浅谈厂房结构抗震概念设计

刘涛徐金陆国

摘要：我国是地震多发国家，建筑物要充分考虑抗震的需要，由于地震的复杂性、不确定性，人们很难把握地震的规律性，因此在进行建筑物的抗震设计时，理论数据的局限性限制了设计的可靠性，如果着眼于结构的总体地震反应，按照结构的破坏机制和破坏过程，灵活地运用抗震设计准则，从大量的地震灾害机理和设计实践中得到的启示是：既要注意总体布置，又要顾及到关键部位的细节，从而使建筑物具有良好的抗震性能和足够的抗震能力。在单层工业厂房的抗震设计时，合理的结构布置、保证结构的延性、减轻结构上部的重量、考虑到支撑系统的布置、柱及连接点的延性以及围护结构的稳定性，是工业厂房抗震概念设计重要内容。良好的概念设计可以从根本上消除结构计算的薄弱环节，使整个厂房具有较高的总体抗震能力。

关键词：工业厂房；结构设计；抗震概念设计；延性；

从厂房设计中，我们理解到厂房的抗震分析，已由平面排架分析改为考虑房屋屋盖剪切变形等空间结构分析，构造措施上由局部的、定性的规定，上升为总体的定量的规定；从单一的构件抗震，上升为厂房的整体的抗震。而由于地震的不确定性和复杂性以及结构力学模型与实际情况的差异，结构计算很难把握住建筑物的抗震薄弱环节。因此，良好的概念设计，则可以从根本上消除薄弱环节，使整个建筑物具有较高的总体抗震能力。当设计各种建筑物时，必须考虑地震的作用能力，并采用适当的行之有效的抗震措施。随着对地震经验的不断总结、抗震研究的不断深化，设计方法已进行广泛交流，工程抗震的概念设计，愈来愈受到世界范围内工程界的普遍重视。

1．合理的结构总体布置

单层厂房平面布置要体型简单、规则，各部分结构刚度、质量均匀对称。当平、立面布置复杂或结构高差大，刚度相差很大，以及在厂房侧边贴建生活间等房屋时，宜设防震缝将相邻部分分开。防震缝两侧应布置墙或柱，抗震缝的宽度按房高度和设计烈度不同，而取不小于50~90mm和100~150mm。

在排架的结构设计上，由于构件的抗侧刚度和屈服强度比，即构件实际截面和配筋计算出的屈服剪力与该截面地震剪力的比值，沿竖向突变，突变部位会因此出现较大的塑性变形集中，发生严重破坏。因此，等高厂房与不等高厂房相比较，后者伸壁小柱抗侧刚度和屈服强度比的突然减小，将引起地震时塑性变形集中，从而使小柱因过大变形而破坏。为保证强度和刚度的连续变化，避免高阶振型地震反应对结构带来的不利影响，在单厂设计中，应首先选用等高的排架结构。

2．保证结构的延性

构件的抗侧刚度大，势必要吸收较大的地震作用和较多的输入能量。而构件的强度低，则表明构件的屈服强度比值低，容易发生早期破坏。构件的延性小，就意味着构件所能消耗的地震能量较少。一多一少，其结果是使构件发生严重的破坏。为使构件的抗侧刚度、强度和延性相匹配，应保证在柱的临界截面屈服前发生脆性破坏以及除柱根部位外，其它部位不出现塑性铰。

3．抗震缝的合理设置

合理地设置抗震缝，可以将体型复杂的建筑物划分为“规则”的建筑物，从而可降低抗震设计的难度及提高抗震设计的可靠度。当厂房平、立面布置复杂或结构高差、刚度相差很大，以及在厂房侧边贴建生活楼房区或辅助房屋时（如变配电间、水泵房、中心控制室等），应用抗震缝将两个相邻部分分开。抗震缝两侧应布置墙或柱。

4．轻质材料的应用

地震对建筑结构作用的大小，几乎与建筑结构的重量成正比，重量大，地震作用就大，震害就重；重量小地震作用就小，震害就轻。这一规律已被国内外经验所证实。厂房结构设计应优先采用轻质屋面结构，这将显著地改善了建筑物的抗震性能。因此轻质而整体性又好的屋盖有利于建筑结构抗震性能的提高。

5．支撑系统的布置

屋盖支撑对于保证厂房屋盖的整体性和增强厂房的抗震能力具有重要作用。以往震害表明,由于支撑系统的不足，也造成了大量天窗架失稳和倒塌的严重后果。因此,采用无檩体系时，除应继续保证屋面板与屋架的可靠连接外，还应在屋盖支撑体系上做更合理的布置和进一步加强。单层厂房的纵向抗震能力是不高的，增强屋盖支撑可以有力地提高厂房纵向抗震能力。柱间支撑是保证厂房纵向刚度和将屋盖地震荷载传到基础的重要构件。由于过去对厂房纵向抗震没有得到足够重视，因此厂房纵向震害是比较明显的。尤其是多跨厂房的中柱列，震害更为明显。一般7度以上地震区必须在厂房设置柱间支撑当设计烈度为8、9度时除在厂房单元中段设柱间支撑外，在两端应增设上柱支撑，这是考虑到8、9度时地震荷载较大，为了将屋盖地震荷载分散传到柱上，从而减轻屋面板与屋架端部顶面联结点的应力，防止破坏。当厂房纵向较长，屋面较重,跨度较大且为多跨时，每一柱列亦可设两道以上柱间支撑，支撑位置可设在单元中段三分之一范围内。

6．构件构造

为了使结构构件具有较好的延性，结构方案和构造也是很重要的。如避免采用长细构件，使结构和构件不致因失稳而破坏。在应力集中区，如节点及梁、柱的端部采用较密的箍筋或连续的螺旋箍把混凝土箍紧；受拉钢筋留有足够的锚固长度；限制构件过大的配筋率，避免构件发生脆性破坏等。为了增强屋架端头的延性，端头应有固边钢筋，底部与柱连接的预埋板应加强锚固，不应采用仅有锚筋的单独预埋板，应与下弦主筋或非预应力加斜板焊牢。

在一般静力设计中，柱顶没有什么特殊要求，实际上柱顶是处于素混凝土的状态，在强地震作用下，柱顶的应力状态很复杂。因而柱上端比较容易出现裂缝、酥碎、剪裂、钢筋弯折或外鼓等破坏。为了提高柱顶的抗震能力，增强柱顶的延性，应在柱顶范围内箍筋加密。

7．围护结构

当采用砖围护墙时，必须使围护墙体与屋盖构件接结，围护墙与山墙应沿全高与柱妥善拉结，以保证地震时墙体平面外的稳定，防止使墙呈悬壁状态。在有条件时，围护墙宜优先采用大型钢筋混凝土墙板或其它轻质材料。高低跨厂房的高跨封墙，以及纵横交接处的悬墙，应尽量采用轻质材料，并与屋盖构件及柱有牢固锚拉，如采用砖墙，必须使墙体与屋盖构件和柱有可靠联结，保证其有足够的稳定性。圈梁随同墙体一起倒塌的例子较多，这说明圈梁必须与柱或屋盖构件具有良好的拉结，否则在地震作用下，起不到增强厂房整体性的作用。这时顶部圈梁尤为重要，因厂房顶部在地震作用下产生位移最大，圈梁所受的冲击力亦大，为此顶部的圈梁应加强与屋盖构件或柱的拉结。山墙承重对抗震来说是不利的，一旦山墙出现严重破坏或倒塌，将造成严重后果，因此不宜采用山墙承重方案，而必须设置端屋架。

8．接点连接要求

在单层厂房设计中，排架是按铰接考虑的，而实际构造采用屋架与支柱之间焊接连接，可使节点具有较大的刚性，基本上无转动的可能，在强烈地震作用下，厂房排架产生较大的水平力，如果屋架与屋架支座构造设计没有考虑到此地震力，而且延性又差，那么在地震冲击下，轻则柱顶开裂压酥，重则混凝土剥落，预埋板被拔开，锚筋拉脱，屋架端头破坏，有的甚至将上柱拉断。螺栓连接有利于提高联接点的延性，在变形较大的情况下，可以起铰作用，以避免屋架端头和柱发生严重震害，即使遭到破坏也容易修复。

9．结束语

结构的概念设计在工业建筑设计中，是核心和灵魂，它影响着结构设计的全部过程，从方案到构造，从计算分析到抗震措施都贯穿着概念设计。良好的概念设计可以从根本上消除薄弱环节，使整个建筑物具有较高的总体抗震能力。在设计各种建筑物时，必须考虑地震作用，并采用适当的行之有效的抗震措施。