（工程力学专业论文）单层钢筋混凝土柱厂房震害及地震反应分析.pdf

m a s t e r sd e g r e et h e s i s t h es e i s m i cd a m a g ea n d s e i s m i cr e s p o n s e a n a l y s i so ns i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n g s w i t hr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u m n s m a s t e rc a n d i d a t e t u t o r l il i i l p r o f z h a n gl i n g x i n s u b j e c t c i v i le n g i n e e r i n g s p e c i a l t y e n g i n e e r i n g m e c h a n i c s r e s e a r c hf i e l d s t r u c t u r a ls e i s m o l o g y i n s t i 眦o f 蛐m e d m i c s c h i n a e a r t h q u a k ea d m i n i s t r a t i o n h a r b i n c h i n a m a y 2 0 1 0 一 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 也不包含为 获得生国地震屋兰程杰堂班塞压或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中 以明确方式标明并表示谢意 本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担 论文作者签名 蕉丛签字日期 碰 垒 筮 学位论文版权使用授权书 本人完全了解虫国地震屋王猩左堂研究压有关保留 使用学位论文的 规定 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权生国地震屋工猩杰堂硒究压可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 允许被查阅和借阅 保密的学位论文在解密后适用本授权书 论文作者签名 查盐导师签名 星簦全 签字日期 型鲤 童 塑 签字日期 迎 呈簟 1 摘要 摘要 目前 单层工业厂房仍是我国各工业区内厂房的主要结构形式 若在 这些工业区发生地震 将产生严重破坏 导致企业或部分车间震后处于停 产状态 造成的经济损失非常巨大 严重影响国民经济发展 我国一些学 者自从2 0 世纪5 0 年代开始对单层厂房进行了大量研究 并取得了一些研 究成果 但就近年来有关单层厂房的震害资料可以看出 单层厂房的抗震 性能有待提高 对单层工业厂房的抗震性能的研究仍然非常必要 本文主 要以单层钢筋混凝土柱厂房为研究对象 分析其典型震害现象 建立其空 间有限元模型和非线性模型 研究吊车所在位置和移动性对单层厂房地震 反应的影响 本文研究成果对确保此类结构的地震安全 减轻地震灾害 具有一定的现实意义 本文主要做了以下工作 1 简要介绍了单层钢筋混凝土柱厂房的结构布置和构件组成 总结 了我国单层钢筋混凝土柱厂房的抗震设计演变过程 论述了目前需要进一 步研究的工作内容 2 本文在海城地震 唐山地震以及汶川地震的震害资料基础上 分 别介绍了单层厂房的四大组成系统一屋盖系统 排架柱系统 支撑系统和 围护墙系统的典型震害现象 对如何提高单层厂房抗震性能提出了建议 3 本文针对单层工业厂房的地震反应分析主要采用平面模型的研究 现状 进行了空间有限元模型和非线性模型研究 将现有空间模型和平面 模型进行对比 分析各模型优缺点 在此基础上 采用s a p 2 0 0 0 建立单 层厂房空间有限元模型 通过自振分析 将分析结果和平面单质点公式以 及实测经验公式计算结果对比 验证空间有限元模型的可靠性 通过对一 试验模型的分析 验证了非线性分析模型的可靠性 4 采用上述方法建立分析模型 对一单层厂房算例进行了非线性地 震反应分析 着重研究了吊车移动性对单层厂房自振特性的影响 以及吊 车所在位置和移动性对厂房地震反应分析的影响 得到了单层厂房的破坏 机制 研究结果和震害规律相符 可为单层厂房的抗震设计提供重要的参 考依据 关键词 单层钢筋混凝土柱厂房 空间有限元模型 典型震害 地震反 应分析 n a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t s i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n g sa r et h em a i ns t r u c t u r a lt y p ei n v a r i o u si n d u s t r i a la r e a si nc h i n a 姗l e ne a r t h q u a k eo c c u r s t h e s eb u i l d i n g s w i l ls u f f e rg r e a td a m a g e t h e r e b yt h ep r o d u c t i o no rp a r to ff a c t o r yb u i l d i n g s w i l lb ea tas t a n d s t i l l w h i c hf u r t h e ra f f e c tt h en a t i o n a le c o n o m y m a n y s c h o l a r si nc h i n ah a sp a i dal o to fa t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho fs i n g l e s t o r y f a c t o r yb u i l d i n g sa n do b t a i n e ds o m er e s u l t ss i n c el9 5 0 s b u ti tw a sf o u n di n p r e v i o u se a r t h q u a k ed a m a g ei n v e s t i g a t i o n s t h a ts e i s m i cb e h a v i o ro f s i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n g sn e e d e dt ob ee n h a n c e d s oi ti sn e c e s s a r yt o s t u d yo nt h es e i s m i cb e h a v i o ro fs i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n g s i nt h i sp a p e r s i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n gw i t hr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o l u m n si sr e g a r d e da s as t u d yo b j e c t a n dt h et y p i c a le a r t h q u a k ed a m a g ep h e n o m e n ao ft h i sk i n do f b u i l d i n gi sa n a l y z e d t h e nas p a t i a l f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e la n da n o n l i n e a rm o d e lr r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y a n dt h ea n a l y s i s0 nt h ei n f l u e n c e o ns e i s m i cr e s p o n s eo fs i n g l e s t o r yb u i l d i n g sw h i c hb r o u g h tb ym o b i l ec r a n e a n di t sl o c a t i o ni ss t u d i e d t h er e s u l t so ft h i sp a p e rh a v ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t oe n s u r es e i s m i cs a f e t ya n dr e d u c ee a r t h q u a k ed a m a g eo ft h i sk i n do f b u i l d i n g t h em a i n w o r ko ft h i sp a p e r 1 t h es t r u c t u r a la r r a n g e m e n ta n dc o m p o s i t i o no fs i n g l e s t o r yf a c t o r y b u i l d i n g sw i t hr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o l u m n sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h er e f o r i l l p r o c e s so fs e i s m i cd e s i g nf o rs i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n g sw i t hr e i n f o r c e d c o n c r e t ec o l u m n si nc h i n ai ss u m m a r i z e d t h er e s e a r c ha b o u ts i n g l e s t o r y f a c t o r yb u i l d i n g si nf u t u r er e m a i nt ob ed i s c u s s i o n e d 2 b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o nd a t ao fh a i c h e n ge a r t h q u a k e t a n g s h a n e a r t h q u a k ea n dw e n c h u a ne a r t h q u a k e t h et y p i c a ls e i s m i cd a m a g ep h e n o m e n a o fm a i nf o u rp a r t s r o o fs y s t e m c o n c r e t eb e n tc o l u m ns y s t e m s u p p o r t i n g s y s t e ma n dc l a d d i n gs h e e t ss y s t e m o fs i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n g s a r e i n t r o d u c e di nt 1 1 e p a p e r f u r t h e r m o r e p r o p o s a l st oi m p r o v et h es e i s m i c b e h a v i o ro fs i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n gw i t hr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o l u m n sa r e p r o v i d e d 3 t h ep l a n ef i n i t ee l e m e n tm o d e l si sm a i n l yu s e di nt h ep r e s e n t r e s e a r c h e so ns e i s m i cr e s p o n s eo fs i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n g w h i l e a s p a t i a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e la n dn o n l i n e a rm o d e la r ee s t a b l i s h e di n t h i sp a p 既f i r s tc o m p a r a t i v ea n a l y s i si sc o n d u c t e db e t w e e ns p a t i a lm o d e la n d p l a n em o d e l a n da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm o d e la r ea n a l y z e d b a s e do nt h ea b o v ed i s c u s s i o n as p a t i a lf i n i t ee l e m e n tm o d e li se s t a b l i s h e d i l l 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 w i t ht h ep r o g r a ms o f tw s x es a p 2 0 0 0 t h r o u g hf r e ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s t h er e s u l t so fa n a l y s i sa r ec o m p a r e dw i t l lt h o s eo f b e t hp l a n es i n g l e m a s sf o r m u l aa n de m p i r i c a lf o r m u l at ov e i l f yt h er e l i a b i l i t yo ff i n i t ee l e m e n t m o d e t h er e l i a b i l i t yo fn o n l i n e a rm o d e li sa l s ot e s t i f i e db ya n a l y z i n ga l l e x p e r i m e n t a lm o d e li nt h i sp a p e r 4 t h en o n l i n e a rs e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fas i n g l e s t o r yf a c t o r y b u i l d i n g sm o d e lu s i n ga b o v et h em o d e la n dm e t h o di sc o n c l u d e d e s p e c i a l l y t h er e s e a r c h o f i n f l u e n c eb r o u g h tb ym o b i l ec r a n eo nf r e ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c eb r o u g h tb yc r a n el o c a t i o no ns e i s m i cr e s p o n s eo f s i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n g sw i t hr e i n f o r e e dc o n c r e t ec o l u m n si sg i v e nm o r e a t t e n t i o n t h ec a l c u l a t i o n sa g r e e df a i r l yw e l lw i t ht h ee a r t h q u a k ed a m a g e p h e n o m e n a a n dt h ed a m a g em e c h a n i s mi so b t a i n e da n dc a nb es e r v e d a 5 i m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rs e i s m i cd e s i g no fs i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n g sw i t h r e i n f o r e e dc o n c r e t ec o l u m n s k e y w o r d s s i n g l e s t o r yf a c t o r yb u i l d i n g sw i t hr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o l u m n s s p a t i a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l t y p i c a le a r t h q u a k ed a m a g e s e i s m i cr e s p o n s e a n a l y s i s i v 目录 摘 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 目录 i i i v 1 1 引言 l 1 2 单层钢筋混凝土柱厂房的结构布置和构件组成 3 1 3 我国单层钢筋混凝土柱厂房抗震设计的演变 6 1 4 本文主要工作 9 第二章单层钢筋混凝土柱厂房震害分析 2 1 引言 l1 2 2 屋盖体系的震害 ll 2 2 1 屋面板的震害 1 3 2 2 2 屋架的震害 1 4 2 2 3 门式天窗架的震害 1 6 2 3 排架柱体系的震害 1 7 2 3 1 柱项震害 1 8 2 3 2 上柱根部及牛腿震害 1 9 2 3 3 下柱根部震害 2 0 2 3 4 双肢柱及开孔工字形柱震害 2 0 2 4 支撑系统的震害 2l 2 4 1 柱间支撑的震害 2 2 2 4 2 屋架支撑和天窗架支撑的震害 2 4 2 5 围护墙的震害 2 5 2 5 1 一般纵向砖墙和山墙的震害 2 6 2 5 2 窗间墙的震害 2 8 2 5 3 高低跨交接处封墙震害 2 8 2 5 4 围护墙体连接破坏 2 9 2 6 本章小结 3 0 第三章单层钢筋混凝土柱厂房地震反应分析模型 3 1 引言 一3 3 3 2 国内外的相关研究现状 3 3 3 3 单层厂房平面模型和空间模型对比分析 3 5 3 3 1 平面排架模型的假定 3 5 3 3 2 空间力学模型的假定及其计算原理 3 5 v 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 i l l l 3 3 3 三种模型对比 3 8 3 4 单层厂房空间有限元分析模型 3 9 3 4 1 单层厂房空间有限元模型的验证 4 0 3 4 2 单层厂房非线性分析模型 4 5 3 4 3 单层厂房非线性模型验证 4 7 3 5 本章小结 4 9 第四章吊车位置和移动性对单层厂房地震反应分析的影响 4 1 引言 5 1 4 2 吊车所在位置对单层厂房自振特性的影响 5 2 4 3 吊车所在位置及移动性对单层厂房地震反应分析的影响 5 4 4 3 1 地震波的选取 5 4 4 3 2 吊车荷载取值与荷载工况选取 5 5 4 3 3 计算结果 5 6 4 4 本章小结 6 9 第五章结语与展望 5 1 全文总结 7 l 5 2 展望 7 2 参考文献 7 3 j 致谢 7 1 作者简介 7 6 v i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论昂一早殖化 中华人民共和国成立后 在国家经济战略方针的指导下 中国已成为 世界上最具有发展潜力的经济大国之一 从1 9 5 3 年至l j 2 0 0 0 年 中国陆续完 成了九个 五年计划 产业结构的调整和升级也取得了一定的进展 这 一切都为国民经济的快速发展打下了坚实基础 中国是人口大国 产业结 构类型突出表现为制造业和冶金等劳动密集型产业 制造业和冶金等生产 车间大都要求在横向 纵向以及高度方向需要有较大的空间 以满足生产 设备的布置及采光等要求 单层排架结构厂房由于其具有跨度大 建筑空 间布置灵活 能承受较大荷载 室内外高差小等优势 极大地满足了工业 生产的要求 在我国工业厂房中得到广泛应用 工业厂房最早出现在十八世纪的英国 我国1 9 世纪初建立的厂房多数 是国外设计 上个世纪5 0 年代建造的各种类型工业厂房 多数参照苏联规 范 只做近似计算和采取一些构造措施 目前 在西方工业发达国家 凭 借材料的轻质高强 多功能性 多使用压型钢板 工业厂房有3 0 0 7 0 采用钢结构 并向大跨 大空间方向发展 已形成不同的工业化生产体系 我国大部分新厂房也采用钢结构 但由于结构材料单一 装配能力差 耗 费人力 物力 单层钢筋混凝土柱排架结构厂房在我国仍然是常用形式 因此 对单层钢筋混凝土柱厂房的研究仍然非常必要 单层钢筋混凝土柱厂房多采用预制构件 无论是从造价 施工还是日 常维护 与其它结构类型建筑相比都有着明显的优势 然而我国处在环太 平洋地震带和欧亚地震带之间 是世界上地震灾害最严重的国家之一 全 国有4 1 的国土位于基本烈度7 度及7 度以上地区 2 0 0 0 年全国位于地震烈 度大于或等于7 度的城市占到城市总数的4 5 l 我国的工业区主要是在东 部沿海地带 辽中南 京津塘 沪宁杭 珠三角 以及西安至成都 昆 明一线的西部地区 如图1 1 所示 而这些工业区多分布在地震带上 如 图1 2 所示 我国地震的主要特点是分布范围广 频度高 强度大 震源 浅 危害大 若在这些主要工业区发生地震 造成的经济损失非常巨大 将严重影响国民经济发展 在地震灾害中 建筑物的倒塌是最严重的破坏 对于工业区而言 由 于厂房的倒塌而砸坏设备 影响生产 造成的间接损失也是很惊人的 唐 山地震后 唐山 汉沽 天津等地隶属一机系统的1 1 5 个工厂的1 0 7 8 5 台设 备 包括金属切削机床 锻压设备 铸造设备 起重设备 工业炉 通用 设备等 中等和严重破坏的计1 6 5 9 台 其中由于厂房倒塌被砸坏的为1 0 6 8 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 台 占6 4 3 如唐山冶金矿山厂一金工车间装配跨 面积2 8 8 0 平方米 受震后屋盖全部倒塌 设备大部分被砸坏 仅其中1 4 台大型机床价值就达 几百万元 由于设备本身抗震能力不足而导致破坏的有5 9 1 台 占3 5 7 此外 在所调查的1 7 2 4 台仪器仪表中 由于本身原因而受到中等和严重破 坏的有5 6 9 台 2 1 图1 1 中国工业发展部署图1 2 中国地震带分布 在汶川地震灾区 部分老厂房是二十世纪六 七十年代三线建设时期 兴建的 这些早期的大型屋面板重型屋盖结构体系厂房破坏较为严重 由 于厂房的严重破坏和倒塌 导致企业或部分车间震后处于停产状态 有的 甚至长达几个月之久 如东方汽轮机厂 蓥峰实业有限公司 宏达化工厂 等 要减少地震造成的损失 必须提高厂房的抗震能力 才能保证中国经 济的快速稳定可持续地发展 因此 对单层厂房的抗震研究工作刻不容缓 我国科研人员对单层钢筋混凝土柱厂房的抗震研究工作始于二十世 纪五十年代 目前国内外关于单层钢筋混凝土柱厂房的研究 特别是抗震 方面的研究工作仍然存在诸多问题 主要体现在以下几个方面 1 多数 研究工作仍然以平面模型为基础 不考虑或者将空间作用理想化 2 不 考虑吊车移动荷载与地震荷载相互作用的影响 3 多数抗震研究工作还 停留在线性分析阶段 实用的非线性分析方法还有待发展 针对以上这些 问题 本文以单层钢筋混凝土柱厂房为研究对象 结合这类厂房的空间有 限元模型和非线性分析模型 并利用结构分析软件s a p 2 0 0 0 力i 以实现 研 究吊车对结构自振特性的影响以及单层厂房受吊车位置及纵向水平移动 荷载和地震荷载同时作用时的破坏机制 为进一步研究单层钢筋混凝土柱 厂房的地震反应 以及抗震设计方法提供分析手段 本文研究对确保此类 结构的地震安全 减轻地震灾害 具有一定的实用意义 第一章绪论 1 2 单层钢筋混凝土柱厂房的结构布置和构件组成 单层钢筋混凝土柱厂房 以下简称 单层厂房一 因其具有跨度大 室内空间布置灵活 能承受较大荷载 室内外高差小 便于维护和改建等 优势 使其在工业企业中得到广泛应用 在单层厂房中 生产工艺流程和 车间内部运输比较容易组织 地面上能够放置较重的机器设备和产品 所 以 重工业生产如冶金和机械系统采用较多 跨度多为1 2 3 6 m 厂房内 多设有桥式吊车 一些轻工业如纺织等也采用单层厂房结构形式 概括来 说 单层厂房的构件布置和下列几种生产需要有着密切的关系 1 生产工艺流程的需要 2 生产条件的需要 3 起重运输的需要 4 施工水平的限制 5 生产过程中产生有害因素 与周围环境相互关联的需要 单层厂房主要由屋架 或者屋面梁 柱和基础等组成 柱与屋架铰 接 与基础刚接 i 钔 如图1 3 示 钢筋混凝土柱有矩形 工字型 双肢柱 和管柱等多种型式 屋盖结构有重型和轻型两类 老厂房多采用重型屋盖 重型屋盖通常采用钢筋混凝土屋架 屋面梁或钢屋架 上覆钢筋混凝土大 型屋面板 通称为无檩屋盖 轻型屋盖通常采用钢屋架 钢檩条 上铺瓦 图1 3 单层厂房结构组成 l 一屋面板 2 一天沟板 3 一天窗架 4 一屋架 5 一托架 6 一吊车架 7 一排 架柱 8 一抗风柱 卜基础 1 0 连系梁 1 1 一基础梁 1 2 一天窗架 1 3 一屋 架下弦横向水平支撑 1 4 屋架端部垂直支撑 1 5 柱问支撑 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 楞铁 波形石棉瓦或钢丝网水泥槽瓦 围护墙体有非承重或自承重砖墙 钢筋混凝土墙板 瓦楞铁或波形石棉瓦等几种类型 具体各构件的作用 1 4 见下表1 1 根据生产工艺和使用要求的不同 排架结构可做成等高 不 等高和锯齿形等多种形式 如图1 4 所示 后者多用于纺织工业 n l a 图1 4 常见排架结构形式 表1 1 单层厂房结构构件及其作用 托 构件名称 构件作用备注 屋面 承受屋面构造层自重 屋面活荷载 雪荷载 积灰支撑在屋架 荷载以及施工荷载等 并将它们传给屋架 屋面 屋面粱 或 屋 板 梁 具有覆盖 围护和传递荷载的作用檩条上 盖 天沟屋面排水并承受屋面积水及天沟板上的构造层自 板重 施工荷载等 并将它们传给屋架 结 天窗形成天窗以便于采光和通风 承受其上屋面板传来 构架 的荷载及天窗上的风荷载等 并将它们传给屋架 当柱距比屋架间距大时 用以支撑屋架 并将荷载 托架 传给柱 4 第一章绪论 屋 屋架与柱形成横向排架结构 承受屋盖上的全部竖 盖 或屋向荷载 并将它们传给柱 结 面梁 构 支撑小型屋面板 或瓦材 承受屋面板传来有檩体系屋 檩条 的荷载 并将它们传给屋架盖中采用 承受屋盖结构 吊车梁 外墙 柱间支撑等传同时为横向 捧架来的竖向和水平荷载 并将它们传给基础排架和纵向 柱排架中的构 柱 件 抗风承受山墙传来的风荷载 并将它们传给屋盖结也是围护结 柱构和基础 构的一部分 支 屋盖加强屋盖结构空间刚度 保证屋架的稳定 将 撑 支撑风荷载传给排架结构 体 柱间加强厂房的纵向刚度和稳定性 承受并传递纵 系 支撑向水平荷载至排架柱或基础 外纵厂房的围护构件 承受风荷载及其自重 纵墙山 墙 向 连系 连系纵向柱列 增强厂房的纵向刚度 并将风 荷载传递给纵向柱列 同时还承受其上部墙体 连 梁 的重量 系 加强厂房的整体刚度 防止由于地基不均匀沉 圈梁 降或较大振动荷载引起的不利影响 构 过粱 承受门窗洞口上部墙体的重量 并将它们传给 件 门窗两侧墙体 基础承受围护墙体的重量 并将它们传给基础 粱 承受吊车竖向和横向或纵向水平荷载 并将它简支在柱牛 吊车粱 们分别传给横向或纵向排架腿上 承受柱 基础梁传来的全部荷载 并将它们传 基础 给地基 5 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 1 3 我国单层钢筋混凝土柱厂房抗震设计的演变1 3 1 1 7 1 考虑到单层厂房的跨度大 承载力大 建筑高度较高以及室内多设置 有振动较大的设备等特点 要求单层厂房要有良好的抗震 抗振性能 对 单层厂房的抗震设计研究 国外主要是前苏联 南斯拉夫和罗马尼亚等国 我国与这些国家特别是前苏联的单层厂房结构体系类同1 2 1 众所周知 要 使单层厂房有良好的抗震性能 在进行抗震设计时 首先要考虑提高厂房 的整体抗震能力 而不是仅注重某个局部构件或部位的抗震能力的提高 厂房的抗震性能与厂房的平面和竖向的布置有关 裘大川 3 等人曾阐述了 单层厂房平面和竖向布置的基本设计原则是 厂房结构在平面和竖向布置 上尽量简单 体型规正 对称均匀 使厂房在地震作用下各部分结构变形 协调 受力均匀 不出现平面或竖向的局部刚度突变和应力集中 下面就 工业与民用建筑抗震设计规范 t j l l 7 8 3 简称 7 8 规范 建筑抗震设计规范 g b j l l 8 9 4 j 简称 8 9 规范 及 建筑抗震设计规范 g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 5 简称 2 0 0 1 规范 三个规 范对单层钢筋混凝土柱厂房的主要规定进行了对比 结构布置和构件选型的对比见表1 2 表1 2 钢筋混凝土柱厂房结构布置和构件选型的主要规定对比 项 7 8 规范8 9 规范2 0 0 l 规范 目 平 采用等高 复杂体采用等高 坡屋不宜设于角部 复 同8 9 规范 补充过度 面型或者有坡屋时宣 杂体型或者坡屋宜分缝 山墙需设跨 吊车梯位 平台 布 分缝 屋架 不用山墙承重隔墙要求 置 天窗采用轻质屋 出屋面天窗架宜用钢架 6 8 度混同8 9 规范 补充 要 天 面 9 度时采用钢天凝土天窗架用矩形截面 9 度用下求侧板用轻材 6 7 窗窗架或重心低的下沉式天窗 屋盖和端壁宜用轻材 度时不要求从第三柱 沉式天窗宜自第三柱间开始设置间设天窗 屋 未说明一般用钢筋混凝土屋架 大跨或高同8 9 规范 补充 有 烈度采用钢架 大柱距采用混凝土 出屋面天窗不用空腹 架 托架混凝土屋架 排未说明8 9 度不宜用壁柱或腹板开孔 预同8 9 规范 架 制的工字型混凝土柱 柱底和阶形 柱 柱用矩形截面 大柱距用方柱 支 未说明 柱间支撑宜用型钢同8 9 规范 增加 屋 撑 盖支撑宜用型钢 围宜采用钢筋混凝土宜用轻质或大型墙板 封墙和悬墙同8 9 规范 护大型墙板或轻质板用轻质 砌体墙宜外贴 墙材 6 了适当的加强 单层钢筋混凝土柱厂房抗震计算的主要规定对比见表1 3 表1 3 单层钢筋混凝土柱厂房抗震计算的主要规定对比 项 7 8 规范8 9 规范 2 0 0 l 规范 目 验7 度时i 类场6 度时不验算 7 度时i i i 类场同8 9 规范 算地混凝土柱高 地混凝土柱高 l o m 且两端有山 范 3 0 0 节点连 接太弱 不能满足纵向地震作用的需要 天窗立柱的破坏主要是天窗支撑 破坏后 天窗立柱独自承担纵向地震作用的后果 另外立柱根部的变形若 受到较大的约束时也会导致根部破坏i l 引 2 3 排架柱体系的震害 单层厂房中的排架柱是承受屋盖体系 吊车梁 外墙 柱间支撑等传 来的竖向荷载和水平荷载的主要构件 排架柱除应满足承载力的要求外 还应保证具有足够的刚度 以免厂房变形过大 造成吊车轮与轨道过早磨 损 影响吊车的正常运行 或导致墙体和屋盖产生裂缝 影响厂房的正常 使用 设计排架柱时除了考虑吊车起重量和柱的类型两个因素外 还应考 虑厂房跨数和高度 围护结构的材料和构造以及施工和吊装等因素 一 h i r l i t l loo 审 和口l 口 图2 1 5 常见排架柱型式 钢筋混凝土排架柱一般由上柱 下柱和牛腿组成 其结构型式 l l 可概 括为单肢柱和双肢柱两类 上柱一般为矩形截面或环形截面 下柱的截面 形式较多 根据其截面形式可分为矩形截面柱 工形柱 双肢柱和管柱等 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 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 柱底至室内地坪以上5 0 0 m m 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 此外 柱子的抗侧移 刚度不宜过大 以防止因刚度增大而导致厂房地震作用的显著增大 引起 对厂房总体抗震的不利 在设计柱截面时 要合理配筋以提高柱子的延性 使其在进入弹塑性工作阶段后 仍具有较好的变形能力和强度 5 1 单层厂房中的钢筋混凝土柱作为主要受力构件 一般情况下在静力设 计中考虑了类似水平地震作用的风荷载及吊车水平制动力的作用 所以在 一般情况下 不等高厂房除外 7 度区无明显震害 8 9 度区裂而不倒 个别比较严重者 发生有上柱根部折断的震害 1 0 度及以上地震区有部分 厂房发生倾倒 g l i t 2 1 2 3 1 柱顶震害 前已提及屋架与柱的连接处的震害是受到屋架和柱本身的双重影响 邛儿旺j 柱项直接承受来自上部体系强大的纵向 横向和竖向地震作用 使 柱头处于压 弯 剪的复杂应力状态 柱项设计欠妥 如截面和配筋都较 小 抗压抗弯不足 从而导致截面错位 发生裂缝 锚筋拔出 混凝土压 碎等震害 对于设有柱间支撑的柱以及同一排架各跨内均停放有吊车的 柱 受水平地震作用影响更大 柱头部位更易发生上述震害 如图2 1 6 所 示 除上述原因外 还要特别注意柱顶处的侧向约束的设置 震害表明 贴靠生活间或有砖砌隔墙 或位于山墙转角处的排架柱柱头易因短柱效应 破坏比较严重 如图2 1 7 所示 针对柱顶所出现的以上震害现象 不仅要 图2 1 6 汶川地震中 i 匹lj l l 蓝星机械某 厂房柱顶裂缝 1 7 i7 警j 黾j j 霉鹫 隧 镁 图2 1 7 汶川地震中 某厂房柱与厂房 内平台连接处破坏 第二章单层钢筋混凝土柱厂房震害分析 改进柱头箍筋形式和配箍率 提高柱顶抗剪强度 还要对屋架与柱顶的连 接构造进行改进 使其具有较高的耗能能力 根据一机部抗震研究室和甘 肃工业大学等单位对常见屋架与柱顶的连接型式的试验研究 在不同的设 防烈度下采用不同的连接方式 基本烈度为7 度时 可采用焊接 8 度时 宜采用螺栓连接 9 度时 也可采用螺栓焊接 条件许可时 最好采用钢 板铰连接 双垫板连接 l i 2 3 2 上柱根部及牛腿震害f 舡i 1 1 2 l 震害表明 在8 度区 上柱就出现根部和吊车梁面标高处的水平裂缝 严重者出现混凝土酥落 主筋外露 更有甚者在高烈度区上柱发生断裂 不等高厂房更易出现此种震害现象 震害也更严重 如图2 1 8 2 1 9 所示 在唐山地震中 据一机部统计 在8 度区的天津重型机械厂共有2 7 个钢筋 混凝土柱的单层厂房 除去横隔墙间距小于6 0 m 的5 个车间外 其余2 2 个 车间中1 1 个出现这类裂缝 较严重的出现裂缝增大 受压区混凝土压酥 剥落 露筋 以至于钢筋压曲 上柱从根部折断的现象多发生在l o 度区 8 9 度区也有类似情况发生p j 分析以上现象产生的原因主要有 l i l 1 2 j 上柱截面刚度和侧向刚度相 对下柱较小 上柱根部位于刚度突变和应力集中的部位 抗弯强度不足时 便会产生上述震害现象 牛腿由于同时承受吊车梁传来的纵向荷载和竖向 荷载 在地震来临时 牛腿侧面易出现竖向裂缝以及牛腿下部发生劈裂破 坏 不等高厂房易产生的典型震害是高低跨交接处中柱支承低跨屋盖牛 腿以上柱截面普遍产生竖向裂缝 产生这种现象的主要原因是 不等高厂 房在地震作用下 受高阶振型的影响 高跨屋盖和低跨屋盖反向运动 导 圈2 1 8 汶川地震中 某厂房上柱根 部与吊车梁面处开裂 图2 1 9 汶川地震中 某厂房牛腿顶面 及侧面与支撑节点处裂缝 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 致支撑低跨屋架的牛腿部位的水平拉力增大 使牛腿产生斜向裂缝 高跨 部分的运动加大了上柱弯矩 引起了上柱根部水平裂缝的发生 2 3 3 下柱根部震害1 8 1 1 9 l l l o j 下柱根部震害现象主要出现在8 度及8 度以上震区 由于水平地震作用 过大 下柱截面强度不足 地坪以上至窗台这一区段的柱子常会出现横向 裂缝 纵向剪切斜裂缝 比较严重的是压弯破坏引起的混凝土压碎 纵筋 屈曲 如图2 2 0 所示 此种震害现象多见于在厂房中柱 特别是在设置支 撑以及地震时吊车所在排架柱 此外当柱间支撑与柱的连结点在室内地面 以上时 支撑传下来的力通过柱子传给基础 当柱子设计未考虑支撑的作 用 其抗剪强度不足时 支撑与柱子连接的下节点处产生局部开裂破坏 严重者出现柱根混凝土剥落 柱内纵筋沿厂房纵向压曲外鼓 在高烈度区 由于柱子根部破坏引起厂房倒塌或者屋架垮塌的现象多有发生 图2 2 0 汶川地震中 绵竹东方汽轮机厂 厂房排架柱柱根裂缝和酥碎 2 3 4 双肢柱及开孔工字形柱震害1 8 1 1 9 1 1 1 0 l 双肢柱有平腹杆和斜腹杆两种 前者构造简单 制作也较方便 在一 般情况下受力合理 而且腹部整齐的矩形开洞便于布置工艺管道 具有桁 架受力特点的斜腹杆双肢柱 侧移刚度比平腹杆要大 适于承受较大的水 平荷载 双肢柱相对工字型柱 自重轻 但是整体刚度较差 钢筋配置复 杂 通常开孔腹板工字型柱和平腹杆双肢柱的震害现象较为严重 破坏率 高 在8 度及8 度以上地区 平腹杆双肢柱由于柱身刚度较小 腹杆单薄 抗侧力刚度和强度较差 由于弯曲引起的竖向剪力使平腹杆的两端产生竖 向裂缝 或在平腹杆的中部出现斜裂缝 腹板开孔的工字形柱腹板上产生 第二章单层钢筋混凝土柱厂房震害分析 交叉裂缝或沿洞口周围产生放射形裂缝的震害现象也是由此原因造成的 在双肢柱出现裂缝以后 柱截面由整截面变为两个肢的并联 柱的抗弯能 力大大降低 对抗震十分不利 图2 2 1 2 2 2 为汶川地震中出现的双肢柱破 坏现象 图2 2 l 汶川地震中 某厂房双肢 柱其中一肢破坏严重 2 4 支撑系统的震害 s 1 1 9 i i l 2 l 图2 2 2 汶川地震中 某厂房双肢 柱平腹杆出现裂缝 屋盖支撑 天窗架支撑和柱间支撑是单层钢筋混凝土柱厂房的三大主 要支撑系统 主要布置形式如图2 2 3 所示 支撑的主要作用是 保证厂房 结构的纵向及横向水平刚度 在施工和使用阶段 保证结构构件的稳定性 将某些水平荷载传给主要承重结构或基础 在厂房支撑系统的震害中 以天窗架垂直支撑和厂房纵向柱列间的柱 间支撑最为严重 其次是屋盖垂直支撑和柱间支撑 在未进行抗震设防的 厂房中 支撑只按构造设置 间距过大 支撑数量不足 形式不尽合理 杆件刚度偏弱 强度偏低 节点构造单薄等 地震后即发生杆件压曲 部 分节点扭折 焊缝撕开 锚件拉脱等现象 也有个别杆件拉断的 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 图2 2 3 有檩屋盖支撑示意图 2 4 1 柱间支撑的震害 柱间支撑一般采用交叉钢斜杆组成 交叉倾角一般在3 5 0 5 5 0 之间 以4 5 0 为宜 钢杆件的截面尺寸需经强度和稳定计算确定 当柱间因交通 设备布置或柱距较大而不能采用交叉斜杆式支撑时 可以做成门架式支 撑 柱间支撑的功能主要是加强厂房的纵向刚度和稳定性 承受并传递纵 向水平荷载至排架柱或基础 柱间支撑是厂房抗纵向地震作用的主要抗侧 力构件 它集中了厂房纵向柱列的绝大部分刚度 在地震来临时 柱间支 撑最先耗散地震能量 控制厂房的侧向位移 进而减轻了厂房的纵向破坏 1 4 柱间支撑在抗震规范中有相应的计算方法和相关的构造措施 由此可 见柱间支撑在厂房整体耗能方面的重要性 历次地震震害资料表明 在7 度区 厂房柱和柱间支撑均无明显震害 8 度或9 度区 柱间支撑的破坏率较高 破坏特征是 杆架拉断 节点拉脱 支撑斜杆在平面内或平面外压曲 支撑杆压曲常伴随着另一肢杆的拉脱 如图2 2 4 2 2 5 所示 支撑交叉点节点板破坏 主要是节点板焊缝拉开 剪断等几种形式 此外 历次震害表明 下柱支撑的震害比上柱支撑重 中柱列支撑的震害比边柱列柱支撑重 外贴纵墙支撑的震害比嵌砌墙柱支 撑重 支撑杆件长细比大的比长细比小的重i l2 j i i 引 第二章单层钢筋混凝土柱厂房震害分析 杆件截面的长细比超过一定限度是造成柱间支撑的压曲破坏的主要 原因 在进行设计时 斜杆的长细比 有的按照受拉杆件控制 有的按照 受压杆件控制 在水平地震作用下 支撑的拉 压二杆是共同工作的 但 因为压杆的稳定极限强度很低 使压杆只能承受较小的地震内力 一旦作 用在其上的地震作用超过其稳定极限强度值时 压杆就立即失稳进入压曲 状态 长细比越大 压曲出现得越早 变形也越大 此外在拉 压支撑的 反复作用下 柱间支撑与柱连接节点出现预埋板变形 焊缝拉脱等破坏的 形式也是常见的震害现象 主要原因是节点预埋件的锚固和节点连接板的 焊缝强度以及柱的抗剪强度都满足不了保证支撑进入屈服状态工作的需 要 另有部分下柱根部配筋不足 难以承受支撑传下来的剪力而出现混凝 土压碎 钢筋屈曲而使锚板失效 l 引 图2 2 4 汶川地震中 某厂房下柱图2 2 5 汶川地震中 阿坝州某厂房 支撑屈曲柱间支撑被拉断 鉴于柱间支撑的重要作用 建筑抗震设计规范 g b 5 0 0 11 2 0 0 1 1 5 j 要求厂房柱间支撑的布置 应符合下列规定 1 一般情况下 应在厂房 单元中部设置上下柱间支撑 且下柱支撑应与上柱支撑配套设置 2 有 吊车或8 度和9 度时 宜在厂房单元两端增设上柱支撑 3 厂房单元较长 或8 度i i i 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 在设计中除满足布置要求外 规范还规定了支撑材料 长细比以及 节点构造措施 以确保其连接破坏不能早于杆件破坏 支撑 柱二者轴线 交与基础 避免柱根部的受剪破坏 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 置i 葺i i i i i i i i 置 2 4 2 屋架支撑和天窗架支撑的震害 屋架支撑系统包括屋架上 下弦水平支撑 屋架间的垂直支撑 纵向 水平系杆等 其中上 下弦水平支撑属于横向水平支撑 主