第7章 單層廠房抗震的設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

SeismicDesignofStructures

主講祝英杰青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院第7章單層工業(yè)廠房抗震設(shè)計(jì)

教學(xué)目標(biāo)與要求1.了解單層廠房的震害特征及原因。2.深刻理解單層廠房的抗震概念設(shè)計(jì)的要求。3.掌握單層鋼筋混凝土柱廠房的橫、縱向抗震計(jì)算方法。4.熟悉和掌握單層廠房的主要抗震構(gòu)造措施。

導(dǎo)入案例5.12在汶川地震中，東方汽輪機(jī)廠的單層工業(yè)廠房排架柱一般完好，牛腿到屋頂柱有破壞；鋼筋混凝土屋架與大型屋面板組成的屋蓋破壞較重；廠房維護(hù)墻破壞嚴(yán)重；輕鋼屋蓋和輕鋼維護(hù)結(jié)構(gòu)破壞較輕。單層工業(yè)廠房的震害為什么具有上述特點(diǎn)呢？單層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)應(yīng)包括哪些內(nèi)容呢？我們可以通過(guò)本章的學(xué)習(xí)得到了解。7.1

震害特征及其原因

和其他結(jié)構(gòu)相比較，單層廠房的震害總的來(lái)說(shuō)較輕，且主要是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。震害調(diào)查表明，圍護(hù)墻布置不合理是造成廠房震害的重要原因之一，且大型墻板的震害明顯輕于砌體墻。廠房的山墻也易倒塌。如果山墻上直接鋪有屋面板，山墻的倒塌也引起有關(guān)屋面板的墜落。以下分別按廠房橫向排架和縱向柱列兩個(gè)方向的震害來(lái)進(jìn)行分析。7．1．1橫向地震作用下廠房主體結(jié)構(gòu)的震害廠房的橫向抗側(cè)力體系常為屋蓋橫梁(屋架)與柱鉸接的排架形式。在地震作用下，如果構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)承載力不足或變形過(guò)大，將會(huì)引起相應(yīng)的破壞。主要震害現(xiàn)象有：1．柱的局部震害1）上柱柱身變截面處開(kāi)裂或折斷(圖7-1)。上柱截面較弱，在屋蓋及吊車的橫向水平地震作用下承受著較大的剪力，故柱子處于壓彎剪復(fù)合受力狀態(tài)，在柱子的變截面處因剛度突變而產(chǎn)生應(yīng)力集中，一般在吊車梁頂面附近易產(chǎn)生拉裂甚至折斷。圖7-1上柱震害2）柱頭及其與屋架聯(lián)結(jié)的破壞。柱頂與屋面梁的連接處由于受力復(fù)雜易發(fā)生剪裂、壓酥、拉裂或錨筋拔出、鋼筋彎折等震害。3）柱肩豎向拉裂在高低跨廠房的中柱，常用柱肩或牛腿支承低跨屋架，地震時(shí)由于高振型的影響，高低跨兩個(gè)屋蓋產(chǎn)生相反方向的運(yùn)動(dòng)，柱肩或牛腿所受的水平地震作用將增大許多，如果沒(méi)有配置足夠數(shù)量的水平鋼筋，中柱柱肩或牛腿產(chǎn)生豎向拉裂(圖7-2)。圖7-2柱肩豎向裂縫

4）下柱震害下柱下部出現(xiàn)橫向裂縫或折斷，后者會(huì)造成倒塌等嚴(yán)重后果。5)柱間支撐產(chǎn)生壓屈。

圖7-3柱間支撐壓屈

Π型天窗是廠房抗震的薄弱部位，在6度區(qū)就有震害的實(shí)例。震害主要表現(xiàn)為支撐桿件失穩(wěn)彎曲，支撐與天窗立柱連接節(jié)點(diǎn)被拉脫，天窗立柱根部開(kāi)裂或折斷等。這是因?yàn)棣靶吞齑拔挥趶S房最高部位，地震效應(yīng)大。圖7-4天窗立柱斷裂

（2）Π型天窗架與屋架聯(lián)接節(jié)點(diǎn)的破壞（3）圍護(hù)墻開(kāi)裂外閃、局部或大面積倒倒塌。其中高懸墻、女兒墻受鞭端效應(yīng)的影響，破壞最為嚴(yán)重。

圖7-6J磚墻大部分倒塌

7．1．2縱向地震作用下廠房主體結(jié)構(gòu)的震害

（1）屋面板錯(cuò)動(dòng)墜落在大型屋面板屋蓋中，如屋面板與屋架或屋面梁焊接不牢，地震時(shí)往往造成屋面板錯(cuò)動(dòng)滑落，甚至引起屋架的失穩(wěn)倒塌（圖7-6）。

歷次地震的震害調(diào)查表明，廠房受縱向水平地震作用時(shí)的破壞程度重于橫向地震作用時(shí)的破壞程度。主要的破壞形式有：圖7-6局部屋面板掉落

（2）

天窗兩側(cè)豎向支撐斜桿拉斷，節(jié)點(diǎn)破壞，天窗架沿廠房縱向傾斜，甚至倒下砸塌屋蓋。

（3）屋架破壞屋蓋的縱向地震力是通過(guò)屋面板焊縫從屋架中部向屋架的兩端傳遞的，屋架兩端的剪力最大。因此，屋架的震害主要是端頭混凝土酥裂掉角、支撐大型屋面板的支墩折斷、端節(jié)間上弦剪斷等。

圖7-7屋架與柱頂連接處嚴(yán)重破壞

（4）支撐震害在設(shè)有柱間支撐的跨間，由于其剛度大，屋架端頭與屋面板邊肋連接點(diǎn)處的剪力最為集中，往往首先被剪壞；這使得縱向地震力的傳遞轉(zhuǎn)移到內(nèi)肋，導(dǎo)致屋架上弦受到過(guò)大的縱向地震力而破壞。當(dāng)縱向地震力主要由支撐傳遞時(shí)，若支撐數(shù)量不足或布置不當(dāng)，會(huì)造成支撐的失穩(wěn)，引起屋面的破壞或屋蓋的倒塌。另外，柱根處也會(huì)發(fā)生沿廠房縱向的水平斷裂。

（5）縱向地震作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的震害有山墻、山尖外閃或局部塌落。

圖7-8山墻倒塌

磚柱廠房的抗震性能遠(yuǎn)不如鋼筋混凝土廠房。其屋蓋的震害現(xiàn)象有：屋面瓦下滑和掉落；楞攤瓦屋面的木屋架沿廠房縱向向一側(cè)傾斜；木屋架及其氣樓間的豎向交叉支撐或節(jié)點(diǎn)被拉脫，或木桿件被拉斷；重屋蓋的天窗兩側(cè)豎向支撐或節(jié)點(diǎn)被拉脫，或鋼桿件被壓屈。磚柱的震害現(xiàn)象有：內(nèi)部獨(dú)立磚柱在底部發(fā)生水平裂縫，柱頂混凝土墊塊底面出現(xiàn)水平裂縫，少數(shù)發(fā)生錯(cuò)位；高低跨磚柱上柱水平折斷，或支承低跨屋架的柱肩產(chǎn)生豎向裂縫。

墻體的震害主要有：山墻外傾，檁條由墻頂拔出，嚴(yán)重時(shí)山墻尖向外傾倒，端開(kāi)間屋面局部塌落；外縱墻在窗臺(tái)高度處出現(xiàn)細(xì)微水平裂縫，較嚴(yán)重時(shí)水平折斷，并常伴有壁柱磚塊局部壓碎崩落，更嚴(yán)重時(shí)整個(gè)廠房橫向傾倒。

7.2單層廠房抗震概念設(shè)計(jì)7．2．1單層鋼筋混凝土柱廠房的一般規(guī)定1．廠房的結(jié)構(gòu)布置①單層廠房的平面布置應(yīng)注意體型簡(jiǎn)單、規(guī)則、各部分結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量均勻?qū)ΨQ，盡量避免體型曲折復(fù)雜、凹凸變化，盡可能選用長(zhǎng)方形平面體型。②廠房的毗連房屋沿廠房縱墻或山墻布置，而不宜布置在廠房角部和緊鄰防震縫處。③平面復(fù)雜時(shí)，在側(cè)向剛度或高差變化很大的部位，以及沿廠房側(cè)邊有貼建房屋時(shí)，宜設(shè)防震縫。防震縫的兩側(cè)應(yīng)布置墻或柱。在廠房縱橫跨交接處，以及對(duì)大柱網(wǎng)廠房等可不設(shè)柱間支撐的廠房，防震縫寬度可采用100～150mm，其他情況可采用50～90mm。在豎向應(yīng)減少剛度突變，各跨的高度應(yīng)盡可能相同。④兩個(gè)主廠房之間的過(guò)渡跨至少應(yīng)有一側(cè)采用防震縫與主廠房脫開(kāi)。⑤廠房?jī)?nèi)用于進(jìn)入吊車的鐵梯不應(yīng)靠近防震縫設(shè)置；多跨廠房各跨上吊車的鐵梯不宜設(shè)置在同一橫向軸線附近。⑥工作平臺(tái)宜與廠房主體結(jié)構(gòu)脫開(kāi)。⑦廠房的同一結(jié)構(gòu)單元內(nèi)不應(yīng)采用不同的結(jié)構(gòu)型式，也不應(yīng)采用橫墻和排架混合承重。⑧廠房各柱列的側(cè)移剛度宜均勻。2．廠房天窗架的設(shè)置天窗是薄弱環(huán)節(jié)，它削弱屋蓋的整體剛度。從抗震的角度，廠房天窗架的設(shè)置應(yīng)符合下列要求：1）天窗宜采用突出屋面較小的避風(fēng)型天窗，有條件或9度時(shí)宜采用下沉式天窗。2）突出屋面的天窗宜采用鋼天窗架；6～8度時(shí)，可采用矩形截面桿件的鋼筋混凝土天窗架。3）8度和9度時(shí)，天窗宜宜從廠房單元端部第三柱間開(kāi)始設(shè)置。4）天窗屋蓋、端壁板和側(cè)板，宜采用輕型板材。應(yīng)合理地布置支撐，使廠房形成空間傳力體系。(2)支撐的布置①柱間支撐除在廠房縱向的中部設(shè)置外，有吊車時(shí)或8度和9度時(shí)尚宜在廠房單元兩端增設(shè)上柱支撐；

②8度且跨度不小于18m的多跨廠房中柱和9度時(shí)多跨廠房的各柱，宜在縱向設(shè)置柱頂通長(zhǎng)水平壓桿(圖7—4)，此壓桿可與梯形屋架支座處通長(zhǎng)水平系桿合并設(shè)置，鋼筋混凝土系桿端頭與屋架間的空隙應(yīng)采用混凝土填實(shí)。

③廠房單元較長(zhǎng)時(shí)，或8度Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地和9度時(shí)，可在廠房單元中部1／3區(qū)段內(nèi)設(shè)置兩道柱間支撐，且下柱支撐應(yīng)與上柱支撐配套設(shè)置。

④有檁屋蓋的支撐布置應(yīng)符合表7-1的要求。

⑤無(wú)檁屋蓋的支撐布置應(yīng)符合表7-2的要求；8度和9度跨度不大于15m的屋面梁屋蓋，可僅在廠房單元兩端各設(shè)豎向支撐一道。

(3)圍護(hù)墻的布置

①圍護(hù)墻的布置應(yīng)盡量均勻、對(duì)稱。

②當(dāng)廠房的一端設(shè)縫而不能布置橫墻時(shí)，則另一端宜采用輕質(zhì)掛板山墻。

③多跨廠房的砌體圍護(hù)墻宜采用外貼式，不宜采用嵌砌式。否則，邊柱列(嵌砌有墻)與中柱列(一般只有柱間支撐)的剛度相差懸殊，導(dǎo)致邊跨屋蓋因扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過(guò)大而發(fā)生震害。

④廠房?jī)?nèi)部有砌體隔墻時(shí)，也不宜嵌砌于柱間，可采用與柱脫開(kāi)或與柱柔性連接的構(gòu)造處理方法，以避免局部剛度過(guò)大或形成短柱而引起震害。⑤廠房端部宜設(shè)置屋架，不宜采用山墻承重。⑦單層鋼筋混凝土柱廠房的圍護(hù)墻宜采用輕質(zhì)墻板或鋼筋混凝土大型墻板，外側(cè)柱距為12m時(shí)應(yīng)采用輕質(zhì)墻板或鋼筋混凝土大型墻板；不等高廠房的高跨封墻和縱橫向廠房交接處的懸墻宜采用輕質(zhì)墻板，8、9度時(shí)應(yīng)采用輕質(zhì)墻板。⑧廠房圍護(hù)墻、女兒墻的布置和構(gòu)造，應(yīng)符合有關(guān)對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震要求的規(guī)定。⑥鋼結(jié)構(gòu)廠房的圍護(hù)墻，7、8度時(shí)宜采用輕質(zhì)墻板或與柱柔性連接的鋼筋混凝土墻板，不應(yīng)采用嵌砌砌體墻；8度時(shí)尚應(yīng)采取措施使墻體不妨礙廠房柱列沿縱向的水平位移；9度時(shí)宜采用輕質(zhì)墻板。

5．廠房屋架的設(shè)置①?gòu)S房宜采用鋼屋架或重心較低的預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土屋架。當(dāng)跨度不大于15m時(shí)，可采用鋼筋混凝土屋面梁。在6-8度地震區(qū)可采用預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼筋混凝土屋架，但在8度區(qū)Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地和9度區(qū)，或屋架跨度大于24m時(shí)，宜采用鋼屋架。

②

柱距為12m時(shí)，可采用預(yù)應(yīng)力混凝土托架(梁)；當(dāng)采用鋼屋架時(shí)，亦可采用鋼托架(梁)。

③有突出屋面天窗架的屋蓋不宜采用預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼筋混凝土空腹屋架。6．廠房柱的設(shè)置①柱子的結(jié)構(gòu)形式，在8、9度地震區(qū)宜采用矩形、工字形或斜腹桿雙肢柱，不宜采用薄壁工字形柱、腹板開(kāi)孔柱、預(yù)制腹板的工字形柱和管柱，也不宜采用平腹桿雙肢柱。

②柱底至室內(nèi)地坪以上500mm范圍內(nèi)和階形柱的上柱宜采用矩形截面，以增強(qiáng)這些部位的抗剪能力。

7．5．1鋼筋混凝土廠房7.5單層工業(yè)廠房的抗震構(gòu)造措施3)壓型鋼板應(yīng)與檁條可靠連接，瓦楞鐵、石棉瓦等應(yīng)與檁條拉結(jié)。1．屋蓋有檁屋蓋構(gòu)件的連接應(yīng)符合下列要求：1)檁條應(yīng)與混凝土屋架(屋面梁)焊牢，并應(yīng)有足夠的支承長(zhǎng)度。2)雙脊檁應(yīng)在跨度1／3處相互拉結(jié)。無(wú)檁屋蓋構(gòu)件的連接，應(yīng)符合下列要求：1)大型屋面板應(yīng)與混凝土屋架(屋面梁)焊牢，靠柱列的屋面板與屋架(屋面梁)的連接焊縫長(zhǎng)度不宜小于80mm，焊縫厚度不宜小于6mm；2)6度和7度時(shí)，有天窗廠房單元的端開(kāi)間，或8度和9度時(shí)各開(kāi)間，宜將垂直屋架方向兩側(cè)相鄰的大型屋面板的頂面彼此焊牢；3)8度和9度時(shí)，大型屋面板端頭底面的預(yù)埋件宜采用帶槽口的角鋼并與主筋焊牢(圖7-19)；4)非標(biāo)準(zhǔn)屋面板宜采用裝配整體式接頭，或?qū)逅慕乔械艉笈c混凝土屋架(屋面梁)焊牢；5)屋架(屋面梁)端部頂面預(yù)埋件的錨筋，8度時(shí)不宜小于4f10，9度時(shí)不宜少于4f12。無(wú)檁屋蓋構(gòu)件的連接，應(yīng)符合下列要求：1)大型屋面板應(yīng)與混凝土屋架(屋面梁)焊牢，靠柱列的屋面板與屋架(屋面梁)的連接焊縫長(zhǎng)度不宜小于80mm，焊縫厚度不宜小于6mm；2)6度和7度時(shí)，有天窗廠房單元的端開(kāi)間，或8度和9度時(shí)各開(kāi)間，宜將垂直屋架方向兩側(cè)相鄰的大型屋面板的頂面彼此焊牢；3)8度和9度時(shí)，大型屋面板端頭底面的預(yù)埋件宜采用帶槽口的角鋼并與主筋焊牢(圖7-28)；4)非標(biāo)準(zhǔn)屋面板宜采用裝配整體式接頭，或?qū)逅慕乔械艉笈c混凝土屋架(屋面梁)焊牢；5)屋架(屋面梁)端部頂面預(yù)埋件的錨筋，8度時(shí)不宜小于4f10，9度時(shí)不宜少于4f12。圖7-28大型屋面板主肋端部構(gòu)造1)天窗開(kāi)洞范圍內(nèi)，在屋架脊點(diǎn)處應(yīng)設(shè)上弦通長(zhǎng)水平壓桿。2)屋架跨中豎向支撐在跨度方向的間距，6～8度時(shí)不大于15m，9度時(shí)不大于12m；當(dāng)僅在跨中設(shè)一道時(shí)，應(yīng)設(shè)在跨中屋架屋脊處；當(dāng)設(shè)二道時(shí)，應(yīng)在跨度方向均勻布置。3)屋架上、下弦通長(zhǎng)水平系桿與豎向支撐宜配合設(shè)置。4)柱距不小于12m且屋架間距6m的廠房，托架(梁)區(qū)段及其相鄰開(kāi)間應(yīng)設(shè)下弦縱向水平支撐。5)屋蓋支撐桿件宜用型鋼。屋蓋支撐還應(yīng)符合下列要求：屋蓋支撐桁架的腹桿與弦桿連接的承載力，不宜小于腹桿的承載力。屋架豎向支撐桁架應(yīng)能傳遞和承受屋蓋的水平地震作用。突出屋面的鋼筋混凝土天窗架，其兩側(cè)墻板與天窗立柱宜采用螺栓連接(圖7-29)。采用焊接等剛性連接方式時(shí)，由于缺乏延性，會(huì)造成應(yīng)力集中而加重震害。圖7-29側(cè)板與天窗立柱的螺栓柔性連接鋼筋混凝土屋架的截面和配筋，應(yīng)符合下列要求：1)屋架上弦第一節(jié)間和梯形屋架端豎桿的配筋，6度和7度時(shí)不宜少于4f12，8度和9度時(shí)不宜少于4f14。2)梯形屋架的端豎桿截面寬度宜與上弦寬度相同。3)屋架上弦端部支撐屋面板的小立柱的截面不宜小于200mm×200mm，高度不宜大于500mm，主筋宜采用Ⅱ形，6度和7度時(shí)不宜少于4f12，8度和9度時(shí)不宜少于4f14；箍筋可采用f6，間距宜為l00mm。2．柱廠房柱子的箍筋，應(yīng)符合下列要求：1)下