鋼結構廠房整體空間作用分析

劉同瀛，李通，胡彬，韋宇 （中國建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州 510665）

1 引言

近年來，隨著我國經濟高速發展、對能源的需求與日俱增，目前我國的城市規模已達到了前所未有的規模，而建筑業也在飛速發展，因此對建筑結構施工技術的研究也就更加深入[1]。而目前國內普遍采用的是單層鋼結構廠房，單層鋼結構廠房是目前最常用的一種結構形式，且在最近幾年，鋼鐵行業的熱軋、冷軋、硅鋼等行業，都是采用單層鋼結構。因此，我國有關單層鋼結構廠房的法規也逐步完善，有關技術法規的制定也日趨成熟，比如在門式鋼框架工廠中《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》（CECS 102-2002）[2]規定了其自重、立柱間距，并按有關設計規范進行計算。也正因為如此，單層鋼結構的廠房設計才會變得更加的成熟和標準化，而工業工廠的生產流程更復雜、管道更多、跨度更大。針對有較高的采光、通風要求的工廠，在進行單層鋼結構廠房的設計時，必須進行最優的設計，使其能更好地適應各種廠房的需要[3]。工廠一般都是采用單層鋼框架或排框架系統，在影響此類建筑物安全性的諸多因素中，地震作用是不可忽略的一個因素。在地震反應分析中，只能使用整體的空間模式來描述結構在地震中的真實應力狀況。但是，在傳統的單層鋼結構廠房的設計中，通常都會使用平面式的排架來進行計算。在廠房出現質量、剛度不均勻以及高低錯位的情況下，運用能反映結構的空間活動分析方法是十分必要的[4]。

2 典型工程的空間作用分析

2.1 工程概況及分析模型的建立

某工廠為普通的雙跨鋼結構，采用門型剛框架結構，其鋼梁數目為21個，立柱間距6 m，單跨30 m，在縱軸方向設有立柱支承，在屋頂上設有屋頂支承和拉桿，屋頂為輕質屋頂。在對數據進行解析時，利用MIDAS/GEN軟件進行建模。本文共構建了三種不同的結構模式，并進行了比較。分析模型采用平面2D 分析模型（單個框架模型和縱向分析模型）、骨架分析模型、整體空間模型（包含屋頂桁條）[5]。在計算過程中，將恒活載荷以線性加載形式引入到梁上，并以振動響應頻法進行了計算，以1.0 DL+0.5 LL 的形式進行了計算。 震情資料為7°（0.1 g），按設計的震級分類為I 級，結構特點為0.45 s。本文通過比較各種結構模式的受力和變形性能，討論在不同的計算模式下，結構的受力和變形性能。在對單層鋼結構廠房進行空間結構的研究前，必須對現場的情況和總體設計有全面的認識，并對柱間距、標高、廠房地基等進行詳細的分析。

圖1 結構分析模型

2.2 剛架平面內方向地震作用的效應分析

在剛架平面上，對單剛架與主剛架空間分析模型進行了受力狀況的比較，并進行了柱底應力與位移的比較，繪出了受力及變形的影響曲線，并以縱向軸線為主的骨架分析模式與單榀二維進行分析。從圖2 可知，在多次地震作用下，在考慮了廠房結構的空間作用后[6]，剛架結構處于中心軸線，其邊跨的受力比單榀二維模型的受力有所下降，約為8%，而中間跨的受力稍大于單榀二維模型，約為5%；在邊軸上，最外側的邊柱應力水平較高，鋼筋應力增大9%，副邊跨應力下降幅度約5%，中間跨應力幅度增大約5%。

圖2 單榀剛架與主骨架分析模型桿件應力對比

從圖3 可見，在空間分析模式下，鋼結構工廠建筑側跨的柱頂部的變形比工廠中間部位的變形要小[7]。與單梁計算結果相比，該方法的邊跨比計算結果下降了7%，中間偏移提高了4%。

圖3 單榀剛架與主骨架分析模型結構位移對比

2.3 檁條等非結構主構件對空間作用的影響分析

基于主框架的有限元分析，考慮了桁條的作用，構建了整體的空間模型。在此基礎上，將兩種模型的計算結果與單剛架分析模型的比較結果進行了分析。從圖4 可知，在剛框架平面上，檁條對結構的受力狀況有很大的影響，但有明顯的變化趨勢[8]。同時，對桁條的受力狀況進行了分析，得到了豎向和剛框架平面上的應力狀態，最大應力為7 MPa、最小應力為2 MPa。

圖4 整體分析模型與主骨架模型的對比分析

圖5 抗風柱（山墻）對結構空間作用的影響

3 空間作用的影響因素分析

3.1 抗風柱（山墻）對廠房空間作用的影響分析

在前一節的框架分析模型的基礎上，建立了無抗風柱結構、原抗風柱結構的連接節點、抗風柱節點剛接結構，并將其與單剛架結構的受力狀況進行了比較。結果表明抗風柱（山墻）的布置對建筑物的空間效應有明顯的影響[9]。

3.2 剛架剛度不均對廠房空間作用的影響分析

當考慮加強或削弱中間框架的剛性時，可以利用2 個框架（原有的）加強或削弱中間框架的剛度。通過先使用一端框架進行加強或削弱，從而使一端框架的剛性得到加強或削弱。剛性調節位置和檢查框架的位置見圖6。

圖6 剛架剛度調整位置

從計算結果中可以看到，在試驗過程中，局部剛架的剛度會對受力程度產生明顯的影響。在剛架局部剛度增大時，其它剛架的受力將明顯增大；在某些剛性框架剛度下降的情況下，其它剛架的受力將下降。但是，在框架的側面增加剛性時，會產生扭轉作用，使對稱剛架的桿構件產生顯著的應力差異，且隨著距離的增大，該影響逐漸減小。

3.3 柱間支撐位置對結構空間效應的影響分析

在剛框架中，為使其形成穩定的空間結構，使其空間協同效應得到最大程度的發揮，需要在鋼架的合適位置進行支承。本文分析了不同支承部位的協同工作特性。在進行分析時，支承部位位于結構中間和距離結構的1/3 處。采用不同的支承方式，計算出了柱底應力與對應的二維縱向軸線解析模型之比。研究發現，隨著支承位置的偏移，中軸柱端部應力水平增大，中部應力水平下降，結構的空間影響減小[10]。

圖7 柱間支撐位置對空間作用的影響分析

4 單層鋼結構廠房考慮空間效應的設計方法探討

4.1 考慮空間效應的必要性

通過對幾種不同結構模式進行計算，發現除了各個鋼架結構具有相同的分析模式之外，在橫向地震（鋼架平面）的作用下，它們都具有空間效應，并受空間效應的影響，多個鋼架的受力程度要比二維平面分析的高。與之比較，豎向地震時，其空間效應并不顯著，有些指標甚至比二維縱向分析模式更具優勢。根據以上的分析，可以得到如下結論，門式剛架結構的單層鋼結構廠房在豎向地震作用分析中，不會產生空間效應[11]；在不受山墻影響的情況下，對剛架剛度和質量基本一致的單層鋼結構廠房的空間效應可以忽略不計；對其它門型鋼梁的單層鋼結構廠房應注意空間效應。

4.2 空間效應的影響

針對目前我國單層鋼結構廠房采用平面設計的現狀，討論了在單層鋼結構廠房進行橫向地震分析時，應充分考慮其空間影響。

4.2.1 周期的調整

通過對典型工程的分析，二維單榀剛框架結構的基本周期分別為0.737、0.784 和0.940。由于單層鋼結構廠房往往處于下降區，周期折減會加大受力。在采用軟件進行分析時，必須考慮到結構周期的變化[12]。

4.2.2 地震剪力和彎矩的調整

《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）[13]的附件J，提出了對單層廠房水平框架的地震影響進行修正的要求，但是該標準僅適用于鋼筋混凝土、磚砌塊的廠房，考慮到山墻布置、屋蓋形式、構造長度等影響因素，按鋼筋混凝土排架柱的調節因子為0.75～1.35，并按某一單元的構造形式確定。在此基礎上，針對目前已有的一些實例，如有山墻且剛度與重量均比較均衡的建筑物，其標準剛度與重量之增大因子由0.92 增至1.04。若整體使用單一的系數，尤其是低于1，則不太保險。在非規則框架中，相鄰框架的剛性發生了很大的改變，而在局部剛性增大時，其它剛架的應力明顯增大；在某些剛性框架的剛性下降時，其它剛性框架的受力也隨之下降。在此實例的計算中，隨著鋼梁中間部位的剛性增大，鋼梁末端的受力增大了30%左右。所以，在非均質剛性結構中，應該著重考慮剛性不均衡框架的受力問題。在此基礎上，結構的受力程度將得到很大提高。因此，其調節因子應該比較大。

5 結論

文章討論了單層鋼結構廠房的空間效應，并提出了如下結論：

①針對門型剛架結構的單層鋼結構，在進行框架的平面上進行抗震分析時，必須充分重視其空間的影響；

②由于山墻的布置方式、各剛架的剛性、柱之間的布置方式、柱間的布置方式等因素的差異，都會使其產生更大的空間影響；

③在應用二維平面分析模式進行單層鋼結構廠房的設計中，必須考慮到其自身的特點，對其進行周期性的縮減，并對其抗震和彎矩進行相應的調節。