【摘要】近些年來，世界各地頻繁發(fā)生地震，帶來的房屋倒塌、人員傷亡、財產(chǎn)損失，讓我們深刻體會到了建筑物在設計時充分考慮抗震的重要性，作為一名結(jié)構設計工程師更是如此。但是，由于地震有著復雜性和不確定性的特點，以目前的科技手段還很難完全掌握地震的發(fā)生規(guī)律。因此，通過對單層工業(yè)廠房在地震中的破壞現(xiàn)象，分析其破壞的原因，對震后的恢復重建具有重要的現(xiàn)實意義和指導價值，并可作為今后結(jié)構設計的參考依據(jù)。下面就從結(jié)構體系、構件連接方面來分析單層鋼結(jié)構廠房的設計原則和所須注意的問題。
【關鍵詞】鋼結(jié)構；工業(yè)廠房；抗震設計
一、結(jié)構體系
一般單層鋼結(jié)構廠房采用框架支撐體系，即橫向設計成剛接框架，縱向設計成柱間支撐體系，這種體系經(jīng)濟節(jié)約，但柱間支撐可能會影響使用功能。這種形式特別適用于縱向較長，橫向較短的單層工業(yè)廠房。
1、截面設計
鋼結(jié)構廠房與鋼筋混凝土房屋一樣，同樣應遵守強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構件的抗震設計基本原則。
1.1 強柱弱粱。指在粱柱連接節(jié)點處柱端實際受彎承載力要大于梁端實際受彎承載力。一般采用增大柱端彎矩的做法。也就是使框架結(jié)構塑性鉸出現(xiàn)在梁端的設計要求，用以提高結(jié)構的變形能力，防止在強烈地震作用下倒塌。“強柱弱梁”不僅是手段，也是目的，其手段表現(xiàn)在人們認為對柱的設計彎矩放大，對梁不放大。其目的表現(xiàn)在調(diào)整后，柱的抗彎能力比之前強了，而梁不變。即柱的能力提高程度比梁大。這樣梁柱一起受力時，梁端可以先于柱屈服。
1.2 強剪弱彎。指避免構件（梁、柱、墻）剪力較大的部位在梁端達到塑性變形能力極限之前發(fā)生非延性破壞，即控制脆性破壞形式的發(fā)生。也就是說結(jié)構（框架梁、柱）的抗剪承載力要大于抗彎承載力，目的是控制構件發(fā)生彎曲破壞，而不是剪切破壞，避免脆性破壞，充分發(fā)揮塑性鉸的能力。
1.3 強節(jié)點若構件。以下為在設計中加強節(jié)點的措施：（1）構造保證。①增加連接強度，如增加焊縫厚度和螺栓大小。②梁端加腋或加隅撐。③加厚梁柱節(jié)點域的腹板厚度或增設水平和斜向加勁肋。（2）計算保證。①按抗震彈性設計：計算中考慮抗震承載力調(diào)整系數(shù)為0.85，初步確定焊縫尺寸或螺栓數(shù)量、間距、直徑。②按以上確定的焊縫尺寸或螺栓數(shù)量、間距、直徑驗算連接的抗震極限受彎、受拉和拼接承載力是否大于其構件的屈服承載力，并留有一定的裕量。
2、支撐體系
屋面支撐和柱間支撐是保證單層工業(yè)廠房結(jié)構穩(wěn)定的重要構件，尤其是柱間支撐，在地震中常出現(xiàn)支撐斜桿的扭曲，隨之引起支撐與鋼柱連接節(jié)點的破壞，而交叉式支撐中部的連接處則出現(xiàn)節(jié)點板扭曲變形。當支撐與柱的連接節(jié)點為焊接時，其破壞特征多呈現(xiàn)為焊縫斷裂或節(jié)點板撕裂，或者將連接處鋼柱腹板拉裂；當支撐與柱子連接節(jié)點為螺栓連接時，多呈現(xiàn)為：螺栓孔處的節(jié)點板斷裂，支撐桿端的連接孔處斷裂、連接螺栓剪斷、支撐螺栓連接端部板開裂、支撐節(jié)點板與柱剪斷等破壞。據(jù)統(tǒng)計，螺栓連接的支撐破壞高于焊接連接。故在抗震設計時，支撐連接宜優(yōu)先選用焊接連接，在實際工程中也有螺栓連接和焊接連接同時使用的情況。柱間支撐的設置和構造，應符合下列要求：（1）一般情況下，應在廠房單元中部設置上下柱間支撐，且下柱支撐應與上柱支撐配套設置；（2）有起重機或8度和9度時，宜在廠房單元兩端增設上柱支撐；（3）廠房單元較長或8度III、Ⅳ類場地和9度時，可在廠房單元中部1/3區(qū)段內(nèi)設置兩道柱間支撐。（4）下柱支撐的下節(jié)點位置和構造措施，應保證將地震作用直接傳給基礎；當6度和7度（0.109）不能直接傳給基礎時，應計及支撐對柱和基礎的不利影響采取加強措施。（5）交叉支撐在交叉點應設置節(jié)點板，其厚度不應小于lOmm，斜桿與交叉節(jié)點板應焊接，與端節(jié)點板宜焊接。
3、圍護結(jié)構
維護結(jié)構的破壞多由于拉結(jié)不足或者高寬比比較大造成破壞，在以后的設計中應加強柱與墻的拉結(jié)，調(diào)整高寬比，局部可采用框架、輕質(zhì)圍護墻等措施減少震害。
二、構件連接
1、節(jié)點脆性破壞原理
眾多學者的研究表明，節(jié)點的脆性破壞原因主要是由焊縫的質(zhì)量和較高的二向應力引起。節(jié)點脆性破壞的典型模式為：脆性裂紋自梁下翼緣與柱翼緣相交焊縫處，通過不同途徑擴展，導致多種多樣的斷裂模式。相關學者一共總結(jié)了8種裂紋形式，其中有7類裂紋起源于梁下翼緣和柱翼緣的交叉區(qū)域，這充分說明了節(jié)點的梁底部翼緣焊接區(qū)是發(fā)生脆性破壞的主要區(qū)域，具體的破壞原因可以總結(jié)為以下幾點：首先是結(jié)構在焊接過程中的問題。在焊接過程中容易產(chǎn)生各種影響因素，包括焊縫金屬的沖擊韌性低和焊縫存在的缺陷，這些都是應力集中可能產(chǎn)生的結(jié)果。在地震力作用下，梁柱的節(jié)點外應力值較大且狀態(tài)復雜，焊接部位的鋼材往往處于二向應力狀態(tài)，從而使節(jié)點焊縫截面成為結(jié)構的薄弱環(huán)節(jié)。而鋼材的韌性，僅在較細的桿件處于單軸應力狀態(tài)下才得以充分發(fā)揮，當其處于三向應力狀態(tài)下，就很難充分發(fā)揮材料的優(yōu)勢性能，從而就會在沒有明顯屈服現(xiàn)象的情況下發(fā)生脆性破壞。其次，在坡口焊縫處的襯板和引弧板造成的“人工”裂縫的存在，也會使裂縫尖端的應力極度系數(shù)超過臨界值，從而引發(fā)不穩(wěn)定斷裂。再次，梁柱連接處的鋼材因受到約束不能轉(zhuǎn)動，尤其是當柱翼緣板材較厚時，這種約束使梁柱節(jié)點處鋼材不能屈服，從而加劇了該處焊縫的局部高應力，也增大了再焊縫缺陷中引發(fā)裂縫的幾率。另外還有柱節(jié)點板域過大的剪切屈服變形，組合樓板產(chǎn)生的負面影響等其他多種因素。
2、梁柱節(jié)點的設計原則
鋼框架梁柱連接節(jié)點的基本設計原則就是節(jié)點必須能夠完全傳遞被連接板件的彎矩和剪力，充分發(fā)揮鋼材的塑性性能，保證鋼框架梁柱節(jié)點在地震作用下少發(fā)生甚至不發(fā)生脆性破壞。據(jù)此提出的節(jié)點設計方法，概括起來為如下幾點：①將塑性鉸的位置外移；②對梁翼緣焊縫襯板缺口效應進行處理；③改進形切角構造；④選用有較高沖擊韌性的焊縫；⑤將梁腹板與柱子焊接。
在抗震設計中，直接的滿焊焊接可能無法滿足要求，要通過抗震措施來加強。目前，主要采用將塑性鉸自梁端外移來避免強震下梁柱連接外焊縫破壞的做法，其常用的方法有以下幾種：①加強梁端截面；②局部削弱梁截面；③狗骨式與梁端加強式相結(jié)合的做法。這幾種方法的目的都是相對地加大梁端的局部截面，減小該處的局部應力，確保結(jié)構發(fā)生延性破壞。但在節(jié)點局部加強時應十分注意，不要因此而出現(xiàn)弱柱的情況，否則違背強柱弱梁的設計原則。
另外，還應注意以下構造措施：①梁與柱剛性連接時，按抗震設防要求，柱在梁翼緣上下各500ram的節(jié)點范圍內(nèi)，柱翼緣與柱腹板間或箱型柱壁板間的組合焊縫，應采用全焊透剖口焊縫；②當梁翼緣的塑性截面模量小于全截面塑性截面模量的70%時梁腹板與柱的連接螺栓不得少于兩列。當僅需要一列時，仍應布置兩列，且螺栓總數(shù)不得少于計算值的1.5倍；③螺栓孔等對粱全截面的削弱率不應大于25%。通過這些構造措施的改進，就能保證在大震作用下，梁上出現(xiàn)塑性鉸，從而減輕震害，實現(xiàn)大震不倒的抗震設計目標。
三、結(jié)語
本文從結(jié)構體系、構件連接等方面概括了單層鋼結(jié)構工業(yè)廠房的抗震原則和要求。從而讓我們了解到，在設計單層工業(yè)廠房時，應從提高廠房整體的抗震性能著手，使廠房在總體上滿足抗震的要求，而不僅僅考慮局部構件和部位，隨著對地震作用研究的深入，對地震設計的經(jīng)驗總結(jié)也越來越全面。近年來多地發(fā)生地震也使抗震設計越來越受到重視，工業(yè)廠房的抗震設計發(fā)展前景將會更廣闊。
