钢结构震害分析与厂房钢结构抗震设计

摘要：我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，在历次地震中，钢结构建筑事故屡有发生，其中包括许多厂房钢结构。因此进行钢结构震害分析，明确厂房钢结构抗震设计思路是极其重要的。本文结合笔者多年的工程经验、汶川地震现场调研以及厂房钢结构理论分析计算，明确了地震中钢结构震害的特点，并针对厂房钢结构，提出了需要进行抗震设计的五种情况及相应的设计要点。关键词：震害分析，厂房，钢结构，抗震设计

摘

要：

我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，在历次地震中，钢结构建筑事故屡有发生，其中包括许多厂房钢结构。因此进行钢结构震害分析，明确厂房钢结构抗震设计思路是极其重要的。本文结合笔者多年的工程经验、汶川地震现场调研以及厂房钢结构理论分析计算，明确了地震中钢结构震害的特点，并针对厂房钢结构，提出了需要进行抗震设计的五种情况及相应的设计要点。

关键词：

震害分析，厂房，钢结构，抗震设计

1 引言

全世界地震主要分布于环太平洋地震带和欧亚地震带。我国位于地球的两大地震带之间，是地震灾害最严重的国家之一。2008年5月12日汶川特大地震（M8.0）造成了巨大的生命财产损失，其中大部分是由于大量建筑物倒塌造成的。提高结构的抗震性能，进行具有足够安全系数的抗震设计，对于国计民生有着极其重要的意义。

相比于钢筋混凝土结构，钢结构在抗震方面有着巨大的优势。但是在近期世界范围内的大型地震中，包括美国Northridge地震、日本阪神地震、土耳其伊比米特地震、台湾集集地震以及汶川地震等，钢结构房屋倒塌的现象仍屡有发生。因此，进行钢结构震害分析是十分必要的。进一步讲，在钢结构建筑中，厂房钢结构占据很大比例。厂房钢结构在地震下的安全性也更为重要，一是会影响到工厂中工人的生命财产安全，二是会严重影响生产生活，甚至对震后的救灾带来许多不便。因此，对于厂房钢结构的抗震性能进行研究分析，并在此基础上提出合理的抗震设计方法是至关重要的。

本文结构笔者多年的工程经验和震后实地调研，重点分析了汶川地震中钢结构的震害情况，并提出了厂房钢结构抗震设计的诸多要点。由多例工程实例表明，笔者的厂房钢结构抗震设计理念可以有效地保证结构安全性和经济性的要求。

2 钢结构震害分析

2.1 典型国外地震介绍

2.1.1 Northridge地震

Northridge地震发生于1994年，里氏6.7级。诺斯里奇地震时，H形截面的梁柱节点的典型破坏形式。由图中可见，大多数节点破坏发生在梁端下翼缘处柱中，这可能是由于混凝土楼板与钢梁共同作用，使下翼缘应力增大，而下翼缘与柱连接焊缝又存在较多缺陷造成的。

2.1.2 阪神地震

阪神地震发生于1995年1月，里氏7.2级。阪神地震中钢结构主要破坏形式为带有外伸横隔板的箱形柱与H型钢梁刚性节点的破坏。连接裂缝主要向梁的一侧扩展，这主要和采用外伸的横隔板构造有关。阪神地震中有钢结构房屋倒塌现象，但这些钢结构大多是1971年以前建造的，当时日本钢结构设计规范尚未修订，抗震设计水平还不高。

2.2汶川地震中建筑震害特点
2008年5月12日14点28分我国四川汶川发生里氏8.0特点地震，造成巨大生命财产损失，其中大量建筑物倒塌是主要原因。地震发生后，应四川省建设厅要求和建设部指派，清华大学土木工程系先后排出两支专家组奔赴四川参加抗震救灾，主要进行震后害房屋安全排查。笔者作为首批专家组成员，于5月16日～5月26日在绵阳市建设局和房产局统一安排下，深入绵阳市、江油市、安县、梓潼、平武等灾区，对主要公共建筑、学校、医院、政府办公楼等进行房屋安全排查。根据排查结果，得到汶川地震中建筑震害有如下特点[1]：
（1）我国房屋建筑抗震安全储备和设计水平逐渐提高，从74抗震规范到89抗震规范到2001规范，建筑震害有明显减轻趋势。按照89和2001抗震规范设计并保证施工质量时，总体上能够达到预期的抗震性能目标。
（2）大量砖混结构，特别是一些没有设圈梁和构造柱的旧建筑发生整体倒塌，甚至粉碎性倒塌，造成惨重损失。
（3）框架-砌体结构由于竖向或水平混合，地震反映明显。对于竖向混合（底部框架上部砖混），多为底部软弱层破坏；对于水平混合，多为结构体系混乱，刚度不协调，从而导致严重破坏。
（4）框架结构主体结构震害较轻，主要破坏发生在围护结构和填充墙。但特别需要注意的是，地震中发生了许多柱端破坏，这是由框架梁刚度较大造成的。
（5）总体来说，汶川地震中钢结构震害相对较小，这恰好说明钢结构建筑具有良好的抗震性能，适合在高烈度区应用，但是也有许多钢结构工程事故实例。这些实例主要表现在：
1）传统重屋盖钢结构工业厂房

2.3 钢结构震害分析
钢结构房屋在强震作用下，往往表现为强度足够，但侧向刚度不足。钢结构的破坏形式主要为：
（1）框架节点区的梁柱焊接连接破坏
（2）竖向支撑的整体失稳和局部失稳
（3）柱脚焊缝破坏及锚栓失效
具体而言，构件的破坏包括翼缘的屈曲、拼接处的裂缝、节点焊缝处裂缝引起的柱翼缘层状撕裂、框架柱的脆性断裂，腹板屈曲和裂缝、截面扭转屈曲。当梁或柱在地震作用下反复受弯，以及构件的截面尺寸和局部构造如长细比、板件宽厚比设计时，可能产生构件的局部屈曲破坏。

支撑构件为结构提供了较大的侧向刚度，当地震强度较大时，承受的轴向力（反复拉压）增加，如果支撑的长度、局部加劲板构造与主体结构的连接构造等出现问题，就会出现破坏或失稳。如图11所示。
由于钢结构节点传力集中、构造复杂，施工难度大，容易造成应力集中、强度不均衡现象，再加上可能出现的焊缝缺陷、构造缺陷，就更容易出现节点破坏。节点域的破坏形式比较复杂，主要有加劲板的屈曲和开裂、加劲板焊缝出现裂缝、腹板的屈曲和裂缝。如图12所示。
1 厂房钢结构的抗震设计
1.1 厂房钢结构简介
传统工业厂房包括钢筋混凝土厂房和钢屋架厂房。钢筋混凝土厂房由钢筋混凝土柱、钢筋混凝土屋架或钢屋架组成，具有“肥梁、胖柱、重盖、深基”的特点。厂房结构跨度大，构件延性及强度储备较低；自重大，地震反应强；墙面多采用砖砌体，抗倒塌能力差。钢屋架厂房由钢柱、钢桁架屋盖组成。结构屋盖自重大，地震反应强；整体刚度差；施工较为复杂。传统工业厂房的这些特征大大降低了钢筋混凝土厂房的抗震性能，要达到抗震设计的要求，其经济成本将大幅提高，因此有必要开发并选取新型的厂房钢结构形式，以满足抗震设计的安全性和经济性的要求。
轻型钢结构是在普通钢结构的基础上发展起来的一种新型结构形式，它包括所有轻型屋面下采用的钢结构。轻型钢结构最常见的形式为单层轻型房屋，一般采用门式刚架、屋架和网架为承重结构，其上设檩条、屋面板(或板檩合一的轻质大型屋面板)，下设柱(对刚架则梁柱合一)、基础，柱外侧有轻质墙架，柱内侧可设吊车梁。目前工业厂房多采用轻型房屋门式刚架结构。图13为典型的轻型房屋门式钢架结构。

3.2 轻型房屋门式刚架结构的抗震设计
在实际的工程设计中，由于门式刚架轻型房屋钢结构采用薄壁型钢檩条墙架梁、轻质高强屋面和墙体材料，地震作用相对小，结构计算通称由风荷载组合起控制作用，具有良好的抗震性能。笔者所带领团队自98年以来在四川设计了约50多个轻钢厂房项目，到目前尚未接到地震损坏报告。现行的钢结构相关设计规范中，《建筑抗震设计规范》(GB50011)中明确规定，该规范不适用于单层轻型钢结构厂房。其抗震设计应遵循《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102: 2003)，其中包含如下规定[2][4]：
（1）由于单层门式刚架轻型房屋钢结构的自重较小，通常7度地区可不作抗震验算，8度及以上地区应作抗震验算，局部夹层的也需进行抗震验算。
（2）对轻型房屋钢结构，当由地震作用效应控制结构设计时，尚应针对轻型钢结构的特点采取相应的抗震构造措施。
（3）门式刚架轻型房屋钢结构高度不大于40m，以剪切变形为主，且质量及刚度沿高度分布比较均匀，可以采用底部剪力法计算。
根据使用功能的不同，将常用的轻型房屋钢结构工业厂房分为四类：
（1）单层门式刚架厂房（不带吊车）
（2）带吊车的单层门式刚架厂房
（3）带夹层的门式刚架厂房
（4）四周为砖墙围护的门式刚架厂房
以下将通过一系列算例，验证地震作用对以上四类门式刚架轻型房屋钢结构的影响。计算的原始参数参见表1，表2和表3。

门式刚架厂房按横向平面结构进行计算。对承载能力极限状态，按荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计；对正常使用极限状态按荷载效应的标准组合进行设计。计算简图参见图14所示。
为了方便比较，以结构高度作为变化参数，同时控制结构各个构件的使用应力达到材料设计值的水平（即为应力水平）。结构计算柱距取为7.5m[5]，在分析比较风荷载作用组合与地震作用组合对结构的影响时，抗震设防烈度取8度，Ⅱ类场地，地震分组为第一组。
3.2.1 单层门式刚架厂房（不带吊车）

厂房荷载参数如表1所示，考虑风载工况组合、地震工况组合对柱顶侧移的影响。分析这种结构时，结构的几何参数不变。规程规定该类单层门式刚架厂房柱顶位移限值为h/60 (h为结构檐口处高度) 。
计算主要结论如下：
（1）由图15可知，对于相同的结构计算几何参数和计算荷载参数，结构周期与结构自重都是一个定值，随着地震作用的增大，结构的应力变化很小，结构的柱顶侧移也随之加大，在图2中其影响曲线为一下降的曲线。但是，地震作用组合工况仍不是结构的控制工况。
（2）由图16可知，如果结构高度较小，控制结构的是：恒荷载+活荷载，而风荷载组合与地震作用组合对结构的影响很小。结构柱的应力比控制为：0.71～0.86，结构梁的应力比控制为：0.64～0.92。随着结构高度的增加，风荷载组合对结构的影响逐渐增加，取代“恒荷载+活荷载”而成为结构的控制工况；随着结构高度的增加，结构周期也随之增大，结构的自重也随之增加，地震作用组合对结构的影响变化不大，在图16中地震作用的影响曲线基本是一水平线。在结构高度较小时，对结构侧移影响大于风荷载组合，随着结构高度增加，风荷载组合逐渐成为控制工况，而地震作用组合对结构侧移的影响始终满足结构对侧移的控制要求。
因此，对于这种结构类型，随着结构高度增加，风荷载组合逐渐成为控制工况，而地震作用组合对结构的影响不大，可以不必计算。
3.2.2 带吊车的单层门式刚架厂房
带吊车单层门式刚架工业厂房的荷载参数根据表1和表2中数据确定，计算风载组合工况和地震作用组合工况对牛腿处和柱顶侧移的影响[6]。分析这种结构时，需调整结构几何参数，使其满足结构设计要求。带吊车的单层门式刚架厂房柱顶位移限值应满足h／400。
计算主要结论如下：
（1）由图17可知，对于相同的结构计算几何参数和计算荷载参数，其周期与自重都是一个定值，随着地震作用的增大，结构的侧移也随之加大，牛腿处侧移与柱顶侧移动变化趋势是一致的，在图17中为一下降的曲线。由于结构参数条件未做改变，随着地震作用的增大，结构的侧移超出规程允许值。但是，地震作用组合工况仅是结构侧移的控制工况，不是结构强度的控制工况。
（2）由图18可知，随着结构高度的增加，风荷载组合对牛腿处的侧移是逐渐增大的，但不是结构的控制工况。而地震作用组合的影响总体趋势上基本保持不变，主要因为：1)、结构高度变化时，而牛腿处的标高不变，即为6m；2)、随着结构高度增加，结构周期随之增大，结构的自重也有所增加。结构柱的应力比控制为：0.61～0.69，结构梁的应力比控制为：0.59～0.89。因此，随结构高度的变化，地震作用组合对牛腿处的侧移是基本上变化不大的，在图18中基本是一水平线。
（3）由图19可知，随着结构高度的增加，二者的变化趋势是一致的。其中，风荷载组合对高度的变化较为敏感，随着高度的增加趋势更显著，但一直未超过地震作用组合。地震作用组合对高度的变化不敏感，在建筑高度较小时，对侧移的影响大大超出风荷载组合的作用，地震作用组合一直是柱顶侧移的控制工况。

从上述结果可以看出，在带吊车的门式刚架厂房里，地震作用组合是侧移的控制工况，在进行设计时，应该考虑抗震验算。
3.2.3 带夹层的门式刚架厂房
这种结构形式不同于多层结构，也不同于一般的单层门式刚架工业厂房结构。较为常见的是在单层门式刚架工业厂房局部设计成为二层或多层办公室，常常与单层门式刚架工业厂房一同建设。一般下部为框架结构，上部为门式刚架结构，因此不能用一种规范或规程计这种结构。对于这种混合结构，下部结构根据多层结构规范设计，而上部则采用门式刚架规程设计比较合理经济。
由于夹层结构的恒载和活载均远大于门式刚架，因此地震作用较大，地震作用组合成为这种结构形式的设计控制工况。分析这种结构时，需根据地震作用与厂房结构高度调整结构的几何参数，使其满足结构设计要求。
局部夹层的门式刚架工业厂房的结构参数和荷载参数根据表1中数据确定，夹层处的标高为4.0m，改变结构高度，计算分析风荷载组合与地震作用组合对夹层主梁处和柱顶侧移的影响。
计算主要结论如下：
（1）由图20可知，随着地震作用的增大，结构侧移也随之加大。对于这种结构形式，地震作用组合工况是其控制工况。因此，随着地震作用的增加，必须要增大原结构的截面参数，使其满足结构设计要求。由于增大结构的截面参数和地震荷载，结构的周期基本不变，结构自重稍有增加，图20中的曲线不如图2和图4中曲线光滑，随着地震作用的增大，结构的侧移也随之加大，夹层处侧移与柱顶侧移动变化趋势是一致的，在图7中为一下降的曲线。地震作用组合工况是这种结构形式的控制工况。

（2）由图21可知，地震作用随着结构高度的增加而减弱。风荷载组合则是随之增加，风荷载组合对结构的侧移的影响较地震作用要小，地震作用组合成为结构侧移的控制工况。边柱的应力比控制为：0.53～0.54，中柱的应力比控制为：0.8～0.84，梁的应力比控制为：0.55～0.59（屋面梁），0.89～0.95（夹层主梁），计算夹层主梁未考虑混凝土对主梁的组合作用。对下部结构的控制应根据多层结构的相应规范，地震作用控制层间位移角为1/300，风荷载作用控制层间位移角为1/400。
（3）由图22可知，地震作用组合随着结构高度的增加变化不明显，而风荷载的变化同图21。上部结构的控制应根据门式刚架技术规程，控制柱顶侧移。

这种结构一般为地震作用组合控制，设计时时必须计算这种工况，但应依据不同规范和规程设计上部结构和下部结构。因此，对于这种结构应根据不同的规范或规程进行设计控制，不可单纯使用一种规范和规程来设计。
1.1.1 四周为砖墙围护的单层门式刚架厂房
这种结构类型同单层门式刚架工业厂房相比，主要区别在于：维护结构的不同，四周为轻质彩板维护，对柱顶侧移控制相对较松；四周为砖墙维护，对柱顶侧移控制较严。
四周为砖墙围护的单层门式刚架厂房受力和变形有如下特点：
（1）砖墙和刚架所受荷载有所不同。屋面的风荷载由门式刚架承受，墙面的风荷载主要由墙体承受；对于地震作用，门式刚架承受钢结构和屋面受的荷载，砖墙承受自身所受的地震作用。为了保证砖墙的自承重，应该按照砌体结构规范在砖墙内部设置构造柱和圈梁。
（2）砖墙和刚架柱属于两种完全不同的结构，它们的周期和振型差别比较大，在荷载作用下它们的变形不协调。砖墙维护与承重结构之间留有一定的施工缝隙，结构在风荷载和地震作用下产生的最大侧移必须小于施工缝隙，防止它们之间的碰撞。
（3）门式刚架柱平面外无墙体作用时，柱平面外稳定问题突出，特别是厂房较高时，应根据计算需要设置一道或者多道柱间系梁，减少柱平面外长细比。同时系梁的布置在纵向方向要保证与柱间支撑协调传力。
综上，四周砖墙围护的单层门式刚架在设计计算上与一般的单层门式刚架工业厂房有所区别，抗震措施也有很大不同，并且在侧移控制要严于单层门式刚架工业厂房。

1.1.2 抗震设计要点
综上分析，对于轻型房屋门式钢架钢结构，下列情况需要进行抗震设防：
（1）高烈度区，8度以上
（2）吊车吨位较大，或工作制较高
（3）带夹层或局部带夹层
（4）带砖混维护墙
（5）屋盖悬挂荷载较大
这些类门式刚架厂房中，地震作用明显，可能起控制作用，设计中需要考虑抗震。
总结上述分析结论，可得各典型情况下的抗震设计要点为：
1）带吊车的门式刚架结构
? 当吊车吨位较大（15吨以上），或工作制较高（A5以上），应进行抗震设计。
? 随着地震等级提高，地震荷载逐渐超过风荷载，成为结构侧移的控制荷载，但不是结构强度控制工况；
? 在结构设计中，应考虑采用地震组合工况对结构侧移进行验算。
? 随着结构高度的增加，风荷载对结构的影响超过地震荷载
2）带夹层或局部夹层的门式刚架
? 地震组合为控制工况，设计时必须考虑，应根据不同的规范和规程分别设计上部结构和夹层；
? 夹层下部结构应采用多层结构设计规范，厂房上部结构根据门式刚架技术规程进行设计。
3）四周为砖墙围护的门式刚架
? 为了保证砖墙的自承重与抗震性能，应根据规范要求设置圈梁及构造柱；
? 砖墙与刚架在荷载下变形不协调，需要预留一定的施工缝隙，并作好柔性连接构造；
? 四周为砖墙围护的门式刚架对侧移的控制要求严于相应的门式刚架，其侧移要小于施工缝隙，而且还要保证砖墙与承重结构连接可靠。
? 门式刚架计算时应考虑砖墙围护地震作用影响。
4）屋盖悬挂荷载较大的门式刚架
? 屋盖较大的悬挂荷载对门式刚架影响较大，计算时应考虑地震作用。
? 除了对刚架截面影响较大外，往往对刚架节点设计带来影响，端板上螺栓布置困难，尚无可靠的计算方法。
下面根据上述几种类型，给出笔者参与的几个工程实例图片：

现行CECS102:2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》对结构的跨度、吊车吨位和柱距有一定要求。即：吊车吨位大于20t、吊车工作制大于A5。当不满足限制条件时，不能按现行CECS102:2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》进行设计，必须按照普通钢结构设计规范（GB50017-2003）进行设计。笔者结合多年工程经验，建议采用轻型围护门式刚架普通钢结构。其主要技术要求为：
（1）主承重结构采用门式刚架（包括格构式截面）；
（2）围护结构采用冷弯薄壁型钢和压型钢板；
（3）门式刚架柱截面和吊车梁截面等承重结构按《钢结构设计规范》设计（包括抗震设计）；
（4）门式刚架梁截面和檩条、墙梁、支撑等按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》设计；
（5）节点采用端板连接节点，或采用栓焊混合连接节点；
以笔者参与的多个工程为例，可知这种结构形式可带来较好的经济效益。其抗震设计方法应分别遵循《钢结构设计规范》和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的要求即可，在此不再赘述。

1 结语
(1) 汶川地震中钢结构震害相对较小，这说明钢结构建筑具有良好的抗震性能，适合在高烈度区应用，但是在传统重屋盖钢结构工业厂房、大跨度公共建筑的围护结构以及轻型房屋钢结构的围护结构和节点等仍存在钢结构事故实例。
(2) 钢结构房屋在强震作用下，往往表现为强度足够，但侧向刚度不足，且焊缝连接处常常发生脆性破坏。应采取措施提高结构侧向刚度，提高焊接质量。
(3) 单层门式刚架随着结构高度的增加，风荷载成为其设计的控制工况，而地震作用对结构的影响很小，对于设防烈度不高的地区可以不必计算。
(4) 带吊车的门式刚架地震作用组合对结构侧移的影响一般要大于风荷载组合，应该计算地震荷载对结构的影响。
(5) 局部夹层的下部结构地震作用是其控制工况，必须根据多层结构的设计规范进行设计，上部结构则根据门式刚架技术规程进行设计。
(6) 四周维护为砖墙的单层门式刚架对侧移的控制要求要严于相应的门式刚架，其侧移控制要小于施工缝隙，而且还要保证砖墙与承重结构连接可靠，减小刚架柱平面外的计算长度，提高平面外的稳定性。
(7) 屋盖较大的悬挂荷载对门式刚架影响较大，计算时应考虑地震作用。
(8) 当结构的跨度、吊车吨位和柱距不满足CECS102:2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》的限制要求时，建议采用轻型围护门式刚架普通钢结构。

参考文献：
1 汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告。中国建筑工业出版社，北京，2008.8。
2 CECS102：2003，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2003.
3 GB50011-2002，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
4 申林，蔡益燕. <门式刚架轻型房屋钢结构技术规程> 修订介绍[J].建筑结构，2002（9）.
5 王元清，王春光.门式刚架轻型房屋钢结构工业厂房最优柱距研究[J].工业建筑，1999，（6）.
6 王元清，章军等. 带吊车门式刚架轻钢结构厂房基础反力的计算与设计[J].工业建筑，2002，（12）.

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