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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)標準的抗震專家會同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)標準的抗震專家會同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)件截面有時受風荷載組合控制，有時受地震作組合控制。當受風荷載組合控制時，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)，或其它無法預計的特殊情況時，應采取適當?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計入P-Δ效應，并符合下列規(guī)定，此時柱頂位移采用壓型鋼墻板時不應大于柱高的1/80。
    　　　　　　　　　　　　　(1)
    (2)
    式中 ——二階效應特征系數(shù)，當 時, 可不考慮P-Δ效應； 時應考慮二階效應； 時，應重新假設(shè)構(gòu)件截面尺寸。
    ——未考慮P-Δ效應時的框架柱頂位移；
    ——考慮P-Δ效應后的框架柱頂位移，應不大于柱高的1/80。
    ——柱頂?shù)目傌Q向荷載標準值；
    ——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。當屋面坡度小于10°時，房屋高度可取檐口高度；當屋面坡度大于10°時，房屋高度取檐口高度和屋脊高度的平均值。山墻框架當房屋跨度較大應設(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，無論風荷載或地震作用，均應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. 當輕鋼廠房帶有與鋼框架相連的混凝土樓板夾層時, 應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高，按靜力方法進行計算。地震作用不考慮與風荷載同時出現(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。當夾層面積大于廠房面積1/3時，應進行結(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，翼緣板連接應視其板厚情況按同濟大學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, 門式剛架應采取下列構(gòu)造措施：
    1） 柱間支撐應采用角鋼制作，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)點板尺寸應符合現(xiàn)行國家標準《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017的有關(guān)規(guī)定；當支撐中心線不能交于柱腳底板處時，構(gòu)件和連接應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大于支撐全塑性受拉承載力；
    2） 柱腳錨栓直徑不應小于M24，剛接柱腳的抗彎連接系數(shù)應取1.1；錨栓長度不小于25d，d為錨栓直徑，錨栓端部應設(shè)置錨板或彎鉤；柱腳底板應設(shè)置抗剪鍵，底板下設(shè)置調(diào)平螺母，校準后進行二次灌漿。
    3） 山墻墻架宜采用壓型鋼板墻板，并應設(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，當腹板厚度在5mm以下時應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。砌體外墻應符合下列構(gòu)造要求：
    1） 砌體墻應為自承重墻，能獨自承受平行于墻面的設(shè)計地震力。墻體與框架應采用貼砌，二者之間應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荷載和地震力，應通過剛架間設(shè)置的過梁傳遞給橫向框架，過梁應滿足剛度和承載力要求，其構(gòu)造和截面應通過設(shè)計確定。墻在柱頂標高應設(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采取相應的構(gòu)造措施。
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