纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能研究 纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能研究
单慧敏
（山东省纺织设计院，山东 济南 250013）
摘 要：对于纺织企业而言，厂房的抗震性能直接影响其经济利润的获得。从我国纺织行业的厂房结构特点来看，框架上门式刚架钢结构较为常见。对此，需要对该结构的抗震性能加以重视。文章从框架上门式刚架钢结构厂房的结构入手，对纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能进行分析和研究。
关键词：纺织行业；框架上门式刚架；钢结构厂房；抗震性能
对于纺织企业而言，厂房的作用主要是用来储存原材料、生产设备以及成品等物资。由于厂房中物资的数量较多，因此地震灾害的发生会为纺织企业带来极大的经济损失。为了避免这种现象的出现，纺织企业在构建厂房的过程中，需要对厂房是否具备良好的抗震性能加以重视。
1 框架上门式刚架钢结构厂房
1.1 框架上门式刚架钢结构厂房的结构
从整体角度来讲，该厂房的结构中主要包含顶层门式刚架、下部框架这两种组成要素。为了保证厂房的稳定性和安全性，通常会利用刚性系杆、双向刚接形式梁柱等结构完成整个厂房结构的布设[1]。
1.2 框架上门式刚架钢结构厂房的特点
框架上门式刚架钢结构厂房的特点主要包含以下几种：
（1）上部门式刚架的易变形特点。在当前生产工艺以及纺织企业实际厂房布设限制因素的影响下，大多数纺织企业的厂房通常无法同时开展厂房主体以及周边位置梁的施工，且柱、梁等构件实现竖向等强的难度也较高。这种基础条件使得该结构厂房的上门式刚架具有明显的易变形特点。
（2）大荷载特点。框架上门式刚架钢结构厂房的大荷载特点主要是由大量工艺设备在厂房中的布设引发的。
（3）地震作用明显性特点。厂房的这种特点同样是基于大量工艺设备的布设产生的。从布设位置来看，纺织企业的大部分工艺设备都被布设在厂房上部位置，因此，当发生地震灾害时，纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房受地震作用的影响较为明显[2]。
1.3 框架上门式刚架钢结构厂房在纺织行业中应用的必要性
就纺织行业而言，应用框架上门式刚架钢结构的必要性何原因主要体现在以下几方面：
（1）国家政策方面。就国家政策方面而言，在一带一路政策的影响下，纺织行业逐渐开始向新疆、云南等地区转移。这些地区的特点为地震高发、抗震烈度高、地形及用地面积限制作用强。基于这种现象，需要通过底层钢筋混凝土框架结构、上部轻型门式刚架钢结构的厂房设计方式，保证纺织企业的安全生产。
（2）纺织行业自身工艺流程方面。纺织行业厂房中各项生产设备及工艺附房中的空调送排风系统、电气配电室等等、以及空调送风排风管道等，与框架上门式刚架钢结构之间存在较高的契合性。
2 纺织行业框架上门式刚架钢结构
抗震设计注意的难点要点：
2.1 底层钢筋混凝土框架结构
底层钢筋混凝土框架的作用主要是支撑上部结构及设备等的压力。该结构的设计要点包含结构占地面积及结构配置合理性等内容。
2.2 顶层轻型门式刚架钢结构
顶层轻型门式刚架钢结构的设计注意要点主要集中在梁、柱构件的焊接设计、结构变形计算等方面。
2.3 两种结构形式连接节点处的抗震
相对于该结构的两种单独组成要素而言，二者的连接节点位置的抗震设计难度较高。这种现象是由两部分重力水平及组成形式的不同引发的。在实际设计过程中，其抗震设计难点主要集中在连接节点的荷载设计方面。对此，需要结合准确的计算，得出连接节点能够承受荷载的最大值，再依据该数值开展抗震性能设计。
3 纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能计算
这里以某纺织企业的框架上门式刚架钢结构厂房为例，对其抗震性能进行计算：
3.1 厂房概况
该厂房共计三层，第一层、第二层以及第三层的层高分别为3m、3.5m以及8.5m。总体占地面积为5128m2。就该厂房工程的结构安全而言，其结构安全等级要求为二级，厂房预设使用年限为50年；就该厂房工程的抗震性能方面而言，预设地震分组为第二组，并将厂房工程的抗震设防烈度设置为7°[3]。
3.2 厂房抗震性能的计算
该纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能计算过程主要包含以下几个步骤：
（1）确定该厂房的计算简图。纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能是通过力学分析工作得出的。但厂房结构的复杂性特点会对力学分析结果的准确性产生影响。基于这种情况下，应根据框架上门式刚架钢结构厂房的实际特点，将厂房中能反映结构的主要受力特征的位置确定出来，按照强化厂房结构主体、忽视细节的原则对整个框架上门式刚架钢结构厂房进行简化。由于最终得到的厂房简图与实际厂房结构之间存在差异，为了防止这种差异因素影响抗震性能的计算结果，有必要通过厂房简图调整措施的应用保证抗震性能计算的准确性。
（2）针对该厂房构建三维有限元整体模型。该厂房三维有限元整体模型的构建需要利用MIDAS软件进行。在实际构建过程中，需要对以下几种问题进行合理考虑：①框架上门式刚架钢结构厂房工程施工材料特性的相关系数，如施工材料的温度膨胀系数、弹性模量等；②能够反映框架上门式刚架钢结构厂房型转变化的相关参数，如厂房构件本身的截面形状、长度等要素。由于该纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房中以杆、梁以及柱这三种组成要素为模型单元。例如，在针对厂房中双阶柱和单阶柱的牛腿进行建模操作时，可以根据将其设计为符合比例要求的尺寸以及厚度的工字型梁单元。为了保证厂房三维有限元整体模型构建的有效性，需要对模型荷载与钢架构厂房的实际荷载数值控制在相同范围中[4]。
4 抗震性能计算结果分析
这里主要从以下几方面入手，对纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能计算结果进行分析：
4.1 基于罕遇地震的框架上门式刚架钢结构厂房弹塑性时程分析
在罕遇地震条件下，该框架上门式刚架钢结构中柱顶产生位移的最大值为0.001786，该数值与相关条例中对该参数规定的0.002小。除此之外，该厂房产生层间位移角的最大值为 。该数值符合建筑抗震性能相关条例中对建筑在地震条件下产生层间位移角 的要求。从上述两种参数数值与建筑抗震性能方面相关条例中规定的数值比较来看，该纺织企业的框架上门式刚架钢结构在罕遇地震荷载条件下，其变形程度范围仍然能够保证厂房的稳定性和安全性。因此这种框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能较好[5]。
4.2 基于多遇地震的框架上门式刚架钢结构厂房弹性时程分析
这里主要从以下几方面入手，对基于多遇地震条件下的纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房弹性时程进行分析：
（1）支座剪力方面。就支座剪力方面而言，该纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房在多遇地震条件下的参数测定情况如下：①该厂房结合所有时程曲线得到的结构底部剪力计算数值都比反应谱法的68%数值要大。除此之外，其中4条时程曲线下的结构底部剪力的平均值大于反应谱法82%的数值。这种数据结果表明，该厂房结构底部的剪力趋势具有较为明显的一致性特点；②建筑抗震性能相关条例中对建筑底层剪力百分比数值的限值规定为35%，而该纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房的底层剪力百分比符合该限值规定，且平均值约为21%。这种数据表明，该厂房结构的设计符合设计要求，能够为纺织企业提供良好的抗震性能。
（2）厂房位移方面。对于该纺织企业的框架上门式刚架钢结构厂房，位移对厂房抗震性能的判断应该从多个部分产生的位移变化进行：就柱结构而言，其在多遇地震条件下产生的位移最大值约为0.00128，该数值小于建筑抗震性能相关条例中规定的柱顶位移限制0.002。就该厂房在多遇地震条件下产生的层间位移角而言，该厂房层间位移角参数的最大值为0.0032，该数值小于建筑抗震性能相关条例中规定的层间位移角最大值0.004[6]。从这两项参数来看，该纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能相对较好。随着多遇地震作用荷载数值的变化，该纺织企业厂房在X与Y这两个方向上产生位移之间的差值相对较小，这种现象表明，这种框架上门式刚架钢结构在这两个方向上的刚度分布情况较为均匀。在真实地震条件下，该纺织企业的这种框架上门式刚架钢结构厂房不会因为自身刚度在不同方向的不均匀分布引发厂房坍塌问题。因此，这种结构的应用可以有效起到保证厂房安全、防止纺织企业经济受损的作用。
5 结束语
框架上门式刚架钢结构是纺织行业厂房中较为常见的一种结构。通过三维建模以及多遇地震条件以及罕遇地震条件的模拟分析可以看出，框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能较好。应用这种厂房之后，发生地震灾害时，纺织企业遭遇经济损失的概率相对较小。
参考文献：
[1]莫崇晟.框架上门式刚架钢结构厂房的设计[D].湖南大学,2012.
[2]郑铖.框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能研究[D].湖南大学,2013.
[3]李红超.蜂窝式钢框架梁柱节点抗震性能研究[D].沈阳建筑大学,2011.
[4]张号浩.单层钢筋混凝土柱厂房地震易损性分析[D].中国地震局工程力学研究所,2011.
[5]王亮.钢筋混凝土框架结构钢结构加层抗震性能研究[D].河北工程大学,2013.
[6]田慧.钢筋混凝土框架顶钢结构加层抗震分析[D].天津大学, 2007.
中图分类号：TU392
文献标志码：A
文章编号：2096-2789（2017）02-0214-02
纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能研究 纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能研究
单慧敏
（山东省纺织设计院，山东 济南 250013）
摘 要：对于纺织企业而言，厂房的抗震性能直接影响其经济利润的获得。从我国纺织行业的厂房结构特点来看，框架上门式刚架钢结构较为常见。对此，需要对该结构的抗震性能加以重视。文章从框架上门式刚架钢结构厂房的结构入手，对纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能进行分析和研究。
关键词：纺织行业；框架上门式刚架；钢结构厂房；抗震性能
对于纺织企业而言，厂房的作用主要是用来储存原材料、生产设备以及成品等物资。由于厂房中物资的数量较多，因此地震灾害的发生会为纺织企业带来极大的经济损失。为了避免这种现象的出现，纺织企业在构建厂房的过程中，需要对厂房是否具备良好的抗震性能加以重视。
1 框架上门式刚架钢结构厂房
1.1 框架上门式刚架钢结构厂房的结构
从整体角度来讲，该厂房的结构中主要包含顶层门式刚架、下部框架这两种组成要素。为了保证厂房的稳定性和安全性，通常会利用刚性系杆、双向刚接形式梁柱等结构完成整个厂房结构的布设[1]。
1.2 框架上门式刚架钢结构厂房的特点
框架上门式刚架钢结构厂房的特点主要包含以下几种：
（1）上部门式刚架的易变形特点。在当前生产工艺以及纺织企业实际厂房布设限制因素的影响下，大多数纺织企业的厂房通常无法同时开展厂房主体以及周边位置梁的施工，且柱、梁等构件实现竖向等强的难度也较高。这种基础条件使得该结构厂房的上门式刚架具有明显的易变形特点。
（2）大荷载特点。框架上门式刚架钢结构厂房的大荷载特点主要是由大量工艺设备在厂房中的布设引发的。
（3）地震作用明显性特点。厂房的这种特点同样是基于大量工艺设备的布设产生的。从布设位置来看，纺织企业的大部分工艺设备都被布设在厂房上部位置，因此，当发生地震灾害时，纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房受地震作用的影响较为明显[2]。
1.3 框架上门式刚架钢结构厂房在纺织行业中应用的必要性
就纺织行业而言，应用框架上门式刚架钢结构的必要性何原因主要体现在以下几方面：
（1）国家政策方面。就国家政策方面而言，在一带一路政策的影响下，纺织行业逐渐开始向新疆、云南等地区转移。这些地区的特点为地震高发、抗震烈度高、地形及用地面积限制作用强。基于这种现象，需要通过底层钢筋混凝土框架结构、上部轻型门式刚架钢结构的厂房设计方式，保证纺织企业的安全生产。
（2）纺织行业自身工艺流程方面。纺织行业厂房中各项生产设备及工艺附房中的空调送排风系统、电气配电室等等、以及空调送风排风管道等，与框架上门式刚架钢结构之间存在较高的契合性。
2 纺织行业框架上门式刚架钢结构
抗震设计注意的难点要点：
2.1 底层钢筋混凝土框架结构
底层钢筋混凝土框架的作用主要是支撑上部结构及设备等的压力。该结构的设计要点包含结构占地面积及结构配置合理性等内容。
2.2 顶层轻型门式刚架钢结构
顶层轻型门式刚架钢结构的设计注意要点主要集中在梁、柱构件的焊接设计、结构变形计算等方面。
2.3 两种结构形式连接节点处的抗震
相对于该结构的两种单独组成要素而言，二者的连接节点位置的抗震设计难度较高。这种现象是由两部分重力水平及组成形式的不同引发的。在实际设计过程中，其抗震设计难点主要集中在连接节点的荷载设计方面。对此，需要结合准确的计算，得出连接节点能够承受荷载的最大值，再依据该数值开展抗震性能设计。
3 纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能计算
这里以某纺织企业的框架上门式刚架钢结构厂房为例，对其抗震性能进行计算：
3.1 厂房概况
该厂房共计三层，第一层、第二层以及第三层的层高分别为3m、3.5m以及8.5m。总体占地面积为5128m2。就该厂房工程的结构安全而言，其结构安全等级要求为二级，厂房预设使用年限为50年；就该厂房工程的抗震性能方面而言，预设地震分组为第二组，并将厂房工程的抗震设防烈度设置为7°[3]。
3.2 厂房抗震性能的计算
该纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能计算过程主要包含以下几个步骤：
（1）确定该厂房的计算简图。纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能是通过力学分析工作得出的。但厂房结构的复杂性特点会对力学分析结果的准确性产生影响。基于这种情况下，应根据框架上门式刚架钢结构厂房的实际特点，将厂房中能反映结构的主要受力特征的位置确定出来，按照强化厂房结构主体、忽视细节的原则对整个框架上门式刚架钢结构厂房进行简化。由于最终得到的厂房简图与实际厂房结构之间存在差异，为了防止这种差异因素影响抗震性能的计算结果，有必要通过厂房简图调整措施的应用保证抗震性能计算的准确性。
（2）针对该厂房构建三维有限元整体模型。该厂房三维有限元整体模型的构建需要利用MIDAS软件进行。在实际构建过程中，需要对以下几种问题进行合理考虑：①框架上门式刚架钢结构厂房工程施工材料特性的相关系数，如施工材料的温度膨胀系数、弹性模量等；②能够反映框架上门式刚架钢结构厂房型转变化的相关参数，如厂房构件本身的截面形状、长度等要素。由于该纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房中以杆、梁以及柱这三种组成要素为模型单元。例如，在针对厂房中双阶柱和单阶柱的牛腿进行建模操作时，可以根据将其设计为符合比例要求的尺寸以及厚度的工字型梁单元。为了保证厂房三维有限元整体模型构建的有效性，需要对模型荷载与钢架构厂房的实际荷载数值控制在相同范围中[4]。
4 抗震性能计算结果分析
这里主要从以下几方面入手，对纺织行业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能计算结果进行分析：
4.1 基于罕遇地震的框架上门式刚架钢结构厂房弹塑性时程分析
在罕遇地震条件下，该框架上门式刚架钢结构中柱顶产生位移的最大值为0.001786，该数值与相关条例中对该参数规定的0.002小。除此之外，该厂房产生层间位移角的最大值为 。该数值符合建筑抗震性能相关条例中对建筑在地震条件下产生层间位移角 的要求。从上述两种参数数值与建筑抗震性能方面相关条例中规定的数值比较来看，该纺织企业的框架上门式刚架钢结构在罕遇地震荷载条件下，其变形程度范围仍然能够保证厂房的稳定性和安全性。因此这种框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能较好[5]。
4.2 基于多遇地震的框架上门式刚架钢结构厂房弹性时程分析
这里主要从以下几方面入手，对基于多遇地震条件下的纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房弹性时程进行分析：
（1）支座剪力方面。就支座剪力方面而言，该纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房在多遇地震条件下的参数测定情况如下：①该厂房结合所有时程曲线得到的结构底部剪力计算数值都比反应谱法的68%数值要大。除此之外，其中4条时程曲线下的结构底部剪力的平均值大于反应谱法82%的数值。这种数据结果表明，该厂房结构底部的剪力趋势具有较为明显的一致性特点；②建筑抗震性能相关条例中对建筑底层剪力百分比数值的限值规定为35%，而该纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房的底层剪力百分比符合该限值规定，且平均值约为21%。这种数据表明，该厂房结构的设计符合设计要求，能够为纺织企业提供良好的抗震性能。
（2）厂房位移方面。对于该纺织企业的框架上门式刚架钢结构厂房，位移对厂房抗震性能的判断应该从多个部分产生的位移变化进行：就柱结构而言，其在多遇地震条件下产生的位移最大值约为0.00128，该数值小于建筑抗震性能相关条例中规定的柱顶位移限制0.002。就该厂房在多遇地震条件下产生的层间位移角而言，该厂房层间位移角参数的最大值为0.0032，该数值小于建筑抗震性能相关条例中规定的层间位移角最大值0.004[6]。从这两项参数来看，该纺织企业框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能相对较好。随着多遇地震作用荷载数值的变化，该纺织企业厂房在X与Y这两个方向上产生位移之间的差值相对较小，这种现象表明，这种框架上门式刚架钢结构在这两个方向上的刚度分布情况较为均匀。在真实地震条件下，该纺织企业的这种框架上门式刚架钢结构厂房不会因为自身刚度在不同方向的不均匀分布引发厂房坍塌问题。因此，这种结构的应用可以有效起到保证厂房安全、防止纺织企业经济受损的作用。
5 结束语
框架上门式刚架钢结构是纺织行业厂房中较为常见的一种结构。通过三维建模以及多遇地震条件以及罕遇地震条件的模拟分析可以看出，框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能较好。应用这种厂房之后，发生地震灾害时，纺织企业遭遇经济损失的概率相对较小。
参考文献：
[1]莫崇晟.框架上门式刚架钢结构厂房的设计[D].湖南大学,2012.
[2]郑铖.框架上门式刚架钢结构厂房的抗震性能研究[D].湖南大学,2013.
[3]李红超.蜂窝式钢框架梁柱节点抗震性能研究[D].沈阳建筑大学,2011.
[4]张号浩.单层钢筋混凝土柱厂房地震易损性分析[D].中国地震局工程力学研究所,2011.
[5]王亮.钢筋混凝土框架结构钢结构加层抗震性能研究[D].河北工程大学,2013.
[6]田慧.钢筋混凝土框架顶钢结构加层抗震分析[D].天津大学, 2007.
中图分类号：TU392
文献标志码：A
文章编号：2096-2789（2017）02-0214-02