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对门式刚架轻钢房屋抗震设计的几点建议

作者：蔡益燕    
时间：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
最近，美国金属房屋制造商协会（MBMA）发表了一本《金属房屋体系抗震设计指南》，是以2000 年建筑法规IBC为依据，由制定IBC和AISC有关标准的抗震专家会同MBMA的抗震专家共同编制的。
    最近，美国金属房屋制造商协会（MBMA）发表了一本《金属房屋体系抗震设计指南》，是以2000 年建筑法规IBC为依据，由制定IBC和AISC有关标准的抗震专家会同MBMA的抗震专家共同编制的。由于美国的抗震设计是按中震考虑结构延性影响，根据结构体系对设计地震作用作不同程度的折减，设计规定也与我国抗震设计方法有很大差异，很难直接搬用。但其中的一些基本原则是可以而且应该借鉴的。下面参考MBMA的这本指南，结合我国的有关规定，提出几点意见供参考，用于适用范围符合CECS：102规定的房屋。
    　　1.门式刚架轻房屋钢为单层单跨或多跨结构，根据其跨高比等具体情况，构件截面有时受风荷载组合控制，有时受地震作组合控制。当受风荷载组合控制时，可以不作抗震分析，此时，7度及以下一般可不采取抗震构造措施。MBMA抗震指南也有类似规定。美国按地震烈度由低到高将地区分为A、B、C、D、E、F等级，其中A～C为低烈度区，C级接近我国7度。当结构位于A～C级时，若取结构的抗震系数R＝3时（约相当于我国抗震规范的地震影响系数），可不采取抗震构造措施，但此规定不适用于更高烈度。8度及以上时，或大跨度结构，或其它无法预计的特殊情况时，应采取适当的抗震构造措施。
    　　2. 门式刚架构件与普通钢结构相比，长细比和板件宽厚比较大，结构具有较大柔性，截面受地震组合作用控制时，可能出现较大位移。根据MBMA规定，柱顶位移计算必要时应计入P-Δ效应，并符合下列规定，此时柱顶位移采用压型钢墙板时不应大于柱高的1/80。
    　　　　　　　　　　　　　(1)
    (2)
    式中 ——二阶效应特征系数，当 时, 可不考虑P-Δ效应； 时应考虑二阶效应； 时，应重新假设构件截面尺寸。
    ——未考虑P-Δ效应时的框架柱顶位移；
    ——考虑P-Δ效应后的框架柱顶位移，应不大于柱高的1/80。
    ——柱顶的总竖向荷载标准值；
    ——作用于柱顶的地震剪力；
    ——与 同时出现的柱顶位移计算值；
    ——柱高度。
    　　3 .普通单层门式刚架允许高度为18m。采用端板螺栓连接时，恒载不应超过72kg/m2（15psf）。采用砌体外墙时，柱顶侧移不得大于柱高的1/240。
    　　4 .门式刚架的抗震分析, 可采用单自由度计算模型, 根据受载面积，将框架质量集中在柱顶。当屋面坡度小于10°时，房屋高度可取檐口高度；当屋面坡度大于10°时，房屋高度取檐口高度和屋脊高度的平均值。山墙框架当房屋跨度较大应设置支撑。MBMA的例题对宽度为60m的房屋，在山墙两端2、3墙架柱之间，分别设置了支撑。据此，建议当房屋宽度等于或大于60m时，山墙框架宜对称设置支撑。
    　　5 .结构计算时，设计地震作用宜分别作用于刚架的两端, 类似风荷载计算。有人在计算时为了方便将水平荷载作用于刚架一端，但MBMA指南特别指出，无论风荷载或地震作用，均应将水平力分别作用于刚架两端。门式刚架为单层房屋，高度相对较小而长度较大，计算时将地震作用施加在山墙（侧墙）两端更接近地震惯性力的实际位置，若将地震作用仅作用于一端，将过于保守，得出的梁轴力将非常保守。另外，应对门式刚架、纵向支撑框架和山墙支撑框架（或框架）分别进行抗震分析。
    　　6.　轻钢厂房的结构基本自振周期（以秒计）,MBMA抗震指南推荐按下列经验公式计算，而不是通过动力分析确定基本自振周期。采用动力分析法时，将得出的自振周期用于计算底部剪力是有限制的，它不能

    　　7. 当轻钢厂房带有与钢框架相连的混凝土楼板夹层时, 应考虑夹层重力由于刚心偏置所产生的剪力和扭矩。进行结构抗扭分析时, 可忽略屋面刚度的影响，仅将夹层作为刚体。夹层在地震作用下产生较大的剪力和扭矩，为了支承夹层产生的作用力，夹层应以门式刚架为水平支承，沿结构的纵向一侧设置，不宜设在山墙一侧，除非结构上另作考虑。夹层另一侧的支柱可能为一列或多列，与刚架柱组成垂直于侧墙方向的刚架。
    　　8.　在结构分析中，屋盖属于房屋的横隔板，夹层也属于横隔板之一。对于轻钢房屋的抗震设计，水平横隔板的侧向刚度与竖向构件的侧向刚度之比有很大关系。工程设计中，作用力计算有两种简化处理的实用方法：一种是柔性横隔假设，此时水平横隔的侧向刚度相对于竖向结构的侧向刚度很小；另一种是刚性横隔假设，此时水平横隔的刚度相对于竖向结构的刚度很大。采用上述假定进行分析的结果，其精度都取决于实际结构与上述简化假设符合的程度。很多结构属于上述两种极端情况之间，精确分析只能用复杂的有限元分析得出，但这种方法对于通常的房屋设计是不适用的。
    　　门式刚架的屋面有搭接式，咬边式和扣合式等，搭接式有螺钉贯穿的和螺钉不贯穿的，它们在水平力作用下的受力各有特点，侧向刚度互不相同的。但MBMA的抗震指南指出，金属房屋的传统设计方法，是无论房屋的大小或形状，或竖向构件的形式和相对刚度如何，任何构造的压型钢板屋面都可视为了柔性横隔。在大多数情况下，此假设是相当正确的和适合的。典型的金属房屋在平面上是接近方形的或矩形的，采用搭接式或咬边式屋盖的较多，横向有很多刚架，纵向在若干柱间设置圆钢支撑，可以认为它是符合柔性横隔要求的。
    　　9. 抗扭计算可采用空间分析，或用近似方法进行刚体平面分析。后者可假设将夹层视为侧向支承在一系列弹簧支座（门式刚架柱）上，为此要计算夹层本身的抗扭刚度和支承刚架的侧向刚度；在夹层产生的地震剪力和偏心扭矩作用下，求出相连框架在各自平面内所受的附加地震剪力，得出近似结果。夹层水平力可根据沿高度均匀分布的假设，按受载高度分配到柱顶和夹层标高，按静力方法进行计算。地震作用不考虑与风荷载同时出现。
    　　10.夹层面积小于所在厂房面积的1/3时，除进行结构整体分析外，也可将带夹层的部分与其余部分用防震缝分开，仅对带夹层部分进行抗扭分析。当夹层面积大于厂房面积1/3时，应进行结构整体分析。
    　　11 .抗震构造措施的一般要求
    斜梁与刚架柱的连接以及斜梁的拼接，应采用外伸式端板式连接。刚架构件与端板的连接，腹板连接采用双面角焊缝，翼缘板连接应视其板厚情况按同济大学等单位所作试验研究课题提出的建议（上海市建委科技局组织了鉴定），即以12mm为界，小于此值采用等强度的双面角焊缝，等于或大于此值采用角对接组合焊缝。端板的高强度螺栓连接，应按绕连接中和轴进行抗弯计算，确保在设计荷载下处于弹性受力状态，不宜绕边排螺栓进行抗弯计算。框架腹板和翼缘的板件宽厚比限值可按风荷载下的规定采用，不需减小。
    　　作为抗震构造措施，支撑要防止连接部位拉脱,包括柱间支撑和屋面圆钢支撑及其连接。柱脚要防止锚栓断面过小被拉断或拔出。砌体墙要注意与框架变形不协调带来的问题。
    　　12. 7度(0.15g)及以上时, 门式刚架应采取下列构造措施：
    1） 柱间支撑应采用角钢制作，可按受拉支撑设计。支撑与框架柱的夹角应在35～55度范围，不符合要求时可设带直杆的双层支撑；节点板尺寸应符合现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017的有关规定；当支撑中心线不能交于柱脚底板处时，构件和连接应考虑偏心引起的附加弯矩。支撑与节点板连接的受拉承载力应大于支撑全塑性受拉承载力；
    2） 柱脚锚栓直径不应小于M24，刚接柱脚的抗弯连接系数应取1.1；锚栓长度不小于25d，d为锚栓直径，锚栓端部应设置锚板或弯钩；柱脚底板应设置抗剪键，底板下设置调平螺母，校准后进行二次灌浆。
    3） 山墙墙架宜采用压型钢板墙板，并应设置支撑或采用抗弯框架体系；
    4） 屋盖水平支撑与构件腹板的连接，当腹板厚度在5mm以下时应对连接部位进行补强。
    　　13. 跨度等于或大于36m的实腹门式刚架,应在跨中斜梁下翼缘设置纵向通长系杆。由于大跨梁的高度较大, 当有桥式吊车时支座水平反力也较大, 在地震作用下水平力增大，轻钢厂房梁翼缘的宽度一般不大，而隅撑提供的侧向刚度较小,为了防止梁在竖向荷载和轴力下平面外失稳, 有必要在跨中下翼缘设置系杆，目的是加强其抗扭刚度和抗扭性能。系杆可按拉杆构造要求选用，但杆端连接应采用两个螺栓。
    　　14. 8度及以上时，侧墙宜采用压型钢板制作，不宜采用砌体墙。砌体外墙应符合下列构造要求：
    1） 砌体墙应为自承重墙，能独自承受平行于墙面的设计地震力。墙体与框架应采用贴砌，二者之间应采用拉墙筋或其它类似构造连接，沿柱高度以50～80cm间距设置。
    2）墙体在垂直于墙面方向的风荷载和地震力，应通过刚架间设置的过梁传递给横向框架，过梁应满足刚度和承载力要求，其构造和截面应通过设计确定。墙在柱顶标高应设置与过梁连接的锚固点，锚固点间距宜为1.5m左右。为了避免墙的竖向重力荷载传给钢框架，墙锚固点与过梁支承点间的连接应采取相应的构造措施。
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