鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)中板件寬厚比控制方法

王　廠, 殷素芳

(1.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司, 陜西西安 710000;2.西北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 陜西西安 710000)

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鋼結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)中板件寬厚比控制方法

王廠1, 殷素芳2

(1.信息產(chǎn)業(yè)電子第十一設(shè)計(jì)研究院科技工程股份有限公司, 陜西西安 710000;2.西北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 陜西西安 710000)

【摘要】抗震規(guī)范對(duì)多層鋼結(jié)構(gòu)房屋和單層鋼結(jié)構(gòu)廠房鋼構(gòu)件(梁、柱、支撐)的板件寬厚比有明確的規(guī)定，但在工程設(shè)計(jì)中往往會(huì)被忽視或者理解不深。文章針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)多層房屋和單層廠房總結(jié)了抗震設(shè)計(jì)中構(gòu)件板件寬厚比控制方法。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu);多層房屋;單層廠房;抗震設(shè)計(jì);板件寬厚比

1問題的提出

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)鋼構(gòu)件板件的寬厚比有限制，本文從抗震設(shè)計(jì)的角度考慮，主要適用于在地震作用下構(gòu)件端部可能出現(xiàn)塑性鉸的范圍，非塑性鉸范圍的板件寬厚比可放寬即滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]?？拐鹨?guī)范對(duì)多層鋼結(jié)構(gòu)房屋按照不同抗震等級(jí)和不同類型構(gòu)件(梁、柱、支撐)規(guī)定不同的板件寬厚比限值，對(duì)單層鋼結(jié)構(gòu)廠房區(qū)分為重屋蓋廠房和輕屋蓋廠房。重屋蓋廠房同多層鋼結(jié)構(gòu)房屋按抗震等級(jí)區(qū)別規(guī)定限值，輕屋蓋廠房按照性能設(shè)計(jì)方法分成A、B、C3個(gè)類別控制板件寬厚比。

2相關(guān)設(shè)計(jì)問題的分析

2.1多層鋼結(jié)構(gòu)房屋板件寬厚比控制方法

多層鋼結(jié)構(gòu)房屋板件寬厚比控制(抗震規(guī)范中規(guī)定的限值)是以滿足強(qiáng)柱弱梁為前提，考慮到塑性鉸大部分出現(xiàn)在梁端，梁的翼緣寬厚比限值嚴(yán)于柱的翼緣寬厚比限值。柱子腹板的壓應(yīng)力高于梁腹板，其腹板寬厚比限值嚴(yán)于梁。應(yīng)注意到梁的腹板寬厚比控制限值與梁的軸壓力有關(guān)，在結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段，樓板開裂，梁承受軸力。但彈性分析得不出軸力，因此對(duì)梁的腹板寬厚比規(guī)定了上限限值[2]。鋼結(jié)構(gòu)中心支撐按受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承受很大的軸力，大震下反復(fù)拉壓屈服，因此板件寬厚比均嚴(yán)于梁和柱。表1是抗震規(guī)范規(guī)定的H形截面構(gòu)件板件寬厚比限值。

表1　多層鋼結(jié)構(gòu)房屋H形板件寬厚比限值

2.2單層鋼結(jié)構(gòu)房屋板件寬厚比控制方法

應(yīng)當(dāng)指出，抗震規(guī)范第9章第9.2.1條“單層的輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)符合專門的規(guī)定。”輕鋼門剛房屋荷載輕，7度及以下一般不受地震控制。抗震規(guī)范所指的輕屋蓋廠房區(qū)別于輕鋼廠房，目前輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋遵循的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是CECS102:2002《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》,該規(guī)程第1.0.2條指出“本規(guī)范適用于主要承重結(jié)構(gòu)為單跨或多跨實(shí)腹門式剛架、具有輕型屋蓋和輕型外墻、無橋式吊車或有起重量不大于20t的A1～A5工作級(jí)別橋式吊車或3t懸掛式起重機(jī)的單層房屋鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制作和安裝[3]?！陛p鋼廠房的設(shè)計(jì)高度一般不高于12m(無吊車)或18m(有吊車)，因此，輕鋼規(guī)范對(duì)吊車噸位和房屋高度有限制，有其適用范圍，設(shè)計(jì)控制指標(biāo)松于一般鋼結(jié)構(gòu)房屋。

重屋蓋廠房屋面一般帶有混凝土層，荷載較大，相當(dāng)于多層鋼房屋樓面，因此采用等同于多層框架的方法提高構(gòu)件的延性即控制板件寬厚比。

目前單層鋼結(jié)構(gòu)廠房廣泛采用輕型維護(hù)材料，抗震規(guī)范指出，對(duì)于設(shè)防烈度8度(0.20g)及以下情況，即使按照抗震設(shè)防烈度的地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行彈性計(jì)算，也經(jīng)常出現(xiàn)由非地震組合控制廠房框架受力的情況，因此，具備了采用性能設(shè)計(jì)方法的條件，而且板件寬厚比影響耗鋼量，采用性能設(shè)計(jì)有時(shí)會(huì)大大節(jié)省鋼材。板件寬厚比是構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)延性要求，按照“高延性，低彈性承載力”或“低延性，高彈性承載力”的抗震思路來確定板件寬厚比，可將板件寬厚比的控制分成3類A、B、C?？拐鹨?guī)范在條文說明中給出了性能設(shè)計(jì)方法的具體操作，比較隱蔽，因此廣大設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意此方法，以節(jié)省鋼量取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

STS軟件對(duì)單層鋼結(jié)構(gòu)廠房有參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，將輕屋蓋廠房按“低延性、高彈性承載力”性能化設(shè)計(jì)分成1.5倍地震力作用和2倍地震力作用，就是按照抗震規(guī)范條文說明的思路。表2是常用H形截面板件寬厚比限值。

表2　單層輕屋蓋廠房H形截面構(gòu)件板件寬厚比限值

對(duì)比表1和表2，可知:A類截面相當(dāng)于抗震等級(jí)為一級(jí)和二級(jí)板件寬厚比限值，按抗規(guī)解釋可達(dá)全截面塑性，且塑性鉸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中承載力不降低；B類截面相當(dāng)于三級(jí)和四級(jí)板件寬厚比限值，可達(dá)全截面塑性，在應(yīng)力強(qiáng)化開始前足以抵抗局部屈曲發(fā)生，但由于局部屈曲塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力有限；C類就是彈性設(shè)計(jì)的板件寬厚比限值，滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。從此可以看出，如不采用性能設(shè)計(jì)的方法，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的板件寬厚比還是很嚴(yán)格的，這大大提高了用鋼量，這是因?yàn)橐话銌螌訌S房吊車高度較大，比多層樓層高度高的多，與抗震不利，所以控制嚴(yán)格一些。這點(diǎn)是設(shè)計(jì)者容易忽視的。

單層廠房潛在塑性鉸區(qū)域一般出現(xiàn)在上柱梁底，不同于多層的強(qiáng)柱弱梁，因跨度大，梁一般設(shè)計(jì)的比較高抗彎能力強(qiáng)于柱，往往是強(qiáng)梁弱柱，因此對(duì)柱板件寬厚比控制嚴(yán)格，梁在大震下不出現(xiàn)塑性鉸時(shí)可按C類截面彈性設(shè)計(jì)來控制板件寬厚比。

3工程應(yīng)用

3.1工程概況

某單層鋼廠房帶20t(A6級(jí)) 抓斗橋式起重機(jī)，廠房檐口高度20.0m，縱向柱距為7.50m(圖1)。屋面采用輕質(zhì)材料(雙層壓型鋼板中加保溫棉)，屋面恒荷載取0.20kN/m2,外加0.20kN/m2(燈具吊掛等)的附加荷載，屋面活載取0.30(對(duì)剛架)/0.50(對(duì)檁條)kN/m2。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度(0.20g)，場(chǎng)地分類為Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。基本風(fēng)壓0.35kN/m2，地面粗糙度類別為B類，基本雪壓0.20kN/m2(按荷載規(guī)范對(duì)雪敏感的輕鋼建筑房屋取100年雪壓)。柱和梁鋼材均采用Q345B。

圖1　廠房橫向框架立面

3.2建立模型及選取參數(shù)

采用PKPM系列軟件STS模塊進(jìn)行建模分析，該單層廠房高度超過18m且采用A6級(jí)吊車。雖然是輕鋼屋面，但已不能按輕鋼門規(guī)設(shè)計(jì)。模型參數(shù)選?。航Y(jié)構(gòu)類型選單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范選鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，因輕質(zhì)屋面符合性能設(shè)計(jì)的要求，抗震設(shè)計(jì)采用2倍地震作用，板件寬厚比按C類。柱頂位移按照在風(fēng)荷載作用下限值為1/400控制，鋼柱的長(zhǎng)細(xì)比按照150限值(軸壓比小于0.20)。

因單層房屋高度很高為20m，為了控制側(cè)移和柱子平面內(nèi)穩(wěn)定性，將柱子截面高度做大；大跨度30m，將梁做成適應(yīng)彎矩圖的變截面，以控制撓度和提高抗彎強(qiáng)度。為了取得較好的經(jīng)濟(jì)效果，梁柱腹板取得較薄，在具體設(shè)計(jì)中考慮腹板屈曲后強(qiáng)度。

3.3計(jì)算及結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算分析，如果不按性能設(shè)計(jì)方法中的“低延性高承載力”設(shè)計(jì)，而按抗震規(guī)范的A類或B類控制板件寬厚比，鋼量將大大提高。設(shè)計(jì)中如不選取性能設(shè)計(jì)2倍地震，按圖1計(jì)算模型將出現(xiàn)如下構(gòu)件寬厚比超限信息(表3)。

表3　構(gòu)件計(jì)算超限信息

采用2倍地震作用，板件寬厚比按C類，此時(shí)由于可以按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范考慮腹板屈曲后強(qiáng)度[4]，將大大節(jié)省鋼量，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，單榀鋼架鋼量?jī)H為17t，且柱頂位移為1/434，滿足鋼規(guī)，地震位移為1/300，位移控制也取得了較好的效果。構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定承載力均控制在應(yīng)力比0.90以下，鋼梁撓度最大1/250，也滿足要求。

4結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件板件的寬厚比既是抗震延性的要求，也是影響鋼量的關(guān)鍵指標(biāo)。在鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)中應(yīng)掌握其設(shè)計(jì)方法。對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)房屋，在出現(xiàn)塑性鉸的構(gòu)件端部區(qū)域，應(yīng)按抗震規(guī)范區(qū)分不同抗震等級(jí)控制板件寬厚比，還應(yīng)注意抗震規(guī)范是在強(qiáng)柱弱梁的前提下，梁端出現(xiàn)塑性鉸先于柱端，梁翼緣板件寬厚比限值嚴(yán)于柱，如果是層數(shù)少房屋，例如輕鋼廠房?jī)?nèi)部的單層辦公夾層或者單層工業(yè)平臺(tái)，往往柱先于梁端部出現(xiàn)塑性鉸，則應(yīng)適當(dāng)比抗規(guī)從嚴(yán)控制柱子板件寬厚比，單層重屋面廠房也應(yīng)遵循按抗震等級(jí)控制板件寬厚比。對(duì)于工程中常見的輕質(zhì)屋面廠房，應(yīng)判斷是否超出輕鋼規(guī)范的設(shè)計(jì)范圍，如果符合輕鋼門范的要求，就按照輕鋼門規(guī)設(shè)計(jì)，各種設(shè)計(jì)控制指標(biāo)松于抗震規(guī)范。超出輕鋼門規(guī)規(guī)定的設(shè)計(jì)范圍，就按照抗震規(guī)范中的性能設(shè)計(jì)方法“低延性，高承載力”設(shè)計(jì)，往往能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[4]GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【中圖分類號(hào)】TU392.1; TU352.11

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-01-20