钢结构厂房整体空间作用分析

刘同瀛，李通，胡彬，韦宇 （中国建筑第四工程局有限公司，广东 广州 510665）

1 引言

近年来，随着我国经济高速发展、对能源的需求与日俱增，目前我国的城市规模已达到了前所未有的规模，而建筑业也在飞速发展，因此对建筑结构施工技术的研究也就更加深入[1]。而目前国内普遍采用的是单层钢结构厂房，单层钢结构厂房是目前最常用的一种结构形式，且在最近几年，钢铁行业的热轧、冷轧、硅钢等行业，都是采用单层钢结构。因此，我国有关单层钢结构厂房的法规也逐步完善，有关技术法规的制定也日趋成熟，比如在门式钢框架工厂中《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS 102-2002）[2]规定了其自重、立柱间距，并按有关设计规范进行计算。也正因为如此，单层钢结构的厂房设计才会变得更加的成熟和标准化，而工业工厂的生产流程更复杂、管道更多、跨度更大。针对有较高的采光、通风要求的工厂，在进行单层钢结构厂房的设计时，必须进行最优的设计，使其能更好地适应各种厂房的需要[3]。工厂一般都是采用单层钢框架或排框架系统，在影响此类建筑物安全性的诸多因素中，地震作用是不可忽略的一个因素。在地震反应分析中，只能使用整体的空间模式来描述结构在地震中的真实应力状况。但是，在传统的单层钢结构厂房的设计中，通常都会使用平面式的排架来进行计算。在厂房出现质量、刚度不均匀以及高低错位的情况下，运用能反映结构的空间活动分析方法是十分必要的[4]。

2 典型工程的空间作用分析

2.1 工程概况及分析模型的建立

某工厂为普通的双跨钢结构，采用门型刚框架结构，其钢梁数目为21个，立柱间距6 m，单跨30 m，在纵轴方向设有立柱支承，在屋顶上设有屋顶支承和拉杆，屋顶为轻质屋顶。在对数据进行解析时，利用MIDAS/GEN软件进行建模。本文共构建了三种不同的结构模式，并进行了比较。分析模型采用平面2D 分析模型（单个框架模型和纵向分析模型）、骨架分析模型、整体空间模型（包含屋顶桁条）[5]。在计算过程中，将恒活载荷以线性加载形式引入到梁上，并以振动响应频法进行了计算，以1.0 DL+0.5 LL 的形式进行了计算。 震情资料为7°（0.1 g），按设计的震级分类为I 级，结构特点为0.45 s。本文通过比较各种结构模式的受力和变形性能，讨论在不同的计算模式下，结构的受力和变形性能。在对单层钢结构厂房进行空间结构的研究前，必须对现场的情况和总体设计有全面的认识，并对柱间距、标高、厂房地基等进行详细的分析。

图1 结构分析模型

2.2 刚架平面内方向地震作用的效应分析

在刚架平面上，对单刚架与主刚架空间分析模型进行了受力状况的比较，并进行了柱底应力与位移的比较，绘出了受力及变形的影响曲线，并以纵向轴线为主的骨架分析模式与单榀二维进行分析。从图2 可知，在多次地震作用下，在考虑了厂房结构的空间作用后[6]，刚架结构处于中心轴线，其边跨的受力比单榀二维模型的受力有所下降，约为8%，而中间跨的受力稍大于单榀二维模型，约为5%；在边轴上，最外侧的边柱应力水平较高，钢筋应力增大9%，副边跨应力下降幅度约5%，中间跨应力幅度增大约5%。

图2 单榀刚架与主骨架分析模型杆件应力对比

从图3 可见，在空间分析模式下，钢结构工厂建筑侧跨的柱顶部的变形比工厂中间部位的变形要小[7]。与单梁计算结果相比，该方法的边跨比计算结果下降了7%，中间偏移提高了4%。

图3 单榀刚架与主骨架分析模型结构位移对比

2.3 檩条等非结构主构件对空间作用的影响分析

基于主框架的有限元分析，考虑了桁条的作用，构建了整体的空间模型。在此基础上，将两种模型的计算结果与单刚架分析模型的比较结果进行了分析。从图4 可知，在刚框架平面上，檩条对结构的受力状况有很大的影响，但有明显的变化趋势[8]。同时，对桁条的受力状况进行了分析，得到了竖向和刚框架平面上的应力状态，最大应力为7 MPa、最小应力为2 MPa。

图4 整体分析模型与主骨架模型的对比分析

图5 抗风柱（山墙）对结构空间作用的影响

3 空间作用的影响因素分析

3.1 抗风柱（山墙）对厂房空间作用的影响分析

在前一节的框架分析模型的基础上，建立了无抗风柱结构、原抗风柱结构的连接节点、抗风柱节点刚接结构，并将其与单刚架结构的受力状况进行了比较。结果表明抗风柱（山墙）的布置对建筑物的空间效应有明显的影响[9]。

3.2 刚架刚度不均对厂房空间作用的影响分析

当考虑加强或削弱中间框架的刚性时，可以利用2 个框架（原有的）加强或削弱中间框架的刚度。通过先使用一端框架进行加强或削弱，从而使一端框架的刚性得到加强或削弱。刚性调节位置和检查框架的位置见图6。

图6 刚架刚度调整位置

从计算结果中可以看到，在试验过程中，局部刚架的刚度会对受力程度产生明显的影响。在刚架局部刚度增大时，其它刚架的受力将明显增大；在某些刚性框架刚度下降的情况下，其它刚架的受力将下降。但是，在框架的侧面增加刚性时，会产生扭转作用，使对称刚架的杆构件产生显著的应力差异，且随着距离的增大，该影响逐渐减小。

3.3 柱间支撑位置对结构空间效应的影响分析

在刚框架中，为使其形成稳定的空间结构，使其空间协同效应得到最大程度的发挥，需要在钢架的合适位置进行支承。本文分析了不同支承部位的协同工作特性。在进行分析时，支承部位位于结构中间和距离结构的1/3 处。采用不同的支承方式，计算出了柱底应力与对应的二维纵向轴线解析模型之比。研究发现，随着支承位置的偏移，中轴柱端部应力水平增大，中部应力水平下降，结构的空间影响减小[10]。

图7 柱间支撑位置对空间作用的影响分析

4 单层钢结构厂房考虑空间效应的设计方法探讨

4.1 考虑空间效应的必要性

通过对几种不同结构模式进行计算，发现除了各个钢架结构具有相同的分析模式之外，在横向地震（钢架平面）的作用下，它们都具有空间效应，并受空间效应的影响，多个钢架的受力程度要比二维平面分析的高。与之比较，竖向地震时，其空间效应并不显著，有些指标甚至比二维纵向分析模式更具优势。根据以上的分析，可以得到如下结论，门式刚架结构的单层钢结构厂房在竖向地震作用分析中，不会产生空间效应[11]；在不受山墙影响的情况下，对刚架刚度和质量基本一致的单层钢结构厂房的空间效应可以忽略不计；对其它门型钢梁的单层钢结构厂房应注意空间效应。

4.2 空间效应的影响

针对目前我国单层钢结构厂房采用平面设计的现状，讨论了在单层钢结构厂房进行横向地震分析时，应充分考虑其空间影响。

4.2.1 周期的调整

通过对典型工程的分析，二维单榀刚框架结构的基本周期分别为0.737、0.784 和0.940。由于单层钢结构厂房往往处于下降区，周期折减会加大受力。在采用软件进行分析时，必须考虑到结构周期的变化[12]。

4.2.2 地震剪力和弯矩的调整

《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[13]的附件J，提出了对单层厂房水平框架的地震影响进行修正的要求，但是该标准仅适用于钢筋混凝土、砖砌块的厂房，考虑到山墙布置、屋盖形式、构造长度等影响因素，按钢筋混凝土排架柱的调节因子为0.75～1.35，并按某一单元的构造形式确定。在此基础上，针对目前已有的一些实例，如有山墙且刚度与重量均比较均衡的建筑物，其标准刚度与重量之增大因子由0.92 增至1.04。若整体使用单一的系数，尤其是低于1，则不太保险。在非规则框架中，相邻框架的刚性发生了很大的改变，而在局部刚性增大时，其它刚架的应力明显增大；在某些刚性框架的刚性下降时，其它刚性框架的受力也随之下降。在此实例的计算中，随着钢梁中间部位的刚性增大，钢梁末端的受力增大了30%左右。所以，在非均质刚性结构中，应该着重考虑刚性不均衡框架的受力问题。在此基础上，结构的受力程度将得到很大提高。因此，其调节因子应该比较大。

5 结论

文章讨论了单层钢结构厂房的空间效应，并提出了如下结论：

①针对门型刚架结构的单层钢结构，在进行框架的平面上进行抗震分析时，必须充分重视其空间的影响；

②由于山墙的布置方式、各刚架的刚性、柱之间的布置方式、柱间的布置方式等因素的差异，都会使其产生更大的空间影响；

③在应用二维平面分析模式进行单层钢结构厂房的设计中，必须考虑到其自身的特点，对其进行周期性的缩减，并对其抗震和弯矩进行相应的调节。