鋼結構廠房性能的分析與研究

韓樹國

(鄭州交通建設投資有限公司,河南鄭州 450000)

鋼結構廠房性能的分析與研究

韓樹國

(鄭州交通建設投資有限公司,河南鄭州 450000)

地震對工業廠房有沖擊作用大、作用時間短、作用頻率高等一系列特點。目前我國對于鋼混結構廠房的抗震性能做出了巨大的研究成果。但是隨著社會經濟的發展,大量鋼結構廠房廣泛運用。本文在鋼結構發展、總結與概括的基礎上通過對地震沖擊荷載的分析并運用動力學理論進行了以下幾方面工作:(1)對鋼結構進行整體分析,研究得到鋼結構廠房在抗震以及施工方面的薄弱環節。(2)細致介紹鋼結構廠房在抗震方面的主要原則并概括了地震作用計算的一般規定。(3)通過分析對廠房進行抗震性能分析,總結了工業廠房在地震位移作用下的主要位移方向。(4)對反應譜理論進行總結與概括,分析了反應譜理論在結構抗震性能研究與分析中的優缺點,得到了在運用反應譜理論時應注意的重點。

鋼結構 廠房 抗震性能 施工 研究與分析 反應譜理論

1 概述

1.1 鋼結構主要發展歷程

鋼結構[1]是隨著人類社會冶鐵技術的發展而發展起來的一種建筑結構。隨著人類社會冶金技術的發展以及新材料的不斷問世，鋼結構廠房在近幾年快速發展，逐漸趕超原有的磚混以及框架結構。鋼結構與原有結構相比主要有以下幾點優點:

(1)材料強度高，可以適應各種大跨徑結構；材料塑形好，在收到過載破壞時不會突然破壞，只會柔性破壞。易發現，好補救。

(2)鋼結構為框架式結構，自重小。自重的減輕降低了對地基承載力的要求，極大地降低了地基處理的成本與造價并增大了廠房適應性。

(3)鋼結構廠房在使用過程中由于體積小，所以廠房可使用面積大。

(4)制作方便，成型速度快。鋼結構廠房十分適應工業化生產，現場只需進行安裝與少量的特殊加工即可，省去模板搭支等準備工作。所以可以建成速度快。

1.2 工業廠房抗震防震重要性與發展歷程

地震自人類社會存在伊始，一旦發生便會對人類的生命與經濟產生重大的影響。地震[2]具有難預測，沖擊作用大、破壞性強、波及范圍廣等特點。地震可以在一瞬間產生巨大的破壞力并引發其他次生災害。地震對建筑物的破壞作用主要有以下幾點組成:

(1)破壞建筑物的整體性。建筑物是由許多構件組合而成，各個構件之間相互連接相互作用形成約束，從而保證了建筑物可以有效長期的承受荷載。但是地震一旦放生，如果結構物連接部位有薄弱處，便會隨著位移產生相應的應力集中，導致結構物連接與約束能力的喪失。結構物的整體性能便會受到極大的破壞，最終導致建筑物無法使用甚至垮塌。

(2)地震的發生會極大的降低建筑物的耐久性能。地震發生時會對建筑物產生極大的沖擊作用。這些沖擊作用會使建筑物產生多方向不均等位移。由于建筑物受到極大的位移影響會使建筑物產生大梁的變形與裂縫，輕則建筑物耐久性降低，重則建筑物直接失效。

(3)地震作用直接導致地基承載力損失甚至失效。由于地震破壞性質的特殊性，會直接對地基產生破壞。甚至有時會直接導致地基失效，例如房屋直接沉陷等等現象。

2 廠房施工中注意要點

2.1 工業廠房剛架的安裝

門架[3]在風力較強的時候經常會出現被風拔出地面的情況。所以在風大地區的廠房建造中一定要注意門架在安裝后的抗拔力。像地錨這種抗拔構造一定要作為施工控制重點嚴密布控。

2.2 端板與保溫材料的處理

端板作為連接的重要部位，一旦在施工中有所大意，就容易出現連接不嚴的情況。由于鋼結構廠房容易受到雨水侵蝕，特別是在大雪覆壓的情況下，很有可能出現垮塌現象，所以端板處理必須要認真仔細，符合規范。而保溫層由于其材料特殊性質，當受到雨水侵蝕時，保溫材料會急劇增重，從而導致鋼結構廠房過載而垮塌。所以在保證端板的情況下也要保證保溫材料的防水施工。

2.3 支撐體系的設置

支撐體系作為鋼結構廠房的主要承重構件之一。一定要具有承載力強、抗腐蝕性好、剛度要求高、耐久性好等特性。所以在支撐體系施工方面一定要嚴格按照圖紙施工，不能偷工減料，不能任意增減檁條數量以及安裝方式。加強支撐體系安裝預處理質量管理。

3 廠房整體結構分析

通過在設計與施工中的長期經驗總結，我們可以認為結構的自振與外部荷載沒有關系，結構自振主要是由結構的自身特性所決定。決定結構自振頻率的主要特性有:質量、剛度、連接方式、材料等。結構自身變形由結構的自振特性決定。所以在進行結構分析時，進行結構自振特性分析與動力特性分析是極其重要的。

通過運用軟件分析與模擬[4]以及實際施工經驗我們可以得到以下幾條結論:

(1)鋼結構廠房的自振基頻通常情況下與廠方跨度有關。

(2)通過軟件模擬與實際施工中總結的經驗我們可以認為，鋼結構廠房的豎向自振頻率對結構的整體性以及使用性能影響細微，可以忽略不計。

(3)一般情況下，廠房的薄弱環節發生在榀與榀之間，所以這個部位一定要作為設計與施工時的控制重點。

4 反應譜理論在鋼結構廠房防震性能分析中的應用

4.1 反應譜理論的優缺點

1943年提出的反應譜[5]的概念被提出，1948年基于反應譜理論的抗震性能計算方法被提出。從此反應譜理論開始在建筑結構物抗震性能計算中被廣泛運用。反應譜理論被廣泛運用后，關于建筑結構物的抗震性能研究也進入了動力學的階段。反應譜理論主要有以下幾個優點:

(1)計算量較小。由于反應普理論自身的架構特性，在一般情況下會做線性假定。

這樣一來，在計算過程中只需要考慮個別幾個低階振型既可，極大的降低了運算量與運算難度。

(2)容易被接受，易用于實際計算。由于反應譜理論的獨特性，反應譜理論在計算動力學問題時可以將動力學問題完美轉化為靜力學問題。這樣的計算方式已與工程師們接受并易于有的放矢。

雖然反應譜理論有以下幾點優點但也有自身的一些缺點難以避免:

(1)對于一般情況可以使用，但是如果出現非線性問題，反應譜理論就會不適用，無法對結構進行分析。

(2)無法分析振動的空間效應，從而導致反應譜理論無法合理的對橋梁結構進行抗震性分析。

4.2 計算步驟與過程

在進行反應譜理論分析之前要收集強震記錄，對強震記錄進行統計分析獲取原始資料。然后對結構物自身頻率進行計算分析，求得結構物各個振型的最大反應值。最后選取最優方法求得所有振型中最大反應值。

5 結論與展望

本文通過對實際施工中經驗進行總結，并結合結構分析模擬得到了以下幾點結論:

(1)鋼結構廠房的連接部位十分重要，連接部位作為結構損壞的重災區在施工中一定要嚴密布控，嚴格按照設計圖紙施工。

(2)支撐體系作為鋼結構廠房重要的承重構件必須要加強施工管理，不得隨意更改圖紙與設計標準。

(3)保溫材料作為特殊材料一定要嚴格進行例如防水等特殊處理，一旦損壞會直接影響鋼結構廠房的直接使用。

(4)鋼結構工業廠房的自振頻率與結構跨度有著一定的聯系

(5)鋼結構工業廠房的豎向振型對結構的整體受力特性的影響比較小，在實際工作中可以忽略不計。

(6)反應譜理論是現今分析結構抗震性能的主要分析方法，對于大多數結構，均可以較好地運用于鋼結構廠房抗震性能的分析中去。

(7)反應譜理論由于對空間特性考慮不夠，如果分析對象對空間振型有要求則應輔助以其他分析方法。

[1] 陳紹蕃,顧強.鋼結構基礎[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[2] 郭繼武,等.建筑抗震設計[M].高等教育出版社,1990.

[3] 束煒.門式剛架輕鋼結構的優化設計與模態有限元分析[D].安徽:合肥工業大學,2004.

[4] 石巍.單層鋼結構工業廠房抗震性能分析[J].西安:西安建筑科技大學,2013.

[5] 李國強,李杰,蘇小卒.建筑結構抗震設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.