單層多跨鋼結構廠房的結構設計及地震作用分析

吳智華

摘? 要：文章主要以單層多跨鋼結構廠房的結構設計及地震作用為中心，分別從三個方面深入剖析，首先對鋼結構廠房的結構設計進行研究，其次對地震作用分析詳細探索，最后總結兩點結構設計的注意事項，目的在于進一步保證單層多跨鋼結構廠房的穩定性與安全性。

關鍵詞：鋼結構廠房;結構設計;地震作用;動力特征

中圖分類號：TU391? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）14-0091-02

Abstract： In this paper， aiming at the structural design and seismic action of single-story multi-span steel structure workshop， it is deeply analyzed from three aspects. Firstly， the structural design of steel structure workshop is studied， and secondly， the seismic action analysis is explored in detail. Finally， the matters needing attention in the design of two points are summarized in order to ensure the stability and safety of the single-story multi-span steel structure factory building.

Keywords： steel structure workshop; structural design; seismic action; dynamic characteristics

對于單層多跨鋼結構廠房的結構設計以及地震作用分析，必須清楚認識單層多跨鋼結構廠房組成，具體包括柱子、屋頂等，主要建造材料為鋼結構，是十分常見的工業廠房類型。當前工作現代化發展步伐加快，與此同時很多冶金領域發展范圍擴展，對單層多跨鋼結構廠房結構設計及地震作用提出嚴格要求。改善傳統鋼結構廠房施工中，使用年限短、自身重、不可回收等局限，真正做到單層多跨鋼結構廠房的節能環保結構設計，延長其使用年限的同時，將施工周期縮短，減輕自身重量，為工業發展全面貫徹綠色節能環保理念創造條件。

1 單層多跨鋼結構廠房結構設計分析

面對工業現代化發展對廠房結構提出的高要求與標準，積極提出單層多跨鋼結構廠房設計理念，并且結合實際廠房設計需要，不斷優化結構設計理念，積極從在鋼結構廠房設計期間，動力特性與結構鋼設計角度出發，充分認識到單層多跨鋼結構廠房對工業化發展的重要性。

1.1 動力特征鋼結構設計研究

單層多跨鋼結構廠房設計過程中，必須認識到動力特征對鋼結構設計的重要性。在進行結構設計期間，動力特征分析需要有限元軟件SPA的支持完成操作。有限元軟件SPA具體包括有點單元、體單元、線單元與面單元。四個單元分別對單層多跨鋼結構廠房的結構設計進行分析。具體體現在靜動力計算、有限元、線性、非線性等方面。有限元軟件主要從單層多跨鋼結構角度出發，對廠房空間進行動力特征分析，從而確定廠房空間結構。結合動力特征分析的方式，提前建立好空間結構模型，利用空間結構模型劃分具體單元，同時采取網格劃分的方式，實現墻面板、檁條以及屋面板等在單層多跨鋼結構廠房中的自重減輕，實現鋼柱梁重力的均攤[1]。利用有限元軟件對模型中結構設計展開分析，及時將廠房空間結構情況加以了解，隨后制定不同階層的振型圖，理清其中模型變化周期，及時統計特征頻率表。根據有限元軟件對鋼結構廠房中一榀鋼架的研究與動力特征分析，認識到一榀鋼架其振型全部為平面外圍狀態，并且與其他位置的鋼結構相比剛度較小，如果不能有效控制，極易出現左右擺動，影響鋼結構廠房的結構安全。觀察鋼結構廠房結構設計振型圖，結構設計的不同階段，變形方向、鋼結構位移等都存在明顯區別，其中變形也劃分為多種模式，比如扭轉變形、整體變形或者平動變形等。鋼結構順著一個方向延伸，其中結構中很多位置都會出現較大位移變化，這期間就需要在結構設計中注意，控制鋼梁截面大小，以此來控制鋼結構的位移變化。但是相對方向如果支撐力不足，也會出現扭轉變形現象，所以在實際鋼結構廠房的結構設計中，必須注意雙向鋼結構位移情況，防止各種變形問題的出現。

1.2 單層多跨鋼結構廠房結構設計

鋼結構廠房結構設計中，還要根據單層多跨結構設計要求，綜合考慮其多方面影響因素，必須做到每個結構設計都能夠得到有效控制。單層多跨鋼結構廠房結構設計中，廠房的鋼梁、橫縱跨度以及廠房柱網等，都會影響到最終結構設計質量。鋼結構廠房結構設計中，柱網設計必須根據國家相關標準與規定進行結構設計，并且在結構設計中，充分考慮施工與維護工作，為柱網后期維護創造有利條件，確保隨時能夠檢查柱網的柱距是否統一[2]。根據檢查情況確定廠房橫縱跨度與剛度，進而滿足鋼結構廠房建筑對柱網結構的需求，提高單層多跨鋼結構廠房結構設計的安全性、功能性與經濟性、鋼結構廠房柱網設計期間，還涉及到鋼結構廠房的伸縮縫位置、尺寸等方面，這些方面的科學設計，保證廠房橫縱柱網尺寸。具體設計中需要注意，廠房橫向跨度、縱向跨度之間，必須確保柱距符合廠房結構設計規定。其中廠房橫向跨度中，設計主要以3m倍數為主，縱向柱網尺寸設計則以6m為主。鋼結構廠房設計過程中，橫向跨度設計期間，需要考慮到廠房中設備、生產線、物流、管理以及人員流動等因素，還要結合鋼結構廠房結構設計要求與廠房實際應用等，選擇專業團隊進行技術分析與規劃，確保單層多跨鋼結構廠房結構設計的科學合理。

2 單層多跨鋼結構廠房的地震作用研究

不管是任何建筑，都必須認識到抗震的重要性。單層多跨鋼結構廠房在結構設計中，也需要結合當地自然情況，增強鋼結構廠房的地震作用，從而保證鋼結構廠房的安全與工業發展的安全。對于單層多跨鋼結構廠房地震作用，主要從地震作用特點分析、計算、地震作用分析等方面展開。

2.1 地震作用特點

單層多跨鋼結構廠房設計中，地震作為其建筑結構安全設計的重要影響因素，一直困擾著鋼結構廠房結構設計發展，并且十分受到工業行業的關注與重視。鋼結構廠房設計中，抗震設計是設計師研究重點環節。當前我國對建筑結構要求越來越嚴格，在此背景下，傳統工業發展行業積極創新改革，不斷采取有效措施提高工業生產廠房的抗震能力，并且提高結構設計質量。但是抗震設計中，頻繁出現雪荷載加大、風荷載加大、自然因素變化頻繁等情況，相對來講在一定程度上增加了廠房建筑的造價，所以為工業發展帶來巨大壓力。特別是部分工業生產建造中，對于廠房建筑的鋼材使用量并不大，不能滿足廠房承壓需求，與輕鋼廠房結構設計要求與經濟性嚴重不符，體現出廠房建筑施工的局限性，缺少經濟適用性[3]。面對這種情況，必須認識到鋼結構廠房在實際結構設計中的不足，從地震作用角度進行分析，由此進一步提高單層多跨鋼結構廠房設計科學性，并且增強鋼結構廠房的實用性。地震作用的分析，其本身能夠為建筑結構設計提供參考，尤其是具體設計中，能夠根據掌握的地面運動制定適當結構設計方案，對地質變化進行間接性動態監督，具體考慮因素包括地震速度、加速度與位移等。結合具體地震發生的特點，突發性、偶然性與短暫性、破壞性等，分析這期間廠房結構出現的短暫性動力變化，具體體現在橫向與豎向作用方面。通過相關實踐研究發現，相較于水平地震作用，其本身作為單層跨度鋼結構廠房，因為涉及范圍廣，所以必須結合地震作用特點，準確計算相關數據，確保地震作用計算到位，鋼結構廠房的結構設計到位。

2.2 地震作用計算

地震作用計算，主要包括底部剪力法、時程分析法與振型分解反應譜法。其中振型分解反應譜法計算，基本原理在于單自由度體系加速度計算，結合相關數據準確設計出反應譜，同時根據地震作用運行與分解原理，準確從振型角度出發進行地震計算。統一振型對應地震作用效應，并且按照自由度體系將地震效應呈現出來。此方法計算比較適合自由度體系地震作用計算。相較于振型分解反映譜法，時程分析法，則以結構基本運動方程為著入點，準確記錄地面加速度，并且通過方程積分的方式，準確分析出整個時間段的地震作用。將地震波帶入到地震作用計算中，從地震開始到結束一直進行積分，將此方法與底部剪力法相結合，嚴格控制地震內力情況，防止鋼結構廠房出現較大變形，跟隨規律變化而調整結構設計，所以時程分析法在單層多跨鋼結構廠房結構設計中最為適合。

2.3 地震作用對單層多跨鋼結構廠房的影響研究

單層多跨鋼結構廠房結構設計過程中，必須嚴格遵循《建筑抗震設計規范》要求，并且結合當地實際發展情況，科學展開抗震設計。單層多跨鋼結構設計，結合地震加速計算數據，將其設計為0.2g，并且梳理其中特征周期，根據實際情況周期設置0.56s。一般情況下單層多跨鋼結構廠房，其本身的工程結構復雜、跨度較大，因此結構設計中在地震作用下，積極進行數據采集，掌握鋼結構廠房結構設計中的關鍵節點，選擇重要節點，準確分析數據與統計數據，確保鋼結構廠房中涉及到的每榀鋼架編號都十分明確[4]。完成數據采集之后，計算地震作用利用時程分析法，記錄地面加速度，繪制地震加速度反應譜。準確分析地震反應譜中所展示的振幅、頻譜等內容。并且根據地震變化影響系數，將其與動力系數、結構設計因素相結合，由此增強單層多跨鋼結構廠房抗震結構設計，提高鋼結構廠房結構設計的安全能力。

3 單層多跨鋼結構廠房結構設計注意事項

對于單層多跨鋼結構廠房的結構設計，積極發揮地震作用的同時，在實際結構設計中還要注意以下事項：第一，在單層多跨鋼結構廠房設計過程中，必須對柱網尺寸嚴格把控。準確計算柱網尺寸，確保柱網尺寸符合施工要求的同時，將其與廠房施工的地址條件相互參考，從而確保打樁方法制定合理。單層多跨鋼結構廠房在施工建設期間相對復雜，注意鋼結構橫向與豎向變化，科學控制方法基礎上，設計好維護的結構形態，進而確保鋼結構廠房施工安全。第二，注意單層多跨鋼結構廠房結構設計期間，柱類型的選擇至關重要。柱的長度、寬度等都要十分精確，根據自身建筑可能產生的負荷，將其科學分散到柱的身上，減輕鋼結構廠房本身的承載壓力。通過分離式的結構設計，拉大柱與柱之間的距離，充分利用柱慣性矩變化，保證鋼結構廠房結構設計的穩定性。

4 結束語

綜上所述，單層多跨鋼結構廠房結構設計與地震作用分析，對鋼結構廠房的安全至關重要。科學的結構設計幫助鋼結構廠房有效控制施工成本，同時真正實現現代化工業發展要求，做到節能環保。地震作用提高結構設計抗震能力，保證鋼結構廠房的建設與使用穩定性。

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