浅谈唐山市钢结构厂房的抗震设计

郑明明，张翠艳

唐山市位于华北地震带区域，地震发生较为频繁，众所周知地震将造成巨大的生命财产损失，其中由于房屋等建筑物的损坏、倒塌而导致的损失占绝大部分，因此，在类似这种地震灾害易发区域进行钢结构设计时，对钢结构的抗震能力进行充分考虑尤为重要，具有良好抗震性能的建筑物可以极大地保护人民的生命财产，减少地震带来的巨大生命财产损失。

1 钢结构的特点

不同的结构设计所具有的抗震性是不同的，钢筋混凝土结构的抗压性要优于钢结构，但抗拉性能略为不足，钢结构形式的结构不仅抗拉性能好，而且同时兼具良好的延展性。从而具有良好的抗震性能使之在地震时发挥主要的作用。钢结构厂房建筑是工厂常用的厂房结构，无论是从重量、制作、安装到施工周期等各个方面的独特优势、还是钢结构自身具备的延展性、抗震性等优点，在地震发生时可以很好的抵消掉地震的能量波。优质钢各向同性的材料特点使其具有较高的拉伸、压缩和剪切强度和高的延展性等特质。因此在地震中可有效减轻地震反应，同时因为钢结构的弹性形变和塑性形变能力较好，地震发生时，通过钢结构的弹性变形和塑性变形可以有效的抵消一部分地震所带来的破坏性能量，并配合自重较轻的优势，很好的减轻了和消除部分地震造成的破坏。同时，在钢结构施工时因没有浇筑支模版等混凝土常用步骤，减少了许多例如噪音，扬尘等污染，相较于混凝土作业，钢结构一定程度上更为环保。同时，厂房设计通常要求开间要大，厂房高度往往在20m 以上，若采用混凝土进行建造，混凝土自身自重过大，设计困难，同时会造成较大浪费，花费也是巨大，因此相较之下，厂房设计更适合采用钢结构进行。但同时钢结构耐火性较差并且容易被腐蚀，需做好相关防火及防腐措施。

2 钢结构的震害特点

钢结构在地震中的破坏形式主要通过节点、构件、结构整体这三方面的破坏来体现。同时，在地震作用中，因钢结构材质本身发生延展性的破坏，是钢结构破坏的主要形式，可以看的到破坏过程，而不是一瞬间发生的脆性破坏。这种设计符合抗震设计要点，材料的延展性破坏有一定的破坏时间，给予人充分的逃生时间，很大程度上有效保护人的生命财产安全。

2.1 钢结构节点破坏

钢结构的节点破坏主要包括两种情况，支撑件节点处的破坏和连接件节点处的破坏。通过部分地震实例来看，很多震后发现了大量的钢梁、钢柱节点处发生破坏，并对现场受害情况进行研究调查数据分析，钢结构建筑物梁柱的钢性破坏大多数发生在梁的下翼缘附近，而上翼缘处相对来说破坏要少的多，造成这种现象的可能原因有两个方面：一是钢梁与之连接的屋面板的接缝处发生了形状变化，使钢梁的下翼缘处应力瞬间增大，二是安装过程中焊缝具有缺陷，地震时缺陷部位发生破坏。

2.2 钢结构的构件破坏

支撑压屈：地震作用发生时，钢结构支撑件所收到的压力超过了它本身的抗压值，也就是超过了其屈服强度，钢结构建筑发生发展支撑压屈，构件发生破坏。当构件的宽厚比过大时，支撑构件的失稳。因此，对支撑钢构件的宽厚比例设计优化非常重要，甚至其重要性超过对钢结构的塑性能力设计。

梁柱局部失稳：在地震的作用下钢结构的梁柱会反复受弯，在梁柱结构弯矩计算截面最大处可发生过度使用弯曲过程中产生的失稳造成破坏。

钢柱在水平方向的断裂破坏：柱子的水平断裂的原因是竖向地震导致了柱子中出现动拉力和柱子截面的弯矩和剪力的影响，也可认为是钢柱的脆性断裂。通过对某地地震案例的分析统计，发现在一栋高层楼房有约60 根柱子发生了断裂破坏现象，并且很多都是水平方向的断口，从而说明都是此部分的破坏均由脆性受拉断裂引起。根据研究分析，很多的断裂发生在焊口旁，而恰好此处是最容易出现缺陷的部位。壁厚达50mm 的箱型截面柱暴露在外面，而在冬季施工的过程中，外界温度较低，焊接过程中厚钢板出现了过热现象，这将造成刚才延展性的降低，使钢材变脆。这时候钢柱在地震带来的巨大竖向作用力下，产线强大扭矩及拉力，从而出现断裂现象。

2.3 钢结构整体倒塌

最严重的结构破坏模式是结构的整体倒塌。钢结构虽然具备了较好的可塑性，形变能力，抵抗地震的能力较好，但并不是不会出现整个结构的垮塌现象，主要是当结构应力集中在薄弱层时钢结构产生了连锁反应，导致钢结构建筑物发生整体性失稳。墨西哥市三个22 层的钢结构塔楼在大地震时发生了极大损坏，甚至其中一个几乎倒塌。经过有关的研究分析可以证明，这三个塔楼均为框架-支撑结构的钢结构支撑体系。经过分析，整体垮塌的主要原因是塔楼的横向和纵向支撑的对称设计不合理。如果钢结构不规则，支撑在横向和纵向的偏差非常大，会造成整体钢结构框架的两个中心不符，分别是刚度中心和质量中心。这样会造成严重的后果，框架整体的扭曲效应会成倍放大，如果地震带来的破坏性能量超过承载力，则就发生了这种整个结构的垮塌现象。因此在设计过程中，要着重考虑钢结构框架体系的对称性。

3 钢结构的抗震设计

钢结构的抗震设计形式有主动和被动两种控制形式。其中第一种主动控制，例如采用阻尼器的动力主动对结构施加反向作用，抵消地震作用力，改变结构的动力特征；第二种被动控制，将结构形式优化改善，即改善结构的特征，来优化结构的抗震性能。钢结构厂房由于其跨度较大，且层数较少，不宜采用主动控制形式，且钢结构自身性能较好，因此钢结构厂房多采用改善结构的形式来进行抗震设计。在结构设计时把承载力定义为抗震设计基础指标，结构的动应力特别是动拉应力定义为控制指标。从地震灾害来看，地震破坏的结构主要表现在地震过程中产生的结构变形过大，因此又以结构的变形来当作地震的抗震指标，要求设计的结构在地震中的变形量满足一定的抗震设计值，达到抗震设计要求。

钢结构的抗震性能设计主要从以下几方面进行。

3.1 在设计中尽量选择对抗震有利的场地和地基

钢结构在地震中的反应受场地影响最为直接，因此，在进行钢结构设计时首先要考虑场地的地基情况，若地基情况不太理想，或者地基情况不好，需通过一系列措施进行地基加固来满足钢结构的稳定性和抗震性。

常用的基础加固措施如下：

换土垫层法：若地基土层较薄，则可采用换土垫层法进行地基加固。首先将表面软弱土和不良土挖除，然后采用合适的材料换填，最后进行分层碾压夯实。砂石垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、灰土垫层等可作为换填材料。

注浆加固：有时需要对建筑地基进行必要的加固设计，可采用注浆加固进行。注浆加固的种类较多，较为常见的种类有静压注浆加固方式、水泥搅拌桩注浆加固方式、预压地基高压旋喷桩注浆加固方式等。通常选用水泥浆液、硅化浆液和碱液作为建筑地基加固的浆液。采用注浆加固的好处是因浆液的流动性不可避免的会产生一定的压力，这对地基土有渗透作用，从而使用范围较广。

预压地基：在淤泥、冲填土等饱和粘性土地基上进行建筑时可采用预压地基方式进行设计。一般采用堆载预压法和真空预压法两种方案施工设计。

压实地基和夯实地基：当建筑地基遇到大面积填土地基时可采用压实地基，根据回填地基的不同材料可选用强夯和强夯置换两种形式的夯实地基，当填充材料为碎石土、砂土、低饱和度的粉土和粘性土等采用强夯地基，当遇到填充材料为高饱和度粉土与等且对变形要求不太严格的地基强夯置换地基。

复合地基：顾名思义是指有两种或两种以上加固方式从而使建筑地基得到增强已到达设计及使用要求。对部分地基土不适合做地基的，必须采用复合型地基增强承载力。最终加固地基成为由天然地基土体或被改良的天然地基土体和增强地基两部分组成的人工合成地基。

微型桩加固：采用迷你桩或者微型桩等直径小的桩进行地基土加固，微型桩应用于场地狭小不适用大型设备情况下，常见的微型桩有树根桩、预制桩和注浆钢管桩。在很多地区的钢铁厂房经常采用由石屑、砂、粉煤灰等原料掺水泥加水拌和而成的水泥粉煤灰碎石桩，即CFG 桩。还有一种是用各类成桩机械所制造的具有较强的可变强度桩，也是微型桩的一种，在厂房改造等场合大量使用。

3.2 选择合理的结构整体布置

在选择建筑物的形状时，最大程度上做到建筑物的形状简洁、规整。在地震时形状简单的建筑物受力性能明确，从而对地震引起的损害能有效抵制。平立面的结构布置应当符合结构抗震设计的理念，不规则的结构形式不应该使用。也就是结构的立面和平面设计的选择应当符合形体简单、规则、均匀、对称等特点，这样结构的刚度中心和自身的质量中心会越来越近，进行重合。所以在进行抗震设计时，多采用形状规则、简单的建筑物，由于这种结构的质量中心和刚度中心偏移较小，不但便于进行抗震计算，而且对于减少地震震害也有着相当的作用。若建筑物的强度及刚度需要连续变化，则应保证承载力在平面内均匀、竖向应当连续且均匀。避免使用不规则的设计形式，不设置防震缝这些行为，如果因其他原因必须采用不规则的设计形式时，通过采用防震缝的行为把结构分解成几个规则的结构单元；同时地震时必须防止几个独立单元互相碰撞，防震缝的设计应满足规范规定的防震缝设计要求和设计长度。

3.3 选择合理的抗震结构体系

在选择抗震结构体系时，应当根据结构的抗震设防类别，当地的抗震设防烈度，建筑物的高度长度，采用的材料和施工的影响等因素，从技术、使用和经济三个方面进行综合考虑。建筑体系应该有明确的计算简图，并且地震作用途径要清晰明了，在进行结构抗震体系选择时，其体系应具有多道抗震手段，来促使平立面两个方向有相近的动力特性，并且让结构自身的自振周期和场地的自振周期不同，防止结构产生共振，减小的地震作用的危害。同时在“强剪弱弯、强柱弱梁以及强节点弱构件”的设计原则基础上，应该避免结构的局部破坏和节点破坏导致结构整体的破坏和倾覆，避免因局部损坏导致结构整体失去抗震能力和结构的承载力。同时，由于地震破坏主要是先破坏结构的薄弱部位，因此，在进行设计时，结构的薄弱部位应进行加强，部位的连接方式应符合规范要求的值，并使其具有一定的坚韧性，且在结构应有最大可能数量的富裕度以应对地震时能在结构适当部位建立其屈服区域，即大量吸收地震能量，减少地震损害。

建筑物钢结构需保证在小型地震中不被破坏，在中型地震时破坏小且可修复，在遇到大震时不倒塌，结构自身要有良好的抵抗抗震破坏等能力，在地震中损害较少，保证地震中的生命财产损失降到最低，对于多于地震应按照弹性设计进行计算，但唐山市地区本身有过罕见大型地震所以还需对罕见地震进行弹塑性分析来进行验算，两个阶段缺一不可，通过这两个阶段的计算和验算，充分完成了对唐山市钢结构厂房的抗震设计。同时，选择有利的场地也是应对地震的很好的方式之一，但大部分区域的场地比较受限，例如部分旧厂改造项目，没有场地选择的余地，因此做好地基的改善工作也是重中之重，千里之行始于足下，地基决定了一栋建筑的最终承受荷载的能力。

框架结构、框架-中心支撑结构、框架-偏心支撑结构等是被经常采用的结构体系。其中，框架结构具备良好的抗震性能和较强的延展性，但是此结构的抗侧刚度差，不适用于受侧向荷载控制的建筑；框架-中心支撑结构抗侧刚度能力比较强，适用于高层建筑，抗震性能略优于框架结构；框架-偏心支撑结构是通过采用偏心连梁来减轻或者消耗地震所带来的能量荷载，抗震性能在这三种结构中最好。

3.4 合理选用原材料

在选择抗震体系原材料时，钢材的选择尤为重要，优质的钢材屈服强度、延展性和柔韧性都十分优秀，我们现在给出的钢材都是其屈服点的下限值，在真实出厂时，其屈服点都高于规范给出值，且差值较大。因此，我们需要选择要求能达到设计的屈服机制，可以有效保证的抗震性能，保证钢材的变形能力来达到抗震的目的，就需要控制钢材的屈服点，把钢材屈服点的上下限缩小，曲强比要低，还有就是要保证钢材的截面尺寸，选用截面时，考虑钢材的各项指标，保证钢材韧性，也对结构的抗震具有良好的作用。钢材的选择应符合下面规定：钢材选用应符合规范规定，当有特殊要求时，也可采用符合其他规定的钢材。结构所用钢材应该有一个明显的屈服台阶，且钢材的伸长率应满足设计及规范要求，最后，材料自身应该需要具备良好的可焊性和良好的冲击韧性。

3.5 钢结构框架部分抗震措施

在进行抗震方面的钢结构设计时传统的思路是让钢结构自身具备抗震能力，分为以下两种方式。一种是足够刚，即具备足够的钢度，在地震是通过自身强大的刚度来抵抗地震的破坏；另一种恰恰相反，是足够柔，钢结构建筑的结构进行自身具备一定的变形能力，在地震中，通过结构本身的柔性变形来中和地震的作用力。这两种行之有效的抗震形式，但是仅仅针对普通地震还能抵抗，若遇到烈性地震，确又不足以抵抗，因此，阻尼器出现了。结构的自振周期和阻尼比是降低地震破坏反应的两个最重要指标，阻尼器的消能结构可以使结构自身具备强大的变形能力和复原能力，在地震中可以利用钢结构建筑自身的反向变形来抵抗地震的作用。但是此种抗震形式并不通用，可以说是在不同的地方，需随机应变，采用不同的抗震形式来进行抗震设计，以保证设计的经济合理，也应考虑结构的施工方便安全。

4 总结

在钢结构的设计中，抗震设计可以说涉及到了方方面面，本文仅仅是其中极少的一部分，在唐山市钢结构厂房设计中，结构的抗震性能始终是结构设计考虑的重点，在结构设计的各个阶段都要进行详细充足的分析计算，在唐山这种高度抗震设防区域更为重要，在设计钢结构抗震时要充分考虑地震的作用，以及地震造成危害的方式，即地震的破坏机制和地震的破坏过程，在考虑好各种规范的同时，合理进行设计，保证设计产品安全舒适，经济实用，保证钢结构抗震设计时设计出良好的成果。