特種工業(yè)廠房框排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討

趙澤寧

(海南元正建筑設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，海南?？?570208)

我國(guó)GB 50191-2012構(gòu)筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱《構(gòu)規(guī)》)自2012年10月起開始實(shí)施，作為涵蓋工業(yè)廠房及特種結(jié)構(gòu)在內(nèi)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)，完成了我國(guó)構(gòu)筑物抗震規(guī)范體系的全面升級(jí)。本文針對(duì)框排架結(jié)構(gòu)中比較關(guān)注的問題，并結(jié)合《構(gòu)規(guī)》的具體條文，及《抗規(guī)》的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析和梳理。

1)框排架結(jié)構(gòu)的規(guī)范對(duì)應(yīng)工業(yè)廠房框排架結(jié)構(gòu)屬于一種結(jié)構(gòu)體系比較復(fù)雜的聯(lián)合結(jié)構(gòu)，按照《抗規(guī)》附錄H的界定，屬于多層工業(yè)廠房中的一類，鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)分為豎向框排架結(jié)構(gòu)體系和側(cè)向框排架結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 框排架結(jié)構(gòu)

根據(jù)相關(guān)解釋，對(duì)于兩種形式的框排架結(jié)構(gòu)，可以得出如下的規(guī)范覆蓋關(guān)系(見表1)。

表1 框排架結(jié)構(gòu)的規(guī)范覆蓋關(guān)系

2)“有筒倉”和“無筒倉”框排架結(jié)構(gòu)《構(gòu)規(guī)》中將框排架結(jié)構(gòu)分為設(shè)置筒倉類和不設(shè)筒倉類兩種，其中“有筒倉”的框排架指鋼筋混凝土倉壁兼做框架結(jié)構(gòu)的橫縱梁，規(guī)范中針對(duì)“有筒倉”的框排架，對(duì)其結(jié)構(gòu)高度限制、抗震等級(jí)和側(cè)移限制等內(nèi)容的規(guī)定均要比“無筒倉”的框排架相對(duì)嚴(yán)格。

3)有關(guān)“單跨框架”的限定使用規(guī)定《構(gòu)規(guī)》6.1.11條規(guī)定了對(duì)于單跨框架的限定性要求，相對(duì)于《抗規(guī)》來說，不再區(qū)分設(shè)防類別，限定性由“不應(yīng)”改為了“不宜”。應(yīng)該說《構(gòu)規(guī)》的規(guī)定更加靈活一些?！犊挂?guī)》規(guī)定“甲乙類建筑及高度大于24 m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)，高度大于24 m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)”。《構(gòu)規(guī)》規(guī)定“框排架結(jié)構(gòu)中框架部分高度大于24 m時(shí)，不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)”。例如:對(duì)于大多數(shù)采用鋼煤斗的框排架結(jié)構(gòu)，前煤倉布置形式來說，由于煤倉間結(jié)構(gòu)屋面標(biāo)高均大于24 m，因此對(duì)于前煤倉結(jié)構(gòu)來說“不宜”采用單跨框架結(jié)構(gòu);而對(duì)于側(cè)煤倉布置方式而言，煤倉間結(jié)構(gòu)屬于高度大于24 m的框架結(jié)構(gòu)，所以套用《抗規(guī)》“不應(yīng)”采用單跨框架結(jié)構(gòu)。對(duì)于由除氧間和汽機(jī)房組成的框排架結(jié)構(gòu)，只要框架部分的結(jié)構(gòu)高度不大于24 m，也可以采用單跨框架結(jié)構(gòu)，這對(duì)于大多數(shù)露天布置的除氧間框架來說，一般來說可以實(shí)現(xiàn)(見表2)。

表2 對(duì)單跨框架結(jié)構(gòu)的限定性要求

有關(guān)抗震變形限值的規(guī)定。

《構(gòu)規(guī)》6.2.26條和6.2.27條規(guī)定了框排架結(jié)構(gòu)的位移計(jì)算要求，其中按照框架部分和排架柱部分分別給出了各階段位移角限值的規(guī)定，對(duì)于排架柱的彈性位移角沒有具體的數(shù)值規(guī)定，只是在6.2.26條的條文解釋中要求“工業(yè)廠房的彈性層間位移角需根據(jù)吊車使用要求加以限制，嚴(yán)于抗震要求，排架柱的彈性位移應(yīng)滿足吊車的使用要求”。

4)排架結(jié)構(gòu)由于屋架與混凝土柱采用鉸接，因此層間位移角相比框架結(jié)構(gòu)容許值應(yīng)有所放松。但是由于廠房?jī)?nèi)有吊車存在，排架柱的水平位移限值應(yīng)根據(jù)吊車在小震作用下不影響正常使用的原則來進(jìn)行控制，使得有吊車廠房和無吊車廠房排架柱的層間位移角限值明顯有所不同。

GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A.2.1條規(guī)定“在風(fēng)荷載作用下，有橋式吊車的單層框架的柱頂位移限值為H/400，無橋式吊車的單層框架的柱頂位移限值為H/160”;而CSCS 102:2002門式剛架輕型屋面鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第3.4.2條規(guī)定“柱頂位移設(shè)計(jì)值(在有橋式吊車)為h/400”。綜上所述，可以認(rèn)為有吊車的排架柱的柱頂彈性水平位移應(yīng)按照h/400進(jìn)行控制(見表3)。

表3 無筒倉框架結(jié)構(gòu)的位移角限值

上述限值的意義在于，對(duì)于框排架結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)剛度分布不均，樓板或屋面板不是完全剛性，不可避免地出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，框架部分滿足1/550的位移角時(shí)不一定能保證排架柱頂位移小于h/400的要求，因此應(yīng)按照框架柱和排架柱的柱頂位移分別驗(yàn)算;而對(duì)于純排架結(jié)構(gòu)或豎向框排架結(jié)構(gòu)，在高烈度地區(qū)要滿足1/400的彈性位移限值是比較困難的，因此限制了純排架結(jié)構(gòu)(豎向框排架)在高烈度區(qū)的使用。

5)彈塑性計(jì)算方法的規(guī)定目前行業(yè)內(nèi)計(jì)算彈塑性位移的方法有三種，主要是規(guī)范簡(jiǎn)化法、靜力彈塑性法(push-over)以及彈塑性時(shí)程法，分列于下表(見表4)。

表4 彈塑性分析方法

《構(gòu)規(guī)》第6.2.27條中規(guī)定對(duì)框排架結(jié)構(gòu)應(yīng)采用“靜力彈塑性分析方法和彈塑性時(shí)程分析方法”，不再提及簡(jiǎn)化計(jì)算公式，這對(duì)我們的計(jì)算提出了較高的要求。由于目前大量使用的SATWE軟件的計(jì)算方法是采用《抗規(guī)》規(guī)定的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，由于框排架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此彈塑性變形的結(jié)果不能直接使用(只能作為參考)，而彈塑性時(shí)程計(jì)算方法要求進(jìn)行構(gòu)件級(jí)別的模擬，尤其是材料的非線性特點(diǎn)以及考慮構(gòu)件開裂后對(duì)特性的模擬，要求較高且計(jì)算量超大，不太適合于工程設(shè)計(jì)。因此，應(yīng)采用相對(duì)較易理解的，容易操作的push-over靜力分析方法。目前可用于push-over操作的軟件很多，如PKPM系列的EPDA模塊，SAP2000等軟件。

6)關(guān)于屋架結(jié)構(gòu)參與整體計(jì)算的規(guī)定。a.《構(gòu)規(guī)》6.2.19條規(guī)定“針對(duì)7度(0.15g)Ⅲ，Ⅳ類場(chǎng)地和8度9度時(shí)，應(yīng)計(jì)算排架跨的屋架下弦的拉壓效應(yīng)，核算屋架承載力”。b.《構(gòu)規(guī)》6.2.22條規(guī)定，“針對(duì)7度(0.15g)Ⅲ，Ⅳ類場(chǎng)地和8度9度時(shí)，端部橫向水平支撐應(yīng)驗(yàn)算由于框架部分和排架柱位移變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的附加內(nèi)力”。

上述兩條的規(guī)范用詞都是“應(yīng)”，因此當(dāng)有條件采用空間建模時(shí)，應(yīng)考慮建立合適的屋架和支撐的桿系模型，否則無法得出上述內(nèi)力值。

7)關(guān)于鋼框排架結(jié)構(gòu)的支撐抗震計(jì)算?！稑?gòu)規(guī)》7.6.3條規(guī)定了排架部分縱向交叉形支撐的最大長(zhǎng)細(xì)比(見表5)，7.6.7條規(guī)定了框架部分的最大長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)滿足《抗規(guī)》的要求(即長(zhǎng)細(xì)比不大于150)，這也是比較明確地提出了排架部分和框架部分的支撐構(gòu)件采用不同的長(zhǎng)細(xì)比標(biāo)準(zhǔn)。

表5 交叉形支撐斜桿的最大長(zhǎng)細(xì)化(排架部分縱向支撐)

另外，對(duì)于交叉支撐在水平荷載作用下的壓桿剛度退化的計(jì)算方法，即對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比不超過200且拉壓桿截面相同的交叉性支撐，可以簡(jiǎn)化成單斜拉桿進(jìn)行計(jì)算(見圖2)，同時(shí)將拉桿的計(jì)算截面面積乘以增大系數(shù)(1+φi)，其中，φi為斜壓桿的軸心穩(wěn)定系數(shù)。采用上述方法計(jì)算縱向地震作用時(shí)，可以比較客觀地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度和地震作用的大小，否則會(huì)過高地估計(jì)縱向地震作用，使得支撐內(nèi)力過大而不經(jīng)濟(jì)。

圖2 壓桿剛度退化

8)關(guān)于鋼框排架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度，對(duì)于鋼框排架結(jié)構(gòu)的柱、支撐的計(jì)算長(zhǎng)度，無論是《抗規(guī)》《構(gòu)規(guī)》都沒有給出比較明確的計(jì)算方法，而《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的計(jì)算方法又過于繁瑣，不易操作，同時(shí)該計(jì)算方法是否適合于抗震計(jì)算也是值得商榷的。上述原因造成對(duì)于框架—支撐結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件穩(wěn)定性計(jì)算目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此對(duì)于特種工業(yè)廠房，如火電行業(yè)的結(jié)構(gòu)來說仍舊需要進(jìn)一步研究此類問題;相比而言，《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中的計(jì)算方法顯得比較明確而易于操作，因此建議考慮按照上述規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，或按照澳大利亞的規(guī)范直接進(jìn)行構(gòu)件的二階內(nèi)力分析。

9)結(jié)論。a.《構(gòu)規(guī)》和《抗規(guī)》是我國(guó)2010規(guī)范體系的抗震設(shè)計(jì)方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，二者相互聯(lián)系又各有側(cè)重點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照其所覆蓋的范圍進(jìn)行合理的選擇應(yīng)用。b.《構(gòu)規(guī)》中有關(guān)側(cè)向框排架結(jié)構(gòu)中的條文適合于如電廠框排架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，覆蓋的條文非常全面，應(yīng)該作為抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)。c.《構(gòu)規(guī)》中對(duì)于單跨框架的使用范圍有了一個(gè)較為明確的規(guī)定，使得在廠房布置方案選擇上有相對(duì)的靈活度。d.《構(gòu)規(guī)》中對(duì)于框排架計(jì)算的內(nèi)容相對(duì)比較完整，如彈性位移、彈塑性位移、局部?jī)?nèi)力計(jì)算等方面的內(nèi)容，使得對(duì)于(如電廠)框排架結(jié)構(gòu)計(jì)算的內(nèi)容和深度有了統(tǒng)一的規(guī)定。e.《構(gòu)規(guī)》中仍沒有明確帶支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度取用的問題，特種行業(yè)對(duì)此應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

［1］GB 50191-2012，構(gòu)筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］工業(yè)廠房抗震設(shè)計(jì)［Z］.