单层钢筋混凝土柱厂房的抗震设计 22页

1 8. 单层钢筋混凝土柱厂房的抗震设计 · 本章要点 　 ■ 　掌握： 结构体系和结构布置的基本原则 　 　　 ■ 　 理解 ：单 层钢筋混凝土柱厂房结构的横向与纵向 　　　　　　　 抗震计算问题 ■ 　了解：单层钢筋混凝土柱厂房结构的震害特点 2 ８ . １　概述 分类 １ . 按生产规模分：大型、中型、小型。 ２ . 按主要承重构件的材料分：单层钢筋混凝土柱厂房、单层砖柱厂房和单层钢结构厂房等。 　　承重构件的选择主要取决于厂房的跨度、高度和吊车起重量等因素。 　　单层钢筋混凝土厂房通常是由钢筋混凝土柱、钢筋混凝土屋架或钢屋架以及有檩或无檩的钢筋混凝土屋盖组成的装配式结构。 ８ . １ . １　横向地震作用下厂房主体结构的震害 　　横向地震作用主要由横向排架抵抗。 震害： １ . 柱头及其与屋架联结的破坏 ２ . 柱肩竖向拉裂 屋架与柱头、柱肩节点的破坏 3 ８ . １　概述 ３ . 上柱柱身变截面处开裂或折断 ４ . 下柱震害 ５ .п 形天窗架与屋架联接节点的破坏 ６ . 围护墙开裂外闪、局部或大面积倒塌 　　　 上柱震害　　　　　　　　　　　　　　　　　下柱震害 4 ８ . １　概述 ８ . １ . ２纵向地震作用下厂房主体结构的震害 　　纵向地震作用主要由纵向排架（柱列）抵抗。 震害： １ . 屋面板错动坠落 ２ .п 形天窗架倾倒，天窗架立柱在平面外折断 ３ . 屋架破坏 ４ . 支撑震害　　　　　　　　　　　　　　　　　 柱间支撑杆件压曲 　　 ５ . 纵向地震作用下围护结构的震害　　　　　　　 　　大量震害调查及试验研究表明： 钢筋混凝土单层厂房经过抗震设防 之后具有良好的抗震性能，是一种 较好的抗震结构　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　山墙倒塌 5 ８ . ２　结构布置的一般原则 　　依据抗震设计的基本思想，结构良好的抗震性能，首先取决于良好的结构体系及合理的结构布置。 ８ . ２ . １体型与抗震缝 １ . 体型： 　　单层厂房的平、立面布置应注意使体型简单、平直。各部分结构的刚度和质量均匀对称，避免凹凸曲折，尽可能选用长方形平面体型。 ２ . 抗震缝 　　对结构复杂的厂房，在侧向刚度或高度变化很大的部位，以及沿厂房侧边有贴建房屋时，宜设抗震缝。 　　抗震缝的两侧应布置墙或柱。 　　抗震缝的宽度按烈度和结构相邻部分可能产生的侧向位移确定。 6 ８ . ２　结构布置的一般原则 ８ . ２ . ２屋盖体系 　　总的来说，应尽可能选用轻屋盖。 ８ . ２ . ３天窗架 　　为了保证天窗和整个厂房的安全，必须减轻天窗屋盖的重量及地震反应，故在天窗的选型上最好采用钢天窗和轻型屋面板材。 ８ . ２ . ４柱　　 　　对于一般单层厂房或较高大的厂房均可以采用钢筋混凝土柱。 　　确定柱子截面时，要选取合适的刚度，过大的抗侧刚度对厂房抗震并不一定有利，相反回引起厂房横向周期的缩短而导致地震荷载的增大。 　　柱底至室内地坪以上 500mm 范围内和阶形柱的上柱宜采用矩形面。 ８ . ２ . ５围护墙体： 　　常用砖墙或大型墙板方案。 7 ８ . ３　单层厂房的横向抗震计算 　　单层厂房的抗震计算，可以分别取横向和纵向两个方向进行。 《 抗震规范 》 规定，对于设防烈度为７度， Ⅰ 、 Ⅱ 类场地，柱高不超过 10m 且结构单元两端均有山墙的单跨及等高多跨厂房（锯齿形厂房除外），可不进行横向及纵向的截面抗震验算，但应满足规定的抗震构造措施要求。 　　关于钢筋混凝土无檩和有檩屋盖厂房在横向地震作用下的内力计算，一般情况下宜采用考虑屋盖平面的横向弹性变形，按多质点空间结构进行内力分析。 　　当符合一定条件时，也可按平面排架计算。这是一种简化计算方法，便于手算，但由于与实际情况有出入，所以其计算结果还需按一定的规定对排架柱的地震剪力和弯矩进行调整。 　　对于柱距相等的轻型屋盖厂房，也可按平面排架分析其内力。 8 ８ . ３　单层厂房的横向抗震计算 8.3.1 计算简图和重力荷载代表值的计算 １ . 计算简图： 　　根据厂房类型和质量分布的不同，取重量集中在不同标高处，下端固定于基础顶面的竖直弹性杆作为计算简图。 集中于第 i 屋盖处的重力荷载代表值 可按下式计算： 一般可不考虑吊车重量的影响。 确定厂房自振周期的计算简图 9 ８ . ３　单层厂房的横向抗震计算 ２ . 计算厂房地震作用时的计算简图和重力荷载集中 　　对于设有桥式吊车的厂房， 除了把厂房质量集中于屋盖标高 处外，还要考虑吊车重量对柱子 的最不利影响，一般把某跨吊车 的全部重量布置于该跨两个柱子 的吊车梁顶面处。 集中于 i 屋盖处的重力荷载代表值可按下式计算： 注意 这里所用的各换算系数与上式中不同，前者是考虑结构的周期（动力）等效，而此处是考虑柱或墙底截面的弯矩等效，其值是通过对一些单层厂房的实际计算结果统计分析得出的。 10 ８ . ３　单层厂房的横向抗震计算 ８ . ３ . ２横向自振周期计算 　　在确定厂房的横向地震作用时，其横向基本周期可根据与厂房结构相应的合理计算简图采用理论方法计算确定。 １ . 单跨和等高多跨厂房 ２ . 两跨不等高厂房 11 ８ . ３　单层厂房的横向抗震计算 ３ . 三跨不对称带升高跨厂房 　　 计算这类厂房的自振周期时，一般可简化为三质点体系，采用能量法计算其基本周期，公式为： 式中 12 ８ . ３　单层厂房的横向抗震计算 ８ . ３ . ３横向自振周期的调整 《 抗震规范 》 规定，按平面铰接排架计算的横向自振周期，应按下列规定加以调整： ( 1 ）由钢筋混凝土屋架或钢屋架与钢筋混凝土柱组成的排架，有纵墙时取周期计算值的 80 % ，无纵墙时取 9 0% ； ( 2 ）由钢筋混凝土屋架或钢屋架与砖柱组成的排架，取周期计算值的 90 % ; （ 3 ）由木屋架、钢木屋架或轻钢屋架与砖柱组成的排架，取周期计算值。 注意 ，上述规定不适用于纵墙连有刚度较大的附属建筑物的房屋。 13 ８ . ３　单层厂房的横向抗震计算 ８ . ３ . ４排架地震作用的计算 　　单层厂房平面排架的横向水平地震作用可采用底部剪力法进行计算。 １ . 排架结构底部总剪力 ２ . 第 i 屋盖高度处的横向水平地震作用 ３ . 吊车重产生的横向水平地震作用 　　对于柱距为 12m 或 12m 以下的厂房，单跨时应区一台，多跨时不超过两台。集中的吊车重量为跨内一台最大吊车重，软钩时不包括吊重，硬钩时要考虑吊重的 30 ％。 14 ８ . ３　单层厂房的横向抗震计算 一台吊车重产生的作用在一根柱上的吊车水平地震作用为： 当为多跨厂房时，各跨的吊车地震作用应分别进行计算。 ８ . ３ . ５ 天窗架的横向水平地震作用 《 抗震规范 》 规定，对突出屋面且带有斜腹杆的三铰拱式钢筋混凝土和钢天窗架，其横向地震作用按底部剪力法计算已足够安全，只对跨度大于９ m 或烈度９度时，天窗架的横向地震作用效应才乘以效应增大系数１ . ５，以考虑高振型的影响。 　　天窗架的横向水平地震作用按下式计算： 15 ８ . ３　单层厂房的横向抗震计算 ８ . ３ . ６ 排架内力分析及组合 １ . 排架内力分析及调整 （１）考虑空间作用及扭转影响对柱地震作用效应的调整； （２）不等高厂房高低跨交接处柱，在支承屋盖的牛腿面以上各截面，按底部剪力法求得的地震剪力和弯矩，应乘以增大系数。 　　增大系数是个综合影响系数，它包含了高低跨厂房高振型的影响，空间作用的影响。 （３）对有吊车的厂房，应将吊车梁顶面标高处的上柱截面由吊车桥架引起的地震剪力和弯矩乘以增大系数。 ８ . ３ . ７排架内力组合 　　内力组合是指地震作用引起的内力和与其相应的竖向荷载引起的内力，根据可能出现的最不利荷载组合情况，进行组合。 一般可不考虑风荷载效应，吊车横向水平制动力引起的内力，竖向地震作用。 16 ８ . ３　单层厂房的横向抗震计算 ８ . ３ . ７截面抗震验算 8. ３ . ８厂房横向抗震验算的其他问题 １ . 对于侧向水平变位受约束（如有嵌砌内隔墙，有侧边贴建披屋，靠山墙的端排架角柱等）处于短柱工作状态的钢筋混凝土柱，可按下式进行柱头的截面抗剪验算： ２ . 在重力荷载与水平地震作用同时作用下，不等高厂房支承低跨屋盖柱的牛腿（柱肩），其纵向水平受拉钢筋截面 A ：应按下式确定： 17 ８ . ４　单层厂房的纵向抗震计算 　　 选择合理的力学模型和计算简图进行厂房纵向抗震分析十分必要。 　　为了便于工程设计，根据不同情况可采用下列两种不同的简化计算方法。 ８ . ４ . １修正刚度法 　　此法适用于柱顶标高不大于 15m 且平均跨度不大于 30m 的单跨或多跨等高钢筋混凝土无檩和有檩屋盖的厂房，取整个抗震缝区段为纵向计算单元。 　　修正刚度法仍采用按柱列刚度比例分配地震作用，但对屋盖的空间作用及纵向围护墙对柱列侧移的影响作了考虑。 ８ . ４ . ２拟能量法 　　拟能量法以剪扭振动空间分析结果为标准，进行试算对比，找出各柱列按跨度中心划分质量的调整系数，从而得出各柱列作为分离体时的有效质量，然后按能量法公式确定整个厂房的自振周期，并按单独柱列分别计算出各柱列的水平地震作用。 　　此法一般用于两跨不等高厂房的纵向地震作用效应计算。 18 ８ . ４　单层厂房的纵向抗震计算 ８ . ４ . ３纵向柱列的刚度 纵向柱列的刚度为柱列中所有柱子、支撑和墙体的刚度之和 ８ . ４ . ４ 柱间支撑的抗震验算 １ . 柔性支撑 对柔性支撑，其交叉支撑的斜杆内力 ２ . 半刚性支撑 对半刚性支撑，交叉支撑的斜杆截面可仅按抗拉验算，并考虑压杆参与一部分工作，斜杆计算拉力为 19 ８ . ４　单层厂房的纵向抗震计算 ３ . 截面承载力验算 在求出斜杆内力之后，即可按下式进行杆件截面的承载力验算： ８ . ４ . ５厂房纵向抗震计算的其他问题 １ . 突出屋面天窗架的纵向水平地震作用 　 可考虑屋盖水平变形和纵墙的有效刚度，按空间体系分析确定。 　　柱高不超过 15m 的单跨和等高多跨钢筋混凝土无凛屋盖厂房，可按底部剪力法计算，并按效应增大系数调整天窗架的地震作用效应。 ２ . 柱间支撑的等强设计 　　 为防止局部严重破坏，宜将上柱支撑和下柱支撑设计成等强结构，即按弹性状态设计，使上、下柱支撑的屈服强度与地震内力的比值大致相同。同时，柱间支撑与柱的连接应与支撑杆件等强。 20 ８ . ５　单层钢筋混凝土柱厂房构造措施 　　合理的构造措施是提高结构延性，防止结构在地震中倒塌的重要保证。 ８ . ５ . １无檩屋盖构件的连接与支撑布置 　　装配式钢筋混凝土厂房的整体性主要靠构件之间的良好连接和合理的支撑系统来保证，而厂房的整体性则是抵抗地震作用十分重要的条件。 　　屋盖支撑是保证屋盖结构整体刚度的重要条件，是提供屋盖刚度保证的第二道防线，它能有效地保证屋盖的整体性，即使屋面板局部塌落，也不会导致整体屋盖的倒塌。 ８ . ５ . ２有檩屋盖构件的连接与支撑布置 ８ . ５ . ３屋架 ８ . ５ . ４柱 　　为了增加钢筋混凝土柱的延性，应对柱采取适当的构造措施。 21 ８ . ５　单层钢筋混凝土柱厂房构造措施 8.5.5 柱间支撑 　　柱间支撑是保证厂房纵向刚度和抵抗纵向地震作用的重要抗侧力构件。 柱间支撑的设置是必不可少的，而且要使刚度适宜，柱间支撑的设置应符合下列要求： １ . 柱间支撑按厂房单元布置； ２ . 柱间支撑的杆件应采用型钢，支撑形式宜采用交叉式，其斜杆与水平面的交角不宜大于 55° 。 3. 为了有利于厂房纵向地震作用的传递， 8 度时厂房跨度不小于 18m 的多跨厂房的中柱和 9 度时多跨厂房的各柱，柱顶宜设置通长水平压杆。 4. 柱间支撑与柱连接的节点焊缝及柱内锚件应与支撑杆件等强，以避免节点过早破坏。 22 ８ . ５　单层钢筋混凝土柱厂房构造措施 8.5.6 连接节点 　　 在单层钢筋混凝土厂房的抗震措施中，屋架（屋面梁）与柱头的连接节点的做法是十分重要的。 8 . 5 . 7 围护墙体 １ . 为了避免地震时砖围护墙的外闪和倒塌，增加墙体平面外的稳定。 ２ . 宜采用现浇钢筋混凝土墙梁。 ３ . 闭和圈梁能增加厂房整体性，限制墙体开裂，减轻砖墙震害。 ４ . 半截隔墙以及高低跨厂房中的低跨横隔墙，应贴靠柱边砌筑，与柱柔性连接，不宜采用柱间嵌砌。 ５ . 当采用钢筋混凝土大型墙板时，墙板与厂房柱或屋架间宜采用柔性连接，６～７度取可采用型钢互焊的刚性连接。