一般，当钢筋混凝土矩形或工形截面排架柱的截面尺寸满足相关构造要求时，就可认为排架的横向刚度已经得到保证，不必再进行验算。在历次大地震中，高大的单层钢筋混凝土阶形柱的上柱破坏往往比下柱要严重得多。究其原因：一是上柱的刚度较小，变形较大；二是虽然在抗震计算中上柱的强度已经满足地震作用下的抗力要求，但却比相邻下柱弱得多，支承条件也比下柱要弱，因此上柱是整个单层厂房的薄弱部位，宜在抗震强度验算后进行横向抗震变形验算。《建筑抗震设计规范》中规定，下列应进行弹塑性变形验算：8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架；7-9度时，楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构和排架结构。对于单层的钢筋混凝土柱厂房，可按《建筑抗震设计规范》中的简化方法计算弹塑性层间位移。简化计算方法的思路是将罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移乘以弹塑性层间位移增大系数得到。对于不需要进行弹塑性分析的厂房，《建筑抗震设计规范》和图集《09SG117-1》中均未给出其弹性位移限值的控制指标。
结构分析模型
按照《建筑抗震设计规范》中规定，柱距相等的轻屋盖厂房，可按平面排架计算。本文选取了图集《09SG117-1》中的算例和某工程中几个单层排架厂房为分析模型，分别计算其在多遇地震时的弹性层间位移，并进行静力弹塑性分析，得出其在罕遇地震下的弹塑性变形。按照《建筑抗震设计规范》给出的简化方法进行对比分析,各分析模型参数见表1。
按《建筑抗震设计规范》5.5.3条的规定，弹塑性变形计算可采用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析方法。本文中各模型的静力弹塑性采用SAP2000进行Pushover分析。基于结构行为设计使用Pushover分析，形成结构近似的需求谱（基于抗震设防的目标反应谱曲线）和能力谱曲线。在分析过程中，结构在逐渐增加的荷载作用下，其抗侧能力不断变化（通常用底部剪力-顶部位移曲线来表征结构刚度与延性的变化）。将基于抗震设防的目标反应谱曲线和能力谱曲线绘在一张图表中，其交点即为性能点。通过Pushover分析所得的荷载位移曲线，可直观反映结构由弹性变形进入到塑性变形的过程；利用性能点能够得到结构在目标抗震设防要求下的底部剪力和位移，通过比较结构在性能点的行为和预先定义的容许准则来判断设计目标是否达到。
静力弹塑性分析结果
《建筑抗震设计规范》中对排架结构在罕遇地震下的弹塑性位移角限值为1/30；对多遇地震作用下的弹性位移角没有明确要求。本文中各模型在多遇地震作用下的柱顶弹性位移角由反应谱法得出。各模型均符合《建筑抗震设计规范》中弹塑性位移角简化计算的条件，按简化计算方法得出各模型在罕遇地震作用下的弹塑性位移角。同时，各模型基于实际柱子配筋在排架柱中定义P-M铰，进行Pushover分析，按荷载-位移曲线（基底剪力-顶点位移曲线）与抗震设防目标（罕遇地震）的反应谱曲线的交点，确定罕遇地震作用下的结构的弹塑性位移。研究了各模型在罕遇地震作用下的荷载-位移曲线、塑性铰发展情况。各模型在多遇地震下的弹性位移角和罕遇地震下的弹塑性位移角结果见表2。
根据表2中计算结果，各模型在罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角均满足规范限值要求。而模型1和模型4对应的弹性位移角均大于框架结构的弹性层间位移角限值1/550。模型2和模型3对应的弹性位移角虽小于框架结构弹性位移角限值，但弹塑性位移角限值的富余度较大。结合各模型在罕遇地震作用下的塑性铰发展情况，模型2至模型4的排架柱中塑性铰均为轻微损伤状态，说明其在罕遇地震下弹塑性位移角有较大安全储备；模型1中因中柱配筋率较低，在中柱出现介于轻微损伤和中度损伤的塑性铰。
按模型2、模型3在罕遇地震作用下的荷载-位移曲线，顶点位移为70mm时，层间位移角为1/200；模型4的顶点位移为100mm时，层间位移角为1/225；而此时各模型还处于弹性状态。按《建筑抗震设计规范》，以钢筋混凝土构件开裂时的层间位移角作为多遇地震下的结构弹性位移。对于轻屋盖单层混凝土柱排架厂房，柱顶多为与钢屋架铰接，弹性阶段主要应控制混凝土排架柱的开裂。结构的层间位移包含了受力位移（有害位移）和非受力位移（无害位移，为下部楼层弯曲转引起的上部结构刚体转动）。对于单层排架厂房，非受力位移在结构层间位移中所占的比重很小；单层排架厂房结构具有的约束是有限的，所以应严格控制排架柱的受力位移。基于各模型的Pushover分析结果，在层间位移角为1/500时，模型1中排架柱最大裂缝约为0.08mm，模型2中排架柱最大裂缝为0.12mm，模型3中排架柱最大裂缝为0.15mm，模型4中排架柱最大裂缝为0.16mm。说明各模型在层间位移角为1/500时，排架柱中裂缝很小。对上述各分析模型，弹性位移应按远高于实际弹性状态的位移来控制，参考文献建议单层混凝土柱排架厂房的层间位移角可按1/500控制。
变参数分析
混凝土排架柱轴压比、纵筋配筋率、箍筋配箍率是柱子设计中重要的几个构造措施。《建筑抗震设计规范》通过控制轴压比、配筋率和配箍率来控制结构和构件的弹塑性性能，实现结构的“大震不倒”。本文对模型2的这三个参数进行了变参数分析，分别得出相应的荷载-位移曲线。
不同轴压比下基底剪力-顶点位移曲线表明，柱子轴压比会影响其进入弹塑性状态的时间。轴压比越小，截面的弹性刚度相对更大，构件不易进入弹塑性状态。随着轴压比的增大，各模型性能点处对应的位移由152mm增大到520mm，增幅较大。说明其在罕遇地震下的层间位移增大很多，因此通过控制轴压比可显著控制罕遇地震下的弹塑性位移。
各模型在不同配筋率和不同配箍率下，进行Pushover分析时，性能点处的位移变化微小，说明配筋率和配箍率对罕遇地震作用下的弹塑性位移影响不大。不同纵筋配筋率下基底剪力-顶点位移曲线表明，纵筋配筋率主要影响了构件进入弹塑性状态后的承载能力，配筋率越高，构件的弹塑性承载力越高。不同配箍率下基底剪力-顶点位移曲线表明，箍筋配箍率主要影响构件进入弹塑性状态后期，构件刚度的退化主要是配箍率越高，对混凝土和纵向钢筋的约束能力更强，延缓塑性的发展，进而减缓刚度的退化。因此，在单层排架结构设计中应减小轴压比，以控制弹塑性位移；同时应增大纵向钢筋的配筋率和箍筋配箍率，以提高构件的弹塑性性能。
本文对几组单层混凝土柱排架厂房结构进行了静力弹塑性分析，各模型的弹塑性层间位移角远高于《建筑抗震设计规范》限值；控制柱子配筋率后，可使排架柱在罕遇地震下的塑性铰仅为轻微损伤状态。同时，考虑到轻屋盖单层混凝土柱排架厂房的受力特点，应严格控制排架柱的受力变形，建议初步设计时，此类结构的层间位移角可按1/500控制。
通过对其中一组模型从轴压比、配筋率、配箍率三个方面进行了变参数分析，直观的对比了排架柱刚度变化规律，在单层排架结构设计中应减小轴压比，以控制弹塑性位移；同时应增大纵向钢筋的配筋率和箍筋配箍率，以提高构件的弹塑性性能。 （中冶南方潘天久 曾青 杨军）
《世界金属导报》3期 B16
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