門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的受力性能有很多特點(diǎn)，對(duì)它的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)如何對(duì)待，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010未作規(guī)定，設(shè)計(jì)人員和學(xué)者表示關(guān)切，個(gè)別讀者曾認(rèn)為沒(méi)有規(guī)定，問(wèn)題很大，影響了結(jié)構(gòu)的安全。本文對(duì)此作初步探討，意在拋磚引玉。
在MBMA《低層房屋建筑體系手冊(cè)》1996中提到，“金屬房屋建筑體系因?yàn)樽灾剌p，設(shè)計(jì)一般不受地震力控制。過(guò)去的震害調(diào)查表明，金屬房屋體系的性能比其它結(jié)構(gòu)形式好得多“。因?yàn)椴捎眠@種建筑體系的項(xiàng)目，其與埸地土壤剖面有關(guān)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)往往不全，按ASCE 7-95的第D類(lèi)?ài)兀▌傂酝寥溃┻M(jìn)行地震力計(jì)算”。
影響輕鋼房屋抗震設(shè)計(jì)的有利因素較多：
1）屋面結(jié)構(gòu)自重很輕，即使在強(qiáng)震下產(chǎn)生的地震作用也是較小的。
2）結(jié)構(gòu)位移不受?chē)o(hù)結(jié)構(gòu)限制，柱頂?shù)奈灰葡拗禐橹叩?/60。
3）實(shí)測(cè)柱頂位移總是比計(jì)算值小很多。因?yàn)槊姘宓拿善ぷ饔煤徒Y(jié)構(gòu)的空間作用都未考慮；MBMA手冊(cè)和國(guó)內(nèi)的課題研究都確認(rèn)此事實(shí)。國(guó)內(nèi)課題研究表明，實(shí)測(cè)位移只有計(jì)算值的一半左右。
4）結(jié)構(gòu)有極好的延性，梁柱構(gòu)件采用的端板連接是半剛性的，剛架橫梁有較好的耗能能力。
5）汶川大地震后，鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人員在震害波及地區(qū)作了全面考察，也未見(jiàn)這種房屋倒塌。
6）MBMA抗震導(dǎo)則規(guī)定，R=3時(shí)不需作抗震計(jì)算，R是與結(jié)構(gòu)延性有關(guān)的系數(shù)?？拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范（2010）規(guī)定，0.15g以下不需作抗震計(jì)算。
7）美國(guó)MBMA出版了《金屬房屋體系抗震設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，我們查閱有關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)時(shí)的柱頂位移限值建議取柱高的1/80，這個(gè)數(shù)值還達(dá)不到設(shè)計(jì)位移限值，看來(lái)二階分析的意義也不大。CECS102規(guī)定不考慮風(fēng)荷載和地震同時(shí)作用，但對(duì)最小設(shè)計(jì)風(fēng)壓應(yīng)有規(guī)定。在考慮風(fēng)荷載最小允許值時(shí)，美國(guó)ASCE7-05規(guī)定主要抗風(fēng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載不得小于0.48 kN/m2（10lb/ft2），構(gòu)件和面板在任一方向的風(fēng)載也應(yīng)滿足此值。規(guī)定設(shè)計(jì)最小風(fēng)壓也有利于減少這種結(jié)構(gòu)的風(fēng)災(zāi)。地震作用是重力荷載代表值引起的，分析時(shí)，剛架地震作用應(yīng)分別作用于剛架兩端而不是完全作用在一端。對(duì)于符合抗震設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)，傳遞風(fēng)力的縱向構(gòu)件，包括剛性系桿、檁條兼作的系桿等及其連接，也應(yīng)檢驗(yàn)是否滿足抗震設(shè)計(jì)要求，抗震要考慮地震作用來(lái)自各個(gè)方向。在構(gòu)造設(shè)計(jì)方面，柱間支撐、支撐連接、柱腳設(shè)計(jì)和夾層設(shè)計(jì)等部位應(yīng)該是重點(diǎn)，應(yīng)采取加強(qiáng)的構(gòu)造措施。對(duì)于地震控制的桿件，其截面的板件寬厚比限值和長(zhǎng)系比限值宜適當(dāng)調(diào)整，但不宜統(tǒng)一規(guī)定限值，宜根據(jù)具體情況適當(dāng)處理，以免不必要地增加結(jié)構(gòu)用鋼量。
目前我國(guó)只有因雪災(zāi)和風(fēng)災(zāi)引起嚴(yán)重破壞或倒塌的例子，以及因施工不當(dāng)引起倒塌的例子，還沒(méi)有因震害造成倒塌的實(shí)例。MBMA規(guī)定的金屬房屋體系，其自重和荷載均大于我國(guó)規(guī)定。對(duì)我國(guó)常用跨度的門(mén)式剛架輕鋼房屋，抗震設(shè)計(jì)至少不是迫切問(wèn)題。但少數(shù)門(mén)式剛架的跨度和構(gòu)件截面較大，我國(guó)已經(jīng)有72米跨的機(jī)庫(kù)和糧庫(kù)采用這種結(jié)構(gòu)體系，對(duì)于這類(lèi)大型重要建筑，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)自重較大，考慮抗震安全應(yīng)該是必要的，應(yīng)采取必要的重要性系數(shù)。MBMA的抗震設(shè)計(jì)導(dǎo)則重點(diǎn)，似乎放在帶夾層房屋的抗震設(shè)計(jì)。
抗震規(guī)范-2010版的9.2節(jié)列入了單層鋼結(jié)構(gòu)廠房, 在條文說(shuō)明中指出,：“單層鋼結(jié)構(gòu)廠房在地震中破壞較輕,但也有損壞或坍塌的.因此,單層鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行抗震設(shè)防是必要的。本次修訂仍不包括輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房。”也就是說(shuō)，新抗規(guī)它的抗震未提出規(guī)定。
關(guān)于是否需要抗震，我個(gè)人認(rèn)為，可提供幾點(diǎn)判別：
1）抗震規(guī)范-2010將7度0.15g及以上列為強(qiáng)震，低于0.15g可以放寬。為了和抗規(guī)協(xié)調(diào)，7度0.15g及以上還是要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的。
2）陳紹蕃老師作為抗震規(guī)范-2001編制組的顧問(wèn)，曾對(duì)廠房鋼結(jié)構(gòu)的抗震提過(guò)如下意見(jiàn)：廠房鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，有的受地震控制有的不受地震控制，當(dāng)不受地震控制時(shí)，可不考慮抗震。此建議對(duì)門(mén)式剛架是適用的。
3）修訂中的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》列入了抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容，廠房結(jié)構(gòu)組的修訂草案建議，
鋼結(jié)構(gòu)廠房采用輕型屋面和墻面時(shí)，地震作用效應(yīng)不大，建用二倍多遇地震組合進(jìn)行一階分析，取代二階分析等抗震驗(yàn)算，并采取適當(dāng)?shù)目拐饦?gòu)造措施。此建議可供門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)參考。
4）對(duì)于大跨度重要設(shè)施，宜考慮抗震要求。
關(guān)于夾層設(shè)計(jì)，由自重引起的內(nèi)力當(dāng)然必需考慮。在抗震方面，首先應(yīng)確定是否要考慮抗震。輕質(zhì)材料樓板和木樓蓋不需考慮抗震，混凝土樓板要考慮抗震。選用什么方法？美國(guó)抗震導(dǎo)則提供兩個(gè)辦法：
一考慮夾層引起的扭矩，對(duì)房屋進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析；
—或?qū)A層用防震縫隔開(kāi)，使主體結(jié)構(gòu)在地震時(shí)不受夾層的影響。抗震規(guī)范規(guī)定，對(duì)砼結(jié)構(gòu)防震縫寬50～70mm,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)未提出具體規(guī)定。
第一種方法計(jì)算太繁，缺乏實(shí)用性。第二種方法理論上容易，但做起來(lái)不容易。
有專家建議，可在夾層周邊兩個(gè)方向設(shè)置較強(qiáng)支撐，使夾層產(chǎn)生的地震力可由其周邊支撐承受。至于夾層在房屋結(jié)構(gòu)中引起的地震力，因?yàn)樵O(shè)計(jì)不考慮地震作用和最大風(fēng)荷載同時(shí)出現(xiàn)，可予忽略。此法最簡(jiǎn)便，也可考慮。
參考文獻(xiàn)
[1]MBMA，Metal Building Systems Manual,2002
[2]MBMA Seismic Design Guide for Metal Building Systems,based on the 2000 IBC,
By Backman/ Drake/ Johnson/ Murray,
[3]《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》ASCE 7-05
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