结构物各个振型的最大反应值。最后选取最优方法求得所有振型中最大反应值。

5 结论与展望

本文通过对实际施工中经验进行总结，并结合结构分析模拟得到了以下几点结论:

(1)钢结构厂房的连接部位十分重要，连接部位作为结构损坏的重灾区在施工中一定要严密布控，严格按照设计图纸施工。

(2)支撑体系作为钢结构厂房重要的承重构件必须要加强施工管理，不得随意更改图纸与设计标准。

(3)保温材料作为特殊材料一定要严格进行例如防水等特殊处理，一旦损坏会直接影响钢结构厂房的直接使用。

(4)钢结构工业厂房的自振频率与结构跨度有着一定的联系

(5)钢结构工业厂房的竖向振型对结构的整体受力特性的影响比较小，在实际工作中可以忽略不计。

(6)反应谱理论是现今分析结构抗震性能的主要分析方法，对于大多数结构，均可以较好地运用于钢结构厂房抗震性能的分析中去。

(7)反应谱理论由于对空间特性考虑不够，如果分析对象对空间振型有要求则应辅助以其他分析方法。

[1] 陈绍蕃,顾强.钢结构基础[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2] 郭继武,等.建筑抗震设计[M].高等教育出版社,1990.

[3] 束炜.门式刚架轻钢结构的优化设计与模态有限元分析[D].安徽:合肥工业大学,2004.

[4] 石巍.单层钢结构工业厂房抗震性能分析[J].西安:西安建筑科技大学,2013.

[5] 李国强,李杰,苏小卒.建筑结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.