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结构抗震设计SeismicDesignofStructures主讲祝英杰青岛理工大学土木工程学院第7章单层工业厂房抗震设计教学目标与要求1.了解单层厂房的震害特征及原因。2.深刻理解单层厂房的抗震概念设计的要求。3.掌握单层钢筋混凝土柱厂房的横、纵向抗震计算方法。4.熟悉和掌握单层厂房的主要抗震构造措施。导入案例5.12在汶川地震中，东方汽轮机厂的单层工业厂房排架柱一般完好，牛腿到屋顶柱有破坏；钢筋混凝土屋架与大型屋面板组成的屋盖破坏较重；厂房维护墙破坏严重；轻钢屋盖和轻钢维护结构破坏较轻。单层工业厂房的震害为什么具有上述特点呢？单层工业厂房结构抗震设计应包括哪些内容呢？我们可以通过本章的学习得到了解。7.1震害特征及其原因和其他结构相比较，单层厂房的震害总的来说较轻，且主要是围护结构的破坏。震害调查表明，围护墙布置不合理是造成厂房震害的重要原因之一，且大型墙板的震害明显轻于砌体墙。厂房的山墙也易倒塌。如果山墙上直接铺有屋面板，山墙的倒塌也引起有关屋面板的坠落。以下分别按厂房横向排架和纵向柱列两个方向的震害来进行分析。7．1．1横向地震作用下厂房主体结构的震害厂房的横向抗侧力体系常为屋盖横梁(屋架)与柱铰接的排架形式。在地震作用下，如果构件或节点承载力不足或变形过大，将会引起相应的破坏。主要震害现象有：1．柱的局部震害1）上柱柱身变截面处开裂或折断(图7-1)。上柱截面较弱，在屋盖及吊车的横向水平地震作用下承受着较大的剪力，故柱子处于压弯剪复合受力状态，在柱子的变截面处因刚度突变而产生应力集中，一般在吊车梁顶面附近易产生拉裂甚至折断。图7-1上柱震害2）柱头及其与屋架联结的破坏。柱顶与屋面梁的连接处由于受力复杂易发生剪裂、压酥、拉裂或锚筋拔出、钢筋弯折等震害。3）柱肩竖向拉裂在高低跨厂房的中柱，常用柱肩或牛腿支承低跨屋架，地震时由于高振型的影响，高低跨两个屋盖产生相反方向的运动，柱肩或牛腿所受的水平地震作用将增大许多，如果没有配置足够数量的水平钢筋，中柱柱肩或牛腿产生竖向拉裂(图7-2)。图7-2柱肩竖向裂缝4）下柱震害下柱下部出现横向裂缝或折断，后者会造成倒塌等严重后果。5)柱间支撑产生压屈。图7-3柱间支撑压屈Π型天窗是厂房抗震的薄弱部位，在6度区就有震害的实例。震害主要表现为支撑杆件失稳弯曲，支撑与天窗立柱连接节点被拉脱，天窗立柱根部开裂或折断等。这是因为Π型天窗位于厂房最高部位，地震效应大。图7-4天窗立柱断裂（2）Π型天窗架与屋架联接节点的破坏（3）围护墙开裂外闪、局部或大面积倒倒塌。其中高悬墙、女儿墙受鞭端效应的影响，破坏最为严重。图7-6J砖墙大部分倒塌7．1．2纵向地震作用下厂房主体结构的震害（1）屋面板错动坠落在大型屋面板屋盖中，如屋面板与屋架或屋面梁焊接不牢，地震时往往造成屋面板错动滑落，甚至引起屋架的失稳倒塌（图7-6）。历次地震的震害调查表明，厂房受纵向水平地震作用时的破坏程度重于横向地震作用时的破坏程度。主要的破坏形式有：图7-6局部屋面板掉落（2）天窗两侧竖向支撑斜杆拉断，节点破坏，天窗架沿厂房纵向倾斜，甚至倒下砸塌屋盖。（3）屋架破坏屋盖的纵向地震力是通过屋面板焊缝从屋架中部向屋架的两端传递的，屋架两端的剪力最大。因此，屋架的震害主要是端头混凝土酥裂掉角、支撑大型屋面板的支墩折断、端节间上弦剪断等。图7-7屋架与柱顶连接处严重破坏（4）支撑震害在设有柱间支撑的跨间，由于其刚度大，屋架端头与屋面板边肋连接点处的剪力最为集中，往往首先被剪坏；这使得纵向地震力的传递转移到内肋，导致屋架上弦受到过大的纵向地震力而破坏。当纵向地震力主要由支撑传递时，若支撑数量不足或布置不当，会造成支撑的失稳，引起屋面的破坏或屋盖的倒塌。另外，柱根处也会发生沿厂房纵向的水平断裂。（5）纵向地震作用下围护结构的震害有山墙、山尖外闪或局部塌落。图7-8山墙倒塌砖柱厂房的抗震性能远不如钢筋混凝土厂房。其屋盖的震害现象有：屋面瓦下滑和掉落；楞摊瓦屋面的木屋架沿厂房纵向向一侧倾斜；木屋架及其气楼间的竖向交叉支撑或节点被拉脱，或木杆件被拉断；重屋盖的天窗两侧竖向支撑或节点被拉脱，或钢杆件被压屈。砖柱的震害现象有：内部独立砖柱在底部发生水平裂缝，柱顶混凝土垫块底面出现水平裂缝，少数发生错位；高低跨砖柱上柱水平折断，或支承低跨屋架的柱肩产生竖向裂缝。墙体的震害主要有：山墙外倾，檩条由墙顶拔出，严重时山墙尖向外倾倒，端开间屋面局部塌落；外纵墙在窗台高度处出现细微水平裂缝，较严重时水平折断，并常伴有壁柱砖块局部压碎崩落，更严重时整个厂房横向倾倒。7.2单层厂房抗震概念设计7．2．1单层钢筋混凝土柱厂房的一般规定1．厂房的结构布置①单层厂房的平面布置应注意体型简单、规则、各部分结构刚度、质量均匀对称，尽量避免体型曲折复杂、凹凸变化，尽可能选用长方形平面体型。②厂房的毗连房屋沿厂房纵墙或山墙布置，而不宜布置在厂房角部和紧邻防震缝处。③平面复杂时，在侧向刚度或高差变化很大的部位，以及沿厂房侧边有贴建房屋时，宜设防震缝。防震缝的两侧应布置墙或柱。在厂房纵横跨交接处，以及对大柱网厂房等可不设柱间支撑的厂房，防震缝宽度可采用100～150mm，其他情况可采用50～90mm。在竖向应减少刚度突变，各跨的高度应尽可能相同。④两个主厂房之间的过渡跨至少应有一侧采用防震缝与主厂房脱开。⑤厂房内用于进入吊车的铁梯不应靠近防震缝设置；多跨厂房各跨上吊车的铁梯不宜设置在同一横向轴线附近。⑥工作平台宜与厂房主体结构脱开。⑦厂房的同一结构单元内不应采用不同的结构型式，也不应采用横墙和排架混合承重。⑧厂房各柱列的侧移刚度宜均匀。2．厂房天窗架的设置天窗是薄弱环节，它削弱屋盖的整体刚度。从抗震的角度，厂房天窗架的设置应符合下列要求：1）天窗宜采用突出屋面较小的避风型天窗，有条件或9度时宜采用下沉式天窗。2）突出屋面的天窗宜采用钢天窗架；6～8度时，可采用矩形截面杆件的钢筋混凝土天窗架。3）8度和9度时，天窗宜宜从厂房单元端部第三柱间开始设置。4）天窗屋盖、端壁板和侧板，宜采用轻型板材。应合理地布置支撑，使厂房形成空间传力体系。(2)支撑的布置①柱间支撑除在厂房纵向的中部设置外，有吊车时或8度和9度时尚宜在厂房单元两端增设上柱支撑；②8度且跨度不小于18m的多跨厂房中柱和9度时多跨厂房的各柱，宜在纵向设置柱顶通长水平压杆(图7—4)，此压杆可与梯形屋架支座处通长水平系杆合并设置，钢筋混凝土系杆端头与屋架间的空隙应采用混凝土填实。③厂房单元较长时，或8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，可在厂房单元中部1／3区段内设置两道柱间支撑，且下柱支撑应与上柱支撑配套设置。④有檩屋盖的支撑布置应符合表7-1的要求。⑤无檩屋盖的支撑布置应符合表7-2的要求；8度和9度跨度不大于15m的屋面梁屋盖，可仅在厂房单元两端各设竖向支撑一道。(3)围护墙的布置①围护墙的布置应尽量均匀、对称。②当厂房的一端设缝而不能布置横墙时，则另一端宜采用轻质挂板山墙。③多跨厂房的砌体围护墙宜采用外贴式，不宜采用嵌砌式。否则，边柱列(嵌砌有墙)与中柱列(一般只有柱间支撑)的刚度相差悬殊，导致边跨屋盖因扭转效应过大而发生震害。④厂房内部有砌体隔墙时，也不宜嵌砌于柱间，可采用与柱脱开或与柱柔性连接的构造处理方法，以避免局部刚度过大或形成短柱而引起震害。⑤厂房端部宜设置屋架，不宜采用山墙承重。⑦单层钢筋混凝土柱厂房的围护墙宜采用轻质墙板或钢筋混凝土大型墙板，外侧柱距为12m时应采用轻质墙板或钢筋混凝土大型墙板；不等高厂房的高跨封墙和纵横向厂房交接处的悬墙宜采用轻质墙板，8、9度时应采用轻质墙板。⑧厂房围护墙、女儿墙的布置和构造，应符合有关对非结构构件抗震要求的规定。⑥钢结构厂房的围护墙，7、8度时宜采用轻质墙板或与柱柔性连接的钢筋混凝土墙板，不应采用嵌砌砌体墙；8度时尚应采取措施使墙体不妨碍厂房柱列沿纵向的水平位移；9度时宜采用轻质墙板。5．厂房屋架的设置①厂房宜采用钢屋架或重心较低的预应力混凝土、钢筋混凝土屋架。当跨度不大于15m时，可采用钢筋混凝土屋面梁。在6-8度地震区可采用预应力混凝土或钢筋混凝土屋架，但在8度区Ⅲ、Ⅳ类场地和9度区，或屋架跨度大于24m时，宜采用钢屋架。②柱距为12m时，可采用预应力混凝土托架(梁)；当采用钢屋架时，亦可采用钢托架(梁)。③有突出屋面天窗架的屋盖不宜采用预应力混凝土或钢筋混凝土空腹屋架。6．厂房柱的设置①柱子的结构形式，在8、9度地震区宜采用矩形、工字形或斜腹杆双肢柱，不宜采用薄壁工字形柱、腹板开孔柱、预制腹板的工字形柱和管柱，也不宜采用平腹杆双肢柱。②柱底至室内地坪以上500mm范围内和阶形柱的上柱宜采用矩形截面，以增强这些部位的抗剪能力。7．2．2单层钢结构厂房的一般规定单层钢结构厂房(不含轻型钢结构厂房)抗震设计结构布置的总原则与钢筋混凝土柱厂房相同。厂房的横向抗侧力体系可采用屋盖横梁与柱顶刚接或铰接的框架、门式刚架。悬壁柱或其他结构体系，纵向可采用柱间支撑，条件受限制时也可采用刚架结构。构件在可能产生塑性铰的最大应力区内，应避免焊接接头，对于厚度大、无法采用螺栓连接者，可采用对焊焊缝等强度连接。屋盖横梁与柱顶铰接时，宜采用螺栓连接，刚接框架的屋架上弦与柱相连的连接板，不应出现塑性变形。柱间支撑杆件应采用整根材料，超过材料长度最大规格时可采用对焊焊缝等强度连接；柱间支撑与构件的连接，不应小于支撑杆件塑性承载力的1.2倍。当横梁为实腹梁时，梁与柱连接及梁与梁拼接的受弯、受剪极限承载力应能分别承受梁全截面屈服时受弯、受剪承载力的1.2倍。7．2．3单层砖柱厂房的一般规定单层砖柱厂房抗震设计的一般规定主要有：单层砖柱厂房适用范围限定为单跨或等高多跨且无桥式吊车的车间、仓库等中小型厂房，6～8度时跨度不大于15m且柱顶标高不大于6.6m，9度时跨度不大于12m且柱顶标高不大于4.5m。由于采用轻型屋盖震害较轻，规定6～8度时宜采用、9度时应采用轻型屋盖(即：木屋盖和轻钢屋架、压型钢板、瓦楞铁、石棉瓦屋面的屋盖)。单层砖柱厂房结构平、立面布置宜符合7．2．1节的有关规定，但其中防震缝的要求有所不同：采用轻型屋盖时可不设缝，采用钢筋混凝土屋盖时缝宽可取50～70mm，防震缝处要设双柱或双墙。为使柱能达到不同烈度时的抗震要求，8、9度时应采用组合砖柱，且中柱在8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时宜采用钢筋混凝土柱，6、7度时可采用十字形截面的无筋砖柱。为增强纵向抗震能力，在纵向柱列柱间可砌筑与柱等高且整体连接的砖墙并设置砖墙基础，以代替柱间支撑。无此砖墙时，要在砖柱顶部设压杆。厂房两端应设承重山墙，天窗不应通到厂房单元端开间，且不应用端砖壁承重。7.3钢筋混凝土单层厂房抗震计算厂房抗震计算时，应根据屋盖高差和吊车设置情况，分别采用单质点、双质点或多质点模型计算地震作用。有吊车的厂房，当按平面框(排)架进行抗震计算时，对设置一层吊车的厂房，在每跨可取两台吊车，多跨时不多于四台。当按空间框架进行抗震计算时，吊车取实际台数。《抗震规范》规定，对于设防烈度7度，Ⅰ、Ⅱ类场地，柱高不超过l0m且结构单元两端均有山墙的单跨及等高多跨厂房(锯齿形厂房除外)，当按抗震规范的规定采取抗震构造措施时，可不进行横向及纵向的截面抗震验算。沿厂房横向的主要抗侧力单元是由柱、屋架(屋面梁)组成的排架和刚性横墙；沿厂房纵向的主要抗侧力单元是由柱、柱间支撑、吊车梁、连系梁组成的柱列和刚性纵墙。一般单层厂房需要进行水平地震作用下的横向和纵向抗侧力构件的抗震强度验算。7．3．1横向抗震计算1．计算方法的选择厂房的横向地震作用计算可采用以下三种方法：1）混凝土无檩和有檩屋盖厂房，一般情况下，宜计及屋盖的横向弹性变形，按多质点空间结构分析(图7-9)。2）混凝土无檩和有檩屋盖厂房，当符合下列条件时，可采用平面排架计算柱的地震剪力和弯矩，但要进行考虑空间作用和扭转影响的调整。①7度和8度；②厂房单元屋盖长度与总跨度之比小于8或厂房总跨度大于12m(其中屋盖长度指山墙到山墙的间距，仅一端有