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對門式剛架輕鋼房屋抗震設(shè)計的幾點建議

作者：蔡益燕    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
最近，美國金屬房屋制造商協(xié)會（MBMA）發(fā)表了一本《金屬房屋體系抗震設(shè)計指南》，是以2000 年建筑法規(guī)IBC為依據(jù)，由制定IBC和AISC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的抗震專家會同MBMA的抗震專家共同編制的。
    最近，美國金屬房屋制造商協(xié)會（MBMA）發(fā)表了一本《金屬房屋體系抗震設(shè)計指南》，是以2000 年建筑法規(guī)IBC為依據(jù)，由制定IBC和AISC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的抗震專家會同MBMA的抗震專家共同編制的。由于美國的抗震設(shè)計是按中震考慮結(jié)構(gòu)延性影響，根據(jù)結(jié)構(gòu)體系對設(shè)計地震作用作不同程度的折減，設(shè)計規(guī)定也與我國抗震設(shè)計方法有很大差異，很難直接搬用。但其中的一些基本原則是可以而且應(yīng)該借鑒的。下面參考MBMA的這本指南，結(jié)合我國的有關(guān)規(guī)定，提出幾點意見供參考，用于適用范圍符合CECS：102規(guī)定的房屋。
    　　1.門式剛架輕房屋鋼為單層單跨或多跨結(jié)構(gòu)，根據(jù)其跨高比等具體情況，構(gòu)件截面有時受風(fēng)荷載組合控制，有時受地震作組合控制。當(dāng)受風(fēng)荷載組合控制時，可以不作抗震分析，此時，7度及以下一般可不采取抗震構(gòu)造措施。MBMA抗震指南也有類似規(guī)定。美國按地震烈度由低到高將地區(qū)分為A、B、C、D、E、F等級，其中A～C為低烈度區(qū)，C級接近我國7度。當(dāng)結(jié)構(gòu)位于A～C級時，若取結(jié)構(gòu)的抗震系數(shù)R＝3時（約相當(dāng)于我國抗震規(guī)范的地震影響系數(shù)），可不采取抗震構(gòu)造措施，但此規(guī)定不適用于更高烈度。8度及以上時，或大跨度結(jié)構(gòu)，或其它無法預(yù)計的特殊情況時，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)目拐饦?gòu)造措施。
    　　2. 門式剛架構(gòu)件與普通鋼結(jié)構(gòu)相比，長細比和板件寬厚比較大，結(jié)構(gòu)具有較大柔性，截面受地震組合作用控制時，可能出現(xiàn)較大位移。根據(jù)MBMA規(guī)定，柱頂位移計算必要時應(yīng)計入P-Δ效應(yīng)，并符合下列規(guī)定，此時柱頂位移采用壓型鋼墻板時不應(yīng)大于柱高的1/80。
    　　　　　　　　　　　　　(1)
    (2)
    式中 ——二階效應(yīng)特征系數(shù)，當(dāng) 時, 可不考慮P-Δ效應(yīng)； 時應(yīng)考慮二階效應(yīng)； 時，應(yīng)重新假設(shè)構(gòu)件截面尺寸。
    ——未考慮P-Δ效應(yīng)時的框架柱頂位移；
    ——考慮P-Δ效應(yīng)后的框架柱頂位移，應(yīng)不大于柱高的1/80。
    ——柱頂?shù)目傌Q向荷載標(biāo)準(zhǔn)值；
    ——作用于柱頂?shù)牡卣鸺袅Γ?br /> ——與 同時出現(xiàn)的柱頂位移計算值；
    ——柱高度。
    　　3 .普通單層門式剛架允許高度為18m。采用端板螺栓連接時，恒載不應(yīng)超過72kg/m2（15psf）。采用砌體外墻時，柱頂側(cè)移不得大于柱高的1/240。
    　　4 .門式剛架的抗震分析, 可采用單自由度計算模型, 根據(jù)受載面積，將框架質(zhì)量集中在柱頂。當(dāng)屋面坡度小于10°時，房屋高度可取檐口高度；當(dāng)屋面坡度大于10°時，房屋高度取檐口高度和屋脊高度的平均值。山墻框架當(dāng)房屋跨度較大應(yīng)設(shè)置支撐。MBMA的例題對寬度為60m的房屋，在山墻兩端2、3墻架柱之間，分別設(shè)置了支撐。據(jù)此，建議當(dāng)房屋寬度等于或大于60m時，山墻框架宜對稱設(shè)置支撐。
    　　5 .結(jié)構(gòu)計算時，設(shè)計地震作用宜分別作用于剛架的兩端, 類似風(fēng)荷載計算。有人在計算時為了方便將水平荷載作用于剛架一端，但MBMA指南特別指出，無論風(fēng)荷載或地震作用，均應(yīng)將水平力分別作用于剛架兩端。門式剛架為單層房屋，高度相對較小而長度較大，計算時將地震作用施加在山墻（側(cè)墻）兩端更接近地震慣性力的實際位置，若將地震作用僅作用于一端，將過于保守，得出的梁軸力將非常保守。另外，應(yīng)對門式剛架、縱向支撐框架和山墻支撐框架（或框架）分別進行抗震分析。
    　　6.　輕鋼廠房的結(jié)構(gòu)基本自振周期（以秒計）,MBMA抗震指南推薦按下列經(jīng)驗公式計算，而不是通過動力分析確定基本自振周期。采用動力分析法時，將得出的自振周期用于計算底部剪力是有限制的，它不能

    　　7. 當(dāng)輕鋼廠房帶有與鋼框架相連的混凝土樓板夾層時, 應(yīng)考慮夾層重力由于剛心偏置所產(chǎn)生的剪力和扭矩。進行結(jié)構(gòu)抗扭分析時, 可忽略屋面剛度的影響，僅將夾層作為剛體。夾層在地震作用下產(chǎn)生較大的剪力和扭矩，為了支承夾層產(chǎn)生的作用力，夾層應(yīng)以門式剛架為水平支承，沿結(jié)構(gòu)的縱向一側(cè)設(shè)置，不宜設(shè)在山墻一側(cè)，除非結(jié)構(gòu)上另作考慮。夾層另一側(cè)的支柱可能為一列或多列，與剛架柱組成垂直于側(cè)墻方向的剛架。
    　　8.　在結(jié)構(gòu)分析中，屋蓋屬于房屋的橫隔板，夾層也屬于橫隔板之一。對于輕鋼房屋的抗震設(shè)計，水平橫隔板的側(cè)向剛度與豎向構(gòu)件的側(cè)向剛度之比有很大關(guān)系。工程設(shè)計中，作用力計算有兩種簡化處理的實用方法：一種是柔性橫隔假設(shè)，此時水平橫隔的側(cè)向剛度相對于豎向結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度很小；另一種是剛性橫隔假設(shè)，此時水平橫隔的剛度相對于豎向結(jié)構(gòu)的剛度很大。采用上述假定進行分析的結(jié)果，其精度都取決于實際結(jié)構(gòu)與上述簡化假設(shè)符合的程度。很多結(jié)構(gòu)屬于上述兩種極端情況之間，精確分析只能用復(fù)雜的有限元分析得出，但這種方法對于通常的房屋設(shè)計是不適用的。
    　　門式剛架的屋面有搭接式，咬邊式和扣合式等，搭接式有螺釘貫穿的和螺釘不貫穿的，它們在水平力作用下的受力各有特點，側(cè)向剛度互不相同的。但MBMA的抗震指南指出，金屬房屋的傳統(tǒng)設(shè)計方法，是無論房屋的大小或形狀，或豎向構(gòu)件的形式和相對剛度如何，任何構(gòu)造的壓型鋼板屋面都可視為了柔性橫隔。在大多數(shù)情況下，此假設(shè)是相當(dāng)正確的和適合的。典型的金屬房屋在平面上是接近方形的或矩形的，采用搭接式或咬邊式屋蓋的較多，橫向有很多剛架，縱向在若干柱間設(shè)置圓鋼支撐，可以認為它是符合柔性橫隔要求的。
    　　9. 抗扭計算可采用空間分析，或用近似方法進行剛體平面分析。后者可假設(shè)將夾層視為側(cè)向支承在一系列彈簧支座（門式剛架柱）上，為此要計算夾層本身的抗扭剛度和支承剛架的側(cè)向剛度；在夾層產(chǎn)生的地震剪力和偏心扭矩作用下，求出相連框架在各自平面內(nèi)所受的附加地震剪力，得出近似結(jié)果。夾層水平力可根據(jù)沿高度均勻分布的假設(shè)，按受載高度分配到柱頂和夾層標(biāo)高，按靜力方法進行計算。地震作用不考慮與風(fēng)荷載同時出現(xiàn)。
    　　10.夾層面積小于所在廠房面積的1/3時，除進行結(jié)構(gòu)整體分析外，也可將帶夾層的部分與其余部分用防震縫分開，僅對帶夾層部分進行抗扭分析。當(dāng)夾層面積大于廠房面積1/3時，應(yīng)進行結(jié)構(gòu)整體分析。
    　　11 .抗震構(gòu)造措施的一般要求
    斜梁與剛架柱的連接以及斜梁的拼接，應(yīng)采用外伸式端板式連接。剛架構(gòu)件與端板的連接，腹板連接采用雙面角焊縫，翼緣板連接應(yīng)視其板厚情況按同濟大學(xué)等單位所作試驗研究課題提出的建議（上海市建委科技局組織了鑒定），即以12mm為界，小于此值采用等強度的雙面角焊縫，等于或大于此值采用角對接組合焊縫。端板的高強度螺栓連接，應(yīng)按繞連接中和軸進行抗彎計算，確保在設(shè)計荷載下處于彈性受力狀態(tài)，不宜繞邊排螺栓進行抗彎計算。框架腹板和翼緣的板件寬厚比限值可按風(fēng)荷載下的規(guī)定采用，不需減小。
    　　作為抗震構(gòu)造措施，支撐要防止連接部位拉脫,包括柱間支撐和屋面圓鋼支撐及其連接。柱腳要防止錨栓斷面過小被拉斷或拔出。砌體墻要注意與框架變形不協(xié)調(diào)帶來的問題。
    　　12. 7度(0.15g)及以上時, 門式剛架應(yīng)采取下列構(gòu)造措施：
    1） 柱間支撐應(yīng)采用角鋼制作，可按受拉支撐設(shè)計。支撐與框架柱的夾角應(yīng)在35～55度范圍，不符合要求時可設(shè)帶直桿的雙層支撐；節(jié)點板尺寸應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017的有關(guān)規(guī)定；當(dāng)支撐中心線不能交于柱腳底板處時，構(gòu)件和連接應(yīng)考慮偏心引起的附加彎矩。支撐與節(jié)點板連接的受拉承載力應(yīng)大于支撐全塑性受拉承載力；
    2） 柱腳錨栓直徑不應(yīng)小于M24，剛接柱腳的抗彎連接系數(shù)應(yīng)取1.1；錨栓長度不小于25d，d為錨栓直徑，錨栓端部應(yīng)設(shè)置錨板或彎鉤；柱腳底板應(yīng)設(shè)置抗剪鍵，底板下設(shè)置調(diào)平螺母，校準(zhǔn)后進行二次灌漿。
    3） 山墻墻架宜采用壓型鋼板墻板，并應(yīng)設(shè)置支撐或采用抗彎框架體系；
    4） 屋蓋水平支撐與構(gòu)件腹板的連接，當(dāng)腹板厚度在5mm以下時應(yīng)對連接部位進行補強。
    　　13. 跨度等于或大于36m的實腹門式剛架,應(yīng)在跨中斜梁下翼緣設(shè)置縱向通長系桿。由于大跨梁的高度較大, 當(dāng)有橋式吊車時支座水平反力也較大, 在地震作用下水平力增大，輕鋼廠房梁翼緣的寬度一般不大，而隅撐提供的側(cè)向剛度較小,為了防止梁在豎向荷載和軸力下平面外失穩(wěn), 有必要在跨中下翼緣設(shè)置系桿，目的是加強其抗扭剛度和抗扭性能。系桿可按拉桿構(gòu)造要求選用，但桿端連接應(yīng)采用兩個螺栓。
    　　14. 8度及以上時，側(cè)墻宜采用壓型鋼板制作，不宜采用砌體墻。砌體外墻應(yīng)符合下列構(gòu)造要求：
    1） 砌體墻應(yīng)為自承重墻，能獨自承受平行于墻面的設(shè)計地震力。墻體與框架應(yīng)采用貼砌，二者之間應(yīng)采用拉墻筋或其它類似構(gòu)造連接，沿柱高度以50～80cm間距設(shè)置。
    2）墻體在垂直于墻面方向的風(fēng)荷載和地震力，應(yīng)通過剛架間設(shè)置的過梁傳遞給橫向框架，過梁應(yīng)滿足剛度和承載力要求，其構(gòu)造和截面應(yīng)通過設(shè)計確定。墻在柱頂標(biāo)高應(yīng)設(shè)置與過梁連接的錨固點，錨固點間距宜為1.5m左右。為了避免墻的豎向重力荷載傳給鋼框架，墻錨固點與過梁支承點間的連接應(yīng)采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。
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