钢结构厂房空间抗震研究

钢结构厂房空间抗震研究

王健

沈阳铝镁设计研究院有限公司辽宁沈阳110001

摘要：近年来随着铝行业的高效发展，在我国西部及西北部大量兴建电解铝或是氧化铝的工业基地，其中大部分结构都在采用钢结构形势，施工速度快，抗震性能优越，造价相对较低，能达到投资者快速盈利的目的。钢结构厂房一般都是刚度和质量分布严重不均匀的建筑物，由于工艺条件的特殊性，结构形式复杂多样，抗震设计尤为关键，本文采用有限元分析方法，建立钢结构厂房的空间有限元模型，进行地震响应分析及对比，从而对钢结构厂房的安全性及抗震性进行深入的了解。

关键词：钢结构厂房、空间结构、有限元分析

目前，大多数铝冶炼厂房一般采用钢材建造，属于非常典型的钢结构工业建筑，对于建筑材料而言，钢结构本身具有承载能力大，强度高等诸多特点，而且其抗震性能比混凝土结构要优越的多，但是很多设计单位在设计时采用的计算软件，往往都是针对平面框架或是很规则的空间结构。对于铝冶炼厂房这种复杂的不规则结构形式计算难以解决。本文以铝冶炼厂房为模型，采用有限元程序，建立符合现场的实际有限元模型，对建筑进行地震响应分析，同时也提出钢结构厂房设计方面需要注意的一些问题，对提高钢结构厂房的抗震性有很大的提升。

1厂房的选址要求

建筑场地的质量直接影响钢结构厂房的抗震性能，建筑场地主要影响因素有以下几个方面。

1.1选择承载力高的土层作为持力层，如果承载力较低，需要采用桩基础进行土层加固，桩端持力层要达到液化深度的最底层，保证液化部分得到有效的处理。

1.2选择较薄的场地覆盖层，由于钢结构厂房具有较好的刚柔性，较薄的场地覆盖层对钢结构厂房的抗震影响较小，所在场地土刚度越大，震害指数越小。

1.3避免与周边建筑物产生共振，如果与周边建筑很近，当发生地震时，容易产生共振现象，对钢结构厂房有很大的影响，因此在设计时，要避免建筑物震动周期的一致性。

一般来说，“地基差，震害重”适用于钢结构和木结构的建筑物，因为钢结构的振动慢，频率低，属于长周期的柔性结构，软弱地基的振动周期也属于长周期，如果钢结构厂房落在软弱地基上，则会发生共振现象，产生较大的地震危害，因为钢结构厂房一定要选用性能较好的地基土作为持力层，才能发挥其优越的抗震性能。

2平面计算与空间计算结果比较

以实际的铝冶炼钢结构厂房为例，厂房为连续4跨，柱号为ABCDEF，柱间距为18m，跨度方向间距10m，梁柱均为铰接，厂房屋面活荷载为0.5kN/m²，墙面彩钢板自重为0.3kN/m²，基本风压为0.45kN/m²，采用插入式柱脚，为刚接形式，沿x方向考虑，地震波也沿x方向，在静力计算式考虑自重，考察不同空间结构下，各个模型中第1跨A柱的受力情况，计算结果见下表1

表1计算结果对比

由表1可以看出，虽然3个模型的空间结构不同，但由于柱梁尺寸相同，受力遵循类似统一的规律，分别属于质量分布较为类似的结构，其对应的静力计算结果分别相当接近，其位移和应力的差异是后两者结构中包含了层面所致，但是模型的动力计算结构差异较大。第一个情况平面排架计算下，此处地震波输入只取了X向（平面内），与实际模型相差较大，基频随着其结构形式的负责而降低，第一种情况下的基频最大，是因为其平面计算时，约束了模型中所有平面外自由度，因此除了第一种情况外，第一阶模态均属于平面外（Z向）振动，地震波的影响也随着其结构的复杂而有着明显的变化，因此，在工程钢结构设计中，依靠平面计算的方法存在着较大的局限性，对静力计算而言，结构相似其结果也相似，不相似的结构也可以通过选取多跨分别进行计算来实现，但是对于动力而言，这种方法不理想，不能更好的掌握结构的动力特性，也就无法实现进一步的优化设计。

3钢结构厂房有限元空间模型的建立

笔者所讨论的厂房属于质量、刚度分布严重不均匀的不规则建筑，除了结构自重及大量设备引起的静荷载或动荷载外，该结构设计中还要考虑随时间变化的地震荷载。某铝冶炼主厂房长180m，分为11列，宽度126m，分为7跨。工艺的核心设备布置在第4~5跨中部的高楼部内，高达50m，周围厂房高低不平，主厂房内有双层吊车，高楼部与主厂房难以脱开，由于工艺布置的特殊性，两者属于质量、刚度分布严重不均匀的结构形式。

针对厂房的实际结构和所采用的设备的情况，考虑到分析计算的要求以及结构本身和设备荷载的复杂性，应该在三维空间下建立有限元模型，采用三维梁、板、杆来进行模拟，从而大大减少有限元模型的计算规模，对主厂房中的横梁及格构式钢柱按照抗震规范中的计算方法采用等效的实腹杆代替，或者用杆、梁单元更真实的模拟，对主要节点的集中质量则按照建筑抗震规范中“各个质点的重力荷载代表值的计算”的规定施加，各构件尺寸及位置完全按照真实结构的情况来加以实现。

通过ANSYS的具体建模方法：

1）大量梁、杆构件在构造中属于铰接的，在建模时采用耦合节点平动自由度的方法加以实现，耦合是ANSYS程序的一种功能，指的是相连的2个梁单元，现在相连处分别生成2个完全相同的节点，再通过强制2个节点的某个或某些方向的位移一致性来加以实现。

2）格构式钢柱结构复杂，建模时无法完全按照实际情况建立，按照简化规则，手工计算相关参数后通过自定义截面来实现。

3）单阶柱和双阶柱的牛腿均由板构成，建模时简化为相应厚度和尺寸的工形梁单元或箱型梁单元来实现。

4）桁架中的腹杆一般由较细的角钢或槽钢组成，建模时简化为相应的杆单元来实现。

4钢结构厂房结构的动特性计算

动特性计算得到的结构固有频率和模态，是后续动力学相应分析的基础，也是结构内在特征的反映，要进行瞬态响应分析，先进的动特性分析是必要的，本文采用阶段Lanczos方法，求解出了厂房整体结构的固有频率和模态，如表1所示其前10阶段动特性的结果

表2钢结构厂房整体结构前十阶动特性

如表2中所示

如表2中所示，可得出以下结论：

1）主厂房的基本频率为0.263283HZ，模态为FG跨屋面下桁架X向偏移。2）主厂房整体刚度过大，经计算前50阶模态显示均为细微变形，未出现整体的偏移。3）计算结果中出现较多的密集模态，这是由于结构十分复杂且含有多个类似结构所致。4）结果表明整体结构中，平面内刚度（Z向刚度）要远远大于平面外刚度（X向刚度），因此除个别构件外，平面内稳定性要比平面外稳定性强，与实际情况相符。

5结语

通过对钢结构厂房整体进行的动特性和动力学响应的分析，可得出如下的结论：

1）厂房整体结构刚度很大，受地震影响较小，7级地震波输入只是产生局部变形，未出现整体的任何变形。

2）Z向刚度相对较弱，局部构件受地震影响较大，应在设计时增加相应的构造措施以增强结构的稳定性。

3）最大位移出现位置大多与第一阶模态时相同，说明结构地震响应应该以第一模态为主，高阶模态的影响不明显。

4）对比同一波的三向输入结果，发现X向输入对结构局部的影响较大，故应该为主要控制方向，同时对屋面下桁架应增大支撑或增大支撑截面。

参考文献：

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