9.2 单层钢结构厂房

(Ⅰ)一般规定

9.2.1 国内外的多次地震经验表明,钢结构的抗震性能一般比其他结构的要好。总体上说,单层钢结构厂房在地震中破坏较轻,但也有损坏或坍塌的。因此,单层钢结构厂房进行抗震设防是必要的。
    本次修订,仍不包括轻型钢结构厂房。

9.2.2 从单层钢结构厂房的震害实例分析,在7~9度的地震作用下,其主要震害是柱间支撑的失稳变形和连接节点的断裂或拉脱,柱脚锚栓剪断和拉断,以及锚栓锚固过短所致的拔出破坏。亦有少量厂房的屋盖支撑杆件失稳变形或连接节点板开裂破坏。

9.2.3 原则上,单层钢结构厂房的平面、竖向布置的抗震设计要求,是使结构的质量和刚度分布均匀,厂房受力合理、变形协调。
    钢结构厂房的侧向刚度小于混凝土柱厂房,其防震缝缝宽要大于混凝土柱厂房。当设防烈度高或厂房较高时,或当厂房坐落在较软弱场地土或有明显扭转效应时,尚需适当增加。

(Ⅱ)抗震验算

9.2.5 通常设计时,单层钢结构厂房的阻尼比与混凝土柱厂房相同。本次修订,考虑到轻型围护的单层钢结构厂房,在弹性状态工作的阻尼比较小,根据单层、多层到高层钢结构房屋的阻尼比由大到小变化的规律,建议阻尼比按屋盖和围护墙的类型区别对待。

9.2.6 本条保持2001规范的规定。单层钢结构厂房的围护墙类型较多。围护墙的自重和刚度主要由其类型、与厂房柱的连接所决定。因此,为使厂房的抗震计算更符合实际情况、更合理,其自重和刚度取值应结合所采用的围护墙类型、与厂房柱的连接方式来决定。对于与柱贴砌的普通砖墙围护厂房,除需考虑墙体的侧移刚度外,尚应考虑墙体开裂而对其侧移刚度退化的影响。当为外贴式砖砌纵墙,7、8、9度设防时,其等效系数分别可取0.6、0.4、0.2。

9.2.7、9.2.8 单层钢结构厂房的地震作用计算,应根据厂房的竖向布置(等高或不等高)、起重机设置、屋盖类别等情况,采用能反映出厂房地震反应特点的单质点、两质点和多质点的计算模型。总体上,单层钢结构厂房地震作用计算的单元划分、质量集中等,可参照钢筋混凝土柱厂房的执行。但对于不等高单层钢结构厂房,不能采用底部剪力法计算,而应采用多质点模型振型分解反应谱法计算。
    轻型墙板通过墙架构件与厂房框架柱连接,预制混凝土大型墙板可与厂房框架柱柔性连接。这些围护墙类型和连接方式对框架柱纵向侧移的影响较小。亦即,当各柱列的刚度基本相同时,其纵向柱列的变位亦基本相同。因此,等高单跨或多跨厂房的纵向抗震计算时,对无檩屋盖可按柱列刚度分配;对有檩屋盖可按柱列所承受的重力荷载代表值比例分配和按单柱列计算,并取两者之较大值。而当采用与柱贴砌的砖围护墙时,其纵向抗震计算与混凝土柱厂房的基本相同。
    按底部剪力法计算纵向柱列的水平地震作用时,所得的中间柱列纵向基本周期偏长,可利用周期折减系数予以修正。
    单层钢结构厂房纵向主要由柱间支撑抵抗水平地震作用,是震害多发部位。在地震作用下,柱间支撑可能屈曲,也可能不屈曲。柱间支撑处于屈曲状态或者不屈曲状态,对与支撑相连的框架柱的受力差异较大,因此需针对支撑杆件是否屈曲的两种状态,分别验算设置支撑的纵向柱列的受力。当然,目前采用轻型围护结构的单层钢结构厂房,在风荷载较大时,7、8度的柱间支撑杆件在7、8度也可处于不屈曲状态。这种情况可不进行支撑屈曲后状态的验算。

9.2.9 屋盖的竖向支承桁架可包括支承天窗架的竖向桁架、竖向支撑桁架等。屋盖竖向支承桁架承受的作用力包括屋盖自重产生的地震力,尚需将其传递给主框架,故其杆件截面需由计算确定。
    屋盖水平支撑交叉斜杆,在地震作用下,考虑受压斜杆失稳而需按拉杆设计,故其连接的承载力不应小于支撑杆的全塑性承载力。条文参考上海市的规定给出。
    参照冶金部门的规定,支承跨度大于24m屋面横梁的托架系直接传递地震竖向作用的构件,应考虑屋架传来的竖向地震作用。
    对于厂房屋面设置荷重较大的设备等情况,不论厂房跨度大小,都应对屋盖横梁进行竖向地震作用验算。

9.2.10 单层钢结构厂房的柱间支撑一般采用中心支撑。X形柱间支撑用料省,抗震性能好,应首先考虑采用。但单层钢结构厂房的柱距,往往比单层混凝土柱厂房的基本柱距(6m)要大几倍,∨或∧形也是常用的几种柱间支撑形式,下柱柱间支撑也有用单斜杆的。
    支撑杆件屈曲后状态支撑框架按本规范第5章的规定进行抗震验算。本条卸载系数主要依据日本、美国的资料导出,与附录K第K.2节对我国混凝土柱厂房柱间支撑规定的卸载系数有所不同。但同样适用于支撑杆件长细比大于60的情况,长细比大于200时不考虑压杆卸载影响。
    与∨或∧形支撑相连的横梁,除了轻型围护结构的厂房满足设防地震下不屈曲的支撑外,通常需要按本规范第8.2.6条计入支撑屈曲后的不平衡力的影响。即横梁截面Abr满足:

9.2.11 设计经验表明,跨度不很大的轻型屋盖钢结构厂房,如仅从新建的一次投资比较,采用实腹屋面梁的造价略比采用屋架的高些。但实腹屋面梁制作简便,厂房施工期和使用期的涂装、维护量小而方便,且质量好、进度快。如按厂房全寿命的支出比较,这些跨度不很大的厂房采用实腹屋面梁比采用屋架要合理一些。实腹屋面梁一般与柱刚性连接。这种刚架结构应用日益广泛。
    1 受运输条件限制,较高厂房柱有时需在上柱拼接接长。条文给出的拼接承载力要求是最小要求,有条件时可采用等强度拼接接长。
    2 梁柱刚性连接、拼接的极限承载力验算及相应的构造措施(如潜在塑性铰位置的侧向支承),应针对单层刚架厂房的受力特征和遭遇强震时可能形成的极限机构进行。一般情况下,单跨横向刚架的最大应力区在梁底上柱截面,多跨横向刚架在中间柱列处也可出现在梁端截面。这是钢结构单层刚架厂房的特征。柱顶和柱底出现塑性铰是单层刚架厂房的极限承载力状态之一,故可放弃“强柱弱梁”的抗震概念。
    条文中的刚架梁端的最大应力区,可按距梁端1/10梁净跨和1.5倍梁高中的较大值确定。实际工程中,受构件运输条件限制,梁的现场拼接往往在梁端附近,即最大应力区,此时,其极限承载力验算应与梁柱刚性连接的相同。

(Ⅲ)抗震构造措施

9.2.12 屋盖支撑系统(包括系杆)的布置和构造应满足的主要功能是:保证屋盖的整体性(主要指屋盖各构件之间不错位)和屋盖横梁平面外的稳定性,保证屋盖和山墙水平地震作用传递路线的合理、简捷,且不中断。本次修订,针对钢结构厂房的特点规定了不同于钢筋混凝土柱厂房的屋盖支撑布置要求:
    1 一般情况下,屋盖横向支撑应对应于上柱柱间支撑布置,故其间距取决于柱间支撑间距。表9.2.12屋盖横向支撑间距限值可按本节第9.2.15条的柱间支撑间距限值执行。
    2 无檩屋盖(重型屋盖)是指通用的1.5m×6.0m预制大型屋面板。大型屋面板与屋架的连接需保证三个角点牢固焊接,才能起到上弦水平支撑的作用。
    屋架的主要横向支撑应设置在传递厂房框架支座反力的平面内。即,当屋架为端斜杆上承式时,应以上弦横向支撑为主;当屋架为端斜杆下承式时,以下弦横向支撑为主。当主要横向支撑设置在屋架的下弦平面区间内时,宜对应地设置上弦横向支撑;当采用以上弦横向支撑为主的屋架区间内时,一般可不设置对应的下弦横向支撑。
    3 有檩屋盖(轻型屋盖)主要是指彩色涂层压形钢板、硬质金属面夹芯板等轻型板材和高频焊接薄壁型钢檩条组成的屋盖。在轻型屋盖中,高频焊接薄壁型钢等型钢檩条一般都可兼作上弦系杆,故在表9.2.12中未列入。
    对于有檩屋盖,宜将主要横向支撑设置在上弦平面,水平地震作用通过上弦平面传递,相应的,屋架亦应采用端斜杆上承式。在设置横向支撑开间的柱顶刚性系杆或竖向支撑、屋面檩条应加强,使屋盖横向支撑能通过屋面檩条、柱顶刚性系杆或竖向支撑等构件可靠地传递水平地震作用。但当采用下沉式横向天窗时,应在屋架下弦平面设置封闭的屋盖水平支撑系统。
    4 8、9度时,屋盖支撑体系(上、下弦横向支撑)与柱间支撑应布置在同一开间,以便加强结构单元的整体性。
    5 支撑设置还需注意:当厂房跨度不很大时,压型钢板轻型屋盖比较适合于采用与柱刚接的屋面梁。压型钢板屋面的坡度较平缓,跨变效应可略去不计。
    对轻型有檩屋盖,亦可采用屋架端斜杆为上承式的铰接框架,柱顶水平力通过屋架上弦平面传递。屋盖支撑布置也可参照实腹屋面梁的,隅撑间距宜按屋架下弦的平面外长细比小于240确定,但横向支撑开间的屋架两端应设置竖向支撑。
    檩条隅撑系统布置时,需考虑合理的传力路径,檩条及其两端连接应足以承受隅撑传至的作用力。
    屋盖纵向水平支撑的布置比较灵活。设计时,应据具体情况综合分析,以达到合理布置的目的。

9.2.13 单层钢结构厂房的最大柱顶位移限值、吊车梁顶面标高处的位移限值,一般已可控制出现长细比过大的柔韧厂房。
    本次修订,参考美国、欧洲、日本钢结构规范和抗震规范,结合我国现行钢结构设计规范的规定和设计习惯,按轴压比大小对厂房框架柱的长细比限值适当调整。

9.2.14 板件的宽厚比,是保证厂房框架延性的关键指标,也是影响单位面积耗钢量的关键指标。本次修订,对重屋盖和轻屋盖予以区别对待。重屋盖参照多层钢结构低于50m的抗震等级采用,柱的宽厚比要求比2001规范有所放松。
    对于采用压型钢板轻型屋盖的单层钢结构厂房,对于设防烈度8度(0.20g)及以下的情况,即使按设防烈度的地震动参数进行弹性计算,也经常出现由非地震组合控制厂房框架受力的情况。因此,根据实际工程的计算分析,发现如果采用性能化设计的方法,可以分别按“高延性,低弹性承载力”或“低延性,高弹性承载力”的抗震设计思路来确定板件宽厚比。即通过厂房框架承受的地震内力与其具有的弹性抗力进行比较来选择板件宽厚比:
    当构件的强度和稳定的承载力均满足高承载力——2倍多遇地震作用下的要求(γGSGE+γEh2SE≤R/γRE)时,可采用现行《钢结构设计规范》GB 50017弹性设计阶段的板件宽厚比限值,即C类;当强度和稳定的承载力均满足中等承载力——1.5倍多遇地震作用下的要求(γGSGE+γEh1.5SE≤R/γRE)时,可按表6中B类采用;其他情况,则按表6中A类采用。

    A、B、C三类宽厚比的数值,系参照欧、日、美等国家的抗震规范选定。大体上,A类可达全截面塑性且塑性铰在转动过程中承载力不降低;B类可达全截面塑性,在应力强化开始前足以抵抗局部屈曲发生,但由于局部屈曲使塑性铰的转动能力有限。C类是指现行《钢结构设计规范》GB 50017按弹性准则设计时腹板不发生局部屈曲的情况,如双轴对称H形截面翼缘需满足b/t≤15,受弯构件腹板需满足72<h0/tw≤130,压弯构件腹板应符合《钢结构设计规范》GB 50017-2003式(5.4.2)的要求。
    上述板件宽厚比与地震作用的对应关系,系根据底部剪力相当的条件,与欧洲EC8规范、日本BCJ规范给出的板件宽厚比限值与地震作用的对应关系大致持平。
    鉴于单跨单层厂房横向刚架的耗能区(潜在塑性铰区),一般在上柱梁底截面附近,因此,即使遭遇强烈地震在上柱梁底区域形成塑性铰,并考虑塑性铰区钢材应变硬化,屋面梁仍可能处于弹性状态工作。所以框架塑性耗能区外的构件区段(即使遭遇强烈地震,截面应力始终在弹性范围内波动的构件区段),可采用C类截面。
    设计经验表明,就目前广泛采用轻型围护材料的情况,采用上述方法确定宽厚比,虽然增加了一些计算工作量,但充分利用了构件自身所具有的承载力,在6、7度设防时可以较大地降低耗钢量。

9.2.15 柱间支撑对整个厂房的纵向刚度、自振特性、塑性铰产生部位都有影响。柱间支撑的布置应合理确定其间距,合理选择和配置其刚度以减小厂房整体扭转。
    1 柱间支撑长细比限值,大于细柔长细比下限值130(考虑0.5fy的残余应力)时,不需作钢号修正。
    2 采用焊接型钢时,应采用整根型钢制作支撑杆件;但当采用热轧型钢时,采用拼接板加强才能达到等强接长。
    3 对于大型屋面板无檩屋盖,柱顶的集中质量往往要大于各层吊车梁处的集中质量,其地震作用对各层柱间支撑大体相同,因此,上层柱间支撑的刚度、强度宜接近下层柱间支撑的。
    4 压型钢板等轻型墙屋面围护,其波形垂直厂房纵向,对结构的约束较小,故可放宽厂房柱间支撑的间距。条文参考冶金部门的规定,对轻型围护厂房的柱间支撑间距作出规定。

9.2.16 震害表明,外露式柱脚破坏的特征是锚栓剪断、拉断或拔出。由于柱脚锚栓破坏,使钢结构倾斜,严重者导致厂房坍塌。外包式柱脚表现为顶部箍筋不足的破坏。
    1 埋入式柱脚,在钢柱根部截面容易满足塑性铰的要求。当埋入深度达到钢柱截面高度2倍的深度,可认为其柱脚部位的恢复力特性基本呈纺锤形。插入式柱脚引用冶金部门的有关规定。埋入式、插入式柱脚应确保钢柱的埋入深度和钢柱埋入部分的周边混凝土厚度。
    2 外包式柱脚的力学性能主要取决于外包钢筋混凝土的力学性能。所以,外包短柱的钢筋应加强,特别是顶部箍筋,并确保外包混凝土的厚度。
    3 一般的外露式柱脚,从力学的角度看,作为半刚性考虑更加合适。与钢柱根部截面的全截面屈服承载力相比,柱脚在多数情况下由锚栓屈服所决定的塑性弯矩较小。这种柱脚受弯时的力学性能,主要由锚栓的性能决定。如锚栓受拉屈服后能充分发展塑性,则承受反复荷载作用时,外露式柱脚的恢复力特性呈典型的滑移型滞回特性。但实际的柱脚,往往在锚栓截面未削弱部分屈服前,螺纹部分就发生断裂,难以有充分的塑性发展。并且,当钢柱截面大到一定程度时,设计大于柱截面抗弯承载力的外露式柱脚往往是困难的。因此,当柱脚承受的地震作用大时,采用外露式不经济,也不合适。采用外露式柱脚时,与柱间支撑连接的柱脚,不论计算是否需要,都必须设置剪力键,以可靠抵抗水平地震作用。
    此次局部修订,进一步补充说明外露式柱脚的承载力验算要求,明确为“极限承载力不宜小于柱截面塑性屈服承载力的1.2倍”。