单层多跨钢结构厂房的结构设计及地震作用分析

吴智华

摘  要：文章主要以单层多跨钢结构厂房的结构设计及地震作用为中心，分别从三个方面深入剖析，首先对钢结构厂房的结构设计进行研究，其次对地震作用分析详细探索，最后总结两点结构设计的注意事项，目的在于进一步保证单层多跨钢结构厂房的稳定性与安全性。

关键词：钢结构厂房;结构设计;地震作用;动力特征

中图分类号：TU391        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）14-0091-02

Abstract： In this paper， aiming at the structural design and seismic action of single-story multi-span steel structure workshop， it is deeply analyzed from three aspects. Firstly， the structural design of steel structure workshop is studied， and secondly， the seismic action analysis is explored in detail. Finally， the matters needing attention in the design of two points are summarized in order to ensure the stability and safety of the single-story multi-span steel structure factory building.

Keywords： steel structure workshop; structural design; seismic action; dynamic characteristics

对于单层多跨钢结构厂房的结构设计以及地震作用分析，必须清楚认识单层多跨钢结构厂房组成，具体包括柱子、屋顶等，主要建造材料为钢结构，是十分常见的工业厂房类型。当前工作现代化发展步伐加快，与此同时很多冶金领域发展范围扩展，对单层多跨钢结构厂房结构设计及地震作用提出严格要求。改善传统钢结构厂房施工中，使用年限短、自身重、不可回收等局限，真正做到单层多跨钢结构厂房的节能环保结构设计，延长其使用年限的同时，将施工周期缩短，减轻自身重量，为工业发展全面贯彻绿色节能环保理念创造条件。

1 单层多跨钢结构厂房结构设计分析

面对工业现代化发展对厂房结构提出的高要求与标准，积极提出单层多跨钢结構厂房设计理念，并且结合实际厂房设计需要，不断优化结构设计理念，积极从在钢结构厂房设计期间，动力特性与结构钢设计角度出发，充分认识到单层多跨钢结构厂房对工业化发展的重要性。

1.1 动力特征钢结构设计研究

单层多跨钢结构厂房设计过程中，必须认识到动力特征对钢结构设计的重要性。在进行结构设计期间，动力特征分析需要有限元软件SPA的支持完成操作。有限元软件SPA具体包括有点单元、体单元、线单元与面单元。四个单元分别对单层多跨钢结构厂房的结构设计进行分析。具体体现在静动力计算、有限元、线性、非线性等方面。有限元软件主要从单层多跨钢结构角度出发，对厂房空间进行动力特征分析，从而确定厂房空间结构。结合动力特征分析的方式，提前建立好空间结构模型，利用空间结构模型划分具体单元，同时采取网格划分的方式，实现墙面板、檩条以及屋面板等在单层多跨钢结构厂房中的自重减轻，实现钢柱梁重力的均摊[1]。利用有限元软件对模型中结构设计展开分析，及时将厂房空间结构情况加以了解，随后制定不同阶层的振型图，理清其中模型变化周期，及时统计特征频率表。根据有限元软件对钢结构厂房中一榀钢架的研究与动力特征分析，认识到一榀钢架其振型全部为平面外围状态，并且与其他位置的钢结构相比刚度较小，如果不能有效控制，极易出现左右摆动，影响钢结构厂房的结构安全。观察钢结构厂房结构设计振型图，结构设计的不同阶段，变形方向、钢结构位移等都存在明显区别，其中变形也划分为多种模式，比如扭转变形、整体变形或者平动变形等。钢结构顺着一个方向延伸，其中结构中很多位置都会出现较大位移变化，这期间就需要在结构设计中注意，控制钢梁截面大小，以此来控制钢结构的位移变化。但是相对方向如果支撑力不足，也会出现扭转变形现象，所以在实际钢结构厂房的结构设计中，必须注意双向钢结构位移情况，防止各种变形问题的出现。

1.2 单层多跨钢结构厂房结构设计

钢结构厂房结构设计中，还要根据单层多跨结构设计要求，综合考虑其多方面影响因素，必须做到每个结构设计都能够得到有效控制。单层多跨钢结构厂房结构设计中，厂房的钢梁、横纵跨度以及厂房柱网等，都会影响到最终结构设计质量。钢结构厂房结构设计中，柱网设计必须根据国家相关标准与规定进行结构设计，并且在结构设计中，充分考虑施工与维护工作，为柱网后期维护创造有利条件，确保随时能够检查柱网的柱距是否统一[2]。根据检查情况确定厂房横纵跨度与刚度，进而满足钢结构厂房建筑对柱网结构的需求，提高单层多跨钢结构厂房结构设计的安全性、功能性与经济性、钢结构厂房柱网设计期间，还涉及到钢结构厂房的伸缩缝位置、尺寸等方面，这些方面的科学设计，保证厂房横纵柱网尺寸。具体设计中需要注意，厂房横向跨度、纵向跨度之间，必须确保柱距符合厂房结构设计规定。其中厂房横向跨度中，设计主要以3m倍数为主，纵向柱网尺寸设计则以6m为主。钢结构厂房设计过程中，横向跨度设计期间，需要考虑到厂房中设备、生产线、物流、管理以及人员流动等因素，还要结合钢结构厂房结构设计要求与厂房实际应用等，选择专业团队进行技术分析与规划，确保单层多跨钢结构厂房结构设计的科学合理。

2 单层多跨钢结构厂房的地震作用研究

不管是任何建筑，都必须认识到抗震的重要性。单层多跨钢结构厂房在结构设计中，也需要结合当地自然情况，增强钢结构厂房的地震作用，从而保证钢结构厂房的安全与工业发展的安全。对于单层多跨钢结构厂房地震作用，主要从地震作用特点分析、计算、地震作用分析等方面展开。

2.1 地震作用特点

单层多跨钢结构厂房设计中，地震作为其建筑结构安全设计的重要影响因素，一直困扰着钢结构厂房结构设计发展，并且十分受到工业行业的关注与重视。钢结构厂房设计中，抗震设计是设计师研究重点环节。当前我国对建筑结构要求越来越严格，在此背景下，传统工业发展行业积极创新改革，不断采取有效措施提高工业生产厂房的抗震能力，并且提高结构设计质量。但是抗震设计中，频繁出现雪荷载加大、风荷载加大、自然因素变化频繁等情况，相对来讲在一定程度上增加了厂房建筑的造价，所以为工业发展带来巨大压力。特别是部分工业生产建造中，对于厂房建筑的钢材使用量并不大，不能满足厂房承压需求，与轻钢厂房结构设计要求与经济性严重不符，体现出厂房建筑施工的局限性，缺少经济适用性[3]。面对这种情况，必须认识到钢结构厂房在实际结构设计中的不足，从地震作用角度进行分析，由此进一步提高单层多跨钢结构厂房设计科学性，并且增强钢结构厂房的实用性。地震作用的分析，其本身能够为建筑结构设计提供参考，尤其是具体设计中，能够根据掌握的地面运动制定适当结构设计方案，对地质变化进行间接性动态监督，具体考虑因素包括地震速度、加速度与位移等。结合具体地震发生的特點，突发性、偶然性与短暂性、破坏性等，分析这期间厂房结构出现的短暂性动力变化，具体体现在横向与竖向作用方面。通过相关实践研究发现，相较于水平地震作用，其本身作为单层跨度钢结构厂房，因为涉及范围广，所以必须结合地震作用特点，准确计算相关数据，确保地震作用计算到位，钢结构厂房的结构设计到位。

2.2 地震作用计算

地震作用计算，主要包括底部剪力法、时程分析法与振型分解反应谱法。其中振型分解反应谱法计算，基本原理在于单自由度体系加速度计算，结合相关数据准确设计出反应谱，同时根据地震作用运行与分解原理，准确从振型角度出发进行地震计算。统一振型对应地震作用效应，并且按照自由度体系将地震效应呈现出来。此方法计算比较适合自由度体系地震作用计算。相较于振型分解反映谱法，时程分析法，则以结构基本运动方程为着入点，准确记录地面加速度，并且通过方程积分的方式，准确分析出整个时间段的地震作用。将地震波带入到地震作用计算中，从地震开始到结束一直进行积分，将此方法与底部剪力法相结合，严格控制地震内力情况，防止钢结构厂房出现较大变形，跟随规律变化而调整结构设计，所以时程分析法在单层多跨钢结构厂房结构设计中最为适合。

2.3 地震作用对单层多跨钢结构厂房的影响研究

单层多跨钢结构厂房结构设计过程中，必须严格遵循《建筑抗震设计规范》要求，并且结合当地实际发展情况，科学展开抗震设计。单层多跨钢结构设计，结合地震加速计算数据，将其设计为0.2g，并且梳理其中特征周期，根据实际情况周期设置0.56s。一般情况下单层多跨钢结构厂房，其本身的工程结构复杂、跨度较大，因此结构设计中在地震作用下，积极进行数据采集，掌握钢结构厂房结构设计中的关键节点，选择重要节点，准确分析数据与统计数据，确保钢结构厂房中涉及到的每榀钢架编号都十分明确[4]。完成数据采集之后，计算地震作用利用时程分析法，记录地面加速度，绘制地震加速度反应谱。准确分析地震反应谱中所展示的振幅、频谱等内容。并且根据地震变化影响系数，将其与动力系数、结构设计因素相结合，由此增强单层多跨钢结构厂房抗震结构设计，提高钢结构厂房结构设计的安全能力。

3 单层多跨钢结构厂房结构设计注意事项

对于单层多跨钢结构厂房的结构设计，积极发挥地震作用的同时，在实际结构设计中还要注意以下事项：第一，在单层多跨钢结构厂房设计过程中，必须对柱网尺寸严格把控。准确计算柱网尺寸，确保柱网尺寸符合施工要求的同时，将其与厂房施工的地址条件相互参考，从而确保打桩方法制定合理。单层多跨钢结构厂房在施工建设期间相对复杂，注意钢结构横向与竖向变化，科学控制方法基础上，设计好维护的结构形态，进而确保钢结构厂房施工安全。第二，注意单层多跨钢结构厂房结构设计期间，柱类型的选择至关重要。柱的长度、宽度等都要十分精确，根据自身建筑可能产生的负荷，将其科学分散到柱的身上，减轻钢结构厂房本身的承载压力。通过分离式的结构设计，拉大柱与柱之间的距离，充分利用柱惯性矩变化，保证钢结构厂房结构设计的稳定性。

4 结束语

综上所述，单层多跨钢结构厂房结构设计与地震作用分析，对钢结构厂房的安全至关重要。科学的结构设计帮助钢结构厂房有效控制施工成本，同时真正实现现代化工业发展要求，做到节能环保。地震作用提高结构设计抗震能力，保证钢结构厂房的建设与使用稳定性。

参考文献：

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[4]黄勇标.大跨度超高重型钢结构厂房结构设计的分析[J].建材与装饰，2018，544（35）：74-75.

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