单层多跨钢结构厂房的结构设计及地震作用分析 李坡摘要：在工业化的大规模发展下，厂房结构愈加复杂化，其跨度也越来越大。 在工业生产过程中，钢结构厂房具有结构安全性高、经济性及周期短等特点，已 被广泛应用在工业化建设中。但为了保证钢结构具有较好的韧性以及塑性，能够 很好的吸收地震能量，进一步研究单层多跨钢结构厂房的结构设计及地震作用是 非常有必要的。基于此，本文主要分析了单层钢结构厂房结构设计，并探讨了单 层多跨钢结构厂房地震作用，以期提供有力的帮助，优化单层多跨钢结构的厂房 结构设计。关键词：单层多跨钢结构厂房；结构设计；地震；分析前言：工业厂房的设计对厂房的结构布局、经济性以及进度等指标要求比较 高，要求厂房的布局需要同生产工艺相一致，能保证厂房结构安全的同时获得利 润的最大化，并且施工进度对工业早日投产也有着较大的影响。单层钢结构厂房 相比传统混凝土结构来说，自重小，跨度大，施工周期比较短，对环境影响小， 也有利于回收，在工业生产中具有较好的应用前景。此外，钢结构具有较好的韧 性以及塑性，能够很好的吸收地震能量，进行单层钢结构厂房的设计过程中，还 需要充分考虑到地震对结构的影响，地震作用会对钢结构厂房的柱底以及柱顶造 成不小的影响，设计人员必须要进行充分的抗震验算，确保结构安全。在单层钢 结构厂房的设计中，设计人员必须要根据生产企业的需求开展厂房的设计，对厂 房结构柱网及跨度等进行分析，确保结构能够满足客户的需求。本文结合某工程 对单层多跨钢结构厂房的结构设计进行研究。1 单层钢结构厂房结构设计分析1.1 工程概况本工程为5连跨的单层钢结构厂房，长度为362m，宽度为132m，建筑面积 47784 m?。抗震设防烈度为8度，基本地震加速度值为0.2g；基本风压为0.6kN/ 设计年限为50年，结构安全等级设计为二级。1.2 钢结构厂房柱网的设计对于钢结构厂房柱网的设计来说，必须要保证生产工艺以及厂房结构安全、 经济性等指标。单层钢结构厂房的柱网设计包括横向柱网、纵向柱网以及伸缩缝 的设计。柱网设计应当按照标准化设计来保证建筑的工业化，通过这种措施能够 有效的保证施工效率，从而提高施工进度，实现了钢结构厂房施工的成本控制， 同时也能保障施工质量。需要注意的是，产品标准化必须要将钢结构厂房的一些 节点进行标准化设计，此外，在进行钢结构厂房的设计时，我们还可以将柱网的 纵向柱距进行模数化设计。在进行工业厂房的设计时，钢结构厂房横向跨度通常 选择3m的倍数，纵向柱距模数现状为6m的倍数。对于吊车梁以及檩条等连接 构造选择为相同的形式，为标准化生产提供帮助。1.3 钢结构厂房横向跨度的设计对于钢结构厂房横向跨度的设计来说，首先根据生产工艺要求进行，其次对 厂房的横向、纵向刚度及强度进行计算，在设计过程中必须要最大限度的统一柱 距，提高施工效率的同时，也能帮助日后的厂房维护。横向跨度的设计主要是根 据生产设备以及操作人流量等工艺专业来确定具体尺寸，纵向柱距则是依据工艺 专业来明确建筑以及结构的具体要求。1.4 钢结构厂房纵向柱距的设计传统混凝土结构厂房的柱距设计一般为6m,对于钢结构厂房的柱距来说，则 可以选择为6m、9m、12m、15m等尺寸，随着技术的成熟，也出现了 18m，甚 至是21m的柱距尺寸。本工程的纵向跨度为362m，在进行设计时可以选择9m、 12m、 15m 这三个柱距方案来进行对比，进而选择一个最优的方案。对于单层多 跨钢结构厂房来说，厂房的排架系统是其最主要的核心，该系统包括钢柱以及钢 梁，是关键的受力区域，能够承载吊车荷载、地震作用以及各种活荷载，最终将 荷载传递到基础。并且国家的设计规范也要求钢结构厂房在 150m 时设置伸缩缝， 该工程需要设置两道伸缩缝。在上述三种方案中，柱距尺寸为 9m 时用钢量最小； 12m 时的排架柱总用钢量最小。但是柱距的设计中，不能仅仅从一榀钢架的用钢 量来选择，必须要综合整个钢结构厂房的用钢量，确定最佳方案。本工程地质条 件不是很好，最终确定采用预应力管桩来进行基础施工。我们通过对比分析，能 够发现，选择 15m 柱距时，既能满足生产要求，同时能够保证结构安全，此外， 15m 柱距作为基础时，预应力管桩数量最少，并且钢架的总榀数也是最少，经济 性比较好。综合经济性、吊车梁、排架柱以及桩基础等多方面因素的影响，本工 程钢结构厂房的纵向柱网最佳柱距尺寸为12m。2 单层多跨钢结构厂房地震作用分析2.1 抗震设防概述 结构进行抗震设计主要是为了降低地震对建筑物造成的影响，保证结构及人员的安全。在进行结构设计必须要满足 “小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求， 通过一定的设计保证结构的承载力及变形要求。地震作用对建筑结构的影响非常 大，在进行设计时必须要重点进行考虑。单层钢结构厂房的抗震设计，主要是对 结构承受的地震引发的动态作用，包括地震加速度以及位移等作用。这种作用是 短时间的作用，由水平地震作用以及竖向地震作用构成。其中，竖向作用对大跨 度的厂房影响非常大。地震作用主要具有偶然性、可变性以及灾难性等特点。2.2 地震作用的计算 地震作用的计算一般有底部剪力法、振型分解反应谱法以及时程分析法等。本工程的地震作用分析选择振型分解反应谱法来进行。它主要是通过以下步骤来 实现：（1）反应谱；地震反应谱受到体系阻尼比、振幅以及频谱等因素影响， 需要专门的结构抗震设计反应谱来确定，并且不同地区的反应谱也不同。（2） 地震影响系数；对于建筑结构的设计来说，阻尼比一般选择为0.05，地震影响系 数曲线的阻尼调整系统选择为1.0，形状参数遵循内容为：直线上升段周期小于 0.5的区段、水平段为0.15至特征周期的区域（取最大值）、曲线下降段的衰减 指数为 0.9，对于直线下降段来说，下降斜率调整系数为 0.02。下图为建筑抗震 设计规范中设计用地震影响系数曲线图：（3）数据采集；对于钢结构厂房来说，必须要对一些关键节点进行数据的采 集。（4）分析多遇地震下的谱分析结果。通过对单层多跨钢结构厂房的反应谱 进行分析，我们也能发现，地震作用的时间越长，钢结构厂房的位移反应也就越 大，并且，地震加速度越大，结构出现的位移以及节点所受到的内力也越明显。 此外，设计工作人员还要对刚架柱顶以及柱底等部位进行重点分析，确保结构的 安全。结束语：综上所述，本文主要简单分析了单层多跨钢结构厂房的结构设计，并进一步 阐述了钢结构厂房的横向跨度以及竖向柱距。通过研究我们也能发现，在单层多 跨钢结构厂房当中，排架柱系统的用钢量最大，在设计时需要注意对排架柱系统 进行适当的优化，减少结构的用钢量。同时，12m柱距的设计也能适当降低工程 的成本。通过对地震作用的分析，我们也能保证单层多跨钢结构厂房结构的安全 性以及合理性。此外，在设计时，我们还需要注意对施工现场的运输以及安装等 综合进行考虑，并且钢结构厂房的设计还需要考虑到风荷载的影响，进一步保障 结构的安全。参考文献：钱坤.单层大跨钢结构厂房施工技术要点及质量控制措施J.中国科技信息， 2005（24）：127.2中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范.中国建筑工业出 版社， 2010.王志刚.兰州铁路局采石段轨枕厂房轻钢结构的抗震分析与设计D.浙江大 学硕士论文， 2002.