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(jīng)濟高速發(fā)展、對能源的需求與日俱增，目前我國的城市規(guī)模已達(dá)到了前所未有的規(guī)模，而建筑業(yè)也在飛速發(fā)展，因此對建筑結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的研究也就更加深入[1]。而目前國內(nèi)普遍采用的是單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房是目前最常用的一種結(jié)構(gòu)形式，且在最近幾年，鋼鐵行業(yè)的熱軋、冷軋、硅鋼等行業(yè)，都是采用單層鋼結(jié)構(gòu)。因此，我國有關(guān)單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的法規(guī)也逐步完善，有關(guān)技術(shù)法規(guī)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 102-2002）[2]規(guī)定了其自重、立柱間距，并按有關(guān)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行計算。也正因為如此，單層鋼結(jié)構(gòu)的廠房設(shè)計才會變得更加的成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，而工業(yè)工廠的生產(chǎn)流程更復(fù)雜、管道更多、跨度更大。針對有較高的采光、通風(fēng)要求的工廠，在進(jìn)行單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計時，必須進(jìn)行最優(yōu)的設(shè)計，使其能更好地適應(yīng)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(tǒng)，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(yīng)分析中，只能使用整體的空間模式來描述結(jié)構(gòu)在地震中的真實應(yīng)力狀況。但是，在傳統(tǒng)的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計中，通常都會使用平面式的排架來進(jìn)行計算。在廠房出現(xiàn)質(zhì)量、剛度不均勻以及高低錯位的情況下，運用能反映結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，采用門型剛框架結(jié)構(gòu)，其鋼梁數(shù)目為21個，立柱間距6 m，單跨30 m，在縱軸方向設(shè)有立柱支承，在屋頂上設(shè)有屋頂支承和拉桿，屋頂為輕質(zhì)屋頂。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析時，利用MIDAS/GEN軟件進(jìn)行建模。本文共構(gòu)建了三種不同的結(jié)構(gòu)模式，并進(jìn)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(yīng)頻法進(jìn)行了計算，以1.0 DL+0.5 LL 的形式進(jìn)行了計算。 震情資料為7°（0.1 g），按設(shè)計的震級分類為I 級，結(jié)構(gòu)特點為0.45 s。本文通過比較各種結(jié)構(gòu)模式的受力和變形性能，討論在不同的計算模式下，結(jié)構(gòu)的受力和變形性能。在對單層鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)的研究前，必須對現(xiàn)場的情況和總體設(shè)計有全面的認(rèn)識，并對柱間距、標(biāo)高、廠房地基等進(jìn)行詳細(xì)的分析。

圖1 結(jié)構(gòu)分析模型

2.2 剛架平面內(nèi)方向地震作用的效應(yīng)分析

在剛架平面上，對單剛架與主剛架空間分析模型進(jìn)行了受力狀況的比較，并進(jìn)行了柱底應(yīng)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(jìn)行分析。從圖2 可知，在多次地震作用下，在考慮了廠房結(jié)構(gòu)的空間作用后[6]，剛架結(jié)構(gòu)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(cè)的邊柱應(yīng)力水平較高，鋼筋應(yīng)力增大9%，副邊跨應(yīng)力下降幅度約5%，中間跨應(yīng)力幅度增大約5%。

圖2 單榀剛架與主骨架分析模型桿件應(yīng)力對比

從圖3 可見，在空間分析模式下，鋼結(jié)構(gòu)工廠建筑側(cè)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(jié)果相比，該方法的邊跨比計算結(jié)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(jié)構(gòu)位移對比

2.3 檁條等非結(jié)構(gòu)主構(gòu)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(gòu)建了整體的空間模型。在此基礎(chǔ)上，將兩種模型的計算結(jié)果與單剛架分析模型的比較結(jié)果進(jìn)行了分析。從圖4 可知，在剛框架平面上，檁條對結(jié)構(gòu)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(jìn)行了分析，得到了豎向和剛框架平面上的應(yīng)力狀態(tài)，最大應(yīng)力為7 MPa、最小應(yīng)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(fēng)柱（山墻）對結(jié)構(gòu)空間作用的影響

3 空間作用的影響因素分析

3.1 抗風(fēng)柱（山墻）對廠房空間作用的影響分析

在前一節(jié)的框架分析模型的基礎(chǔ)上，建立了無抗風(fēng)柱結(jié)構(gòu)、原抗風(fēng)柱結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點、抗風(fēng)柱節(jié)點剛接結(jié)構(gòu)，并將其與單剛架結(jié)構(gòu)的受力狀況進(jìn)行了比較。結(jié)果表明抗風(fēng)柱（山墻）的布置對建筑物的空間效應(yīng)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(dāng)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(jìn)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(diào)節(jié)位置和檢查框架的位置見圖6。

圖6 剛架剛度調(diào)整位置

從計算結(jié)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(chǎn)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(cè)面增加剛性時，會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用，使對稱剛架的桿構(gòu)件產(chǎn)生顯著的應(yīng)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(jié)構(gòu)空間效應(yīng)的影響分析

在剛框架中，為使其形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，使其空間協(xié)同效應(yīng)得到最大程度的發(fā)揮，需要在鋼架的合適位置進(jìn)行支承。本文分析了不同支承部位的協(xié)同工作特性。在進(jìn)行分析時，支承部位位于結(jié)構(gòu)中間和距離結(jié)構(gòu)的1/3 處。采用不同的支承方式，計算出了柱底應(yīng)力與對應(yīng)的二維縱向軸線解析模型之比。研究發(fā)現(xiàn)，隨著支承位置的偏移，中軸柱端部應(yīng)力水平增大，中部應(yīng)力水平下降，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)廠房考慮空間效應(yīng)的設(shè)計方法探討

4.1 考慮空間效應(yīng)的必要性

通過對幾種不同結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)除了各個鋼架結(jié)構(gòu)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(yīng)，并受空間效應(yīng)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(yīng)并不顯著，有些指標(biāo)甚至比二維縱向分析模式更具優(yōu)勢。根據(jù)以上的分析，可以得到如下結(jié)論，門式剛架結(jié)構(gòu)的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房在豎向地震作用分析中，不會產(chǎn)生空間效應(yīng)[11]；在不受山墻影響的情況下，對剛架剛度和質(zhì)量基本一致的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的空間效應(yīng)可以忽略不計；對其它門型鋼梁的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房應(yīng)注意空間效應(yīng)。

4.2 空間效應(yīng)的影響

針對目前我國單層鋼結(jié)構(gòu)廠房采用平面設(shè)計的現(xiàn)狀，討論了在單層鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行橫向地震分析時，應(yīng)充分考慮其空間影響。

4.2.1 周期的調(diào)整

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

4.2.2 地震剪力和彎矩的調(diào)整

《建筑抗震設(shè)計規(guī)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(jìn)行修正的要求，但是該標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)造長度等影響因素，按鋼筋混凝土排架柱的調(diào)節(jié)因子為0.75～1.35，并按某一單元的構(gòu)造形式確定。在此基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)，尤其是低于1，則不太保險。在非規(guī)則框架中，相鄰框架的剛性發(fā)生了很大的改變，而在局部剛性增大時，其它剛架的應(yīng)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(zhì)剛性結(jié)構(gòu)中，應(yīng)該著重考慮剛性不均衡框架的受力問題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)的受力程度將得到很大提高。因此，其調(diào)節(jié)因子應(yīng)該比較大。

5 結(jié)論

文章討論了單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的空間效應(yīng)，并提出了如下結(jié)論：

①針對門型剛架結(jié)構(gòu)的單層鋼結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行框架的平面上進(jìn)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(chǎn)生更大的空間影響；

③在應(yīng)用二維平面分析模式進(jìn)行單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計中，必須考慮到其自身的特點，對其進(jìn)行周期性的縮減，并對其抗震和彎矩進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。