鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)化工裝置常見設(shè)計(jì)問題淺析

劉國強(qiáng) 姜圣潔

摘 要：目前鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系是鋼結(jié)構(gòu)化工裝置中廣泛采用的結(jié)構(gòu)受力體系。本文對(duì)鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的一些問題進(jìn)行了深刻的剖析，同時(shí)針對(duì)問題給出建議和解決方法。

關(guān)鍵詞：鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)；鋼樓梯布置；剛性樓板假定；有效質(zhì)量系數(shù)；性能化設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.086

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，具有結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能好、工業(yè)化生產(chǎn)程度高、施工速度快、有利環(huán)境環(huán)保、空間大等優(yōu)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)逐漸成為化工裝置常見結(jié)構(gòu)形式。鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)中的常用結(jié)構(gòu)體系：鋼柱一般都采用H 型鋼；鋼柱的強(qiáng)軸與鋼梁剛接，形成純框架抗側(cè)力體系；鋼柱的弱軸與鋼梁鉸接，并在適當(dāng)?shù)奈恢迷黾迂Q向柱間支撐，形成支撐結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系。設(shè)備及樓面荷載基本上都通過次梁傳遞到柱強(qiáng)軸的剛接主梁上，組成橫向承重結(jié)構(gòu)體系。

1 鋼樓梯布置

化工裝置內(nèi)布置基于生產(chǎn)工藝和造價(jià)的考慮，習(xí)慣將鋼樓梯布置在框架兩端甚至局部突出部位，該部位鋼樓梯通常采用截面較小鋼柱作為框架柱?？蚣艿恼w計(jì)算中，端部及突出部位承擔(dān)較大的地震力再加上鋼梯柱較小的截面剛度，樓層最大位移比常常出現(xiàn)在框架周邊樓梯鋼柱處。鑒于樓梯部位高彈性和鋼結(jié)構(gòu)高延性的特點(diǎn)，當(dāng)樓層最大位移比出現(xiàn)在此處時(shí)，最大位移比可采用規(guī)范允許的較大限值。當(dāng)樓層最大位移比無法滿足規(guī)范要求的限值時(shí)，建議將鋼樓梯布置在鋼框架內(nèi)部或者采用較大截面樓梯鋼柱。鋼樓梯布置除滿足抗震要求外也應(yīng)考慮中震承載力、變形驗(yàn)算和大震變形驗(yàn)算。

2 剛性樓板假定

化工裝置一般采用花紋鋼板或鋼格柵板作為樓面板。設(shè)計(jì)及施工中花紋鋼板與鋼梁焊縫非完全焊縫，鋼格柵板與鋼梁之間僅靠連接件固定，樓板對(duì)各柱的變形協(xié)調(diào)相對(duì)較弱，也無法滿足規(guī)范要求的剛性樓板假定。由于設(shè)備吊裝預(yù)留安裝孔等各方面的制約， 樓面常常有大范圍的開洞， 甚至局部為了達(dá)到某種要求連樓面板都沒有，剛性樓板假定更難以滿足。規(guī)范中所指的剛性樓板假定，按國外的相關(guān)規(guī)定，樓蓋周邊兩端最大位移不超過平均位移2倍的情況均稱為剛性樓板，超過則屬于柔性樓板。因此當(dāng)在不考慮樓板剛性假定時(shí)，樓層最大位移與平均位移之比大于2，就可按照抗震規(guī)范采用剛性樓板假定核算位移比、周期比等參數(shù)。花紋鋼板或鋼格柵板樓板較弱的變形協(xié)調(diào)造成不足，不考慮剛性板假定的結(jié)構(gòu)計(jì)算很難滿足位移比不大于2的要求。為達(dá)到剛性板假定要求，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置水平支撐作為構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)平面剛度及水平荷載有效傳遞。

3 有效質(zhì)量系數(shù)

有效質(zhì)量系數(shù)是指每個(gè)質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量與其在某一振型中相應(yīng)坐標(biāo)乘積之和與該振型的主質(zhì)量（或者說該模態(tài)質(zhì)量）之比，即為該振型的有效質(zhì)量系數(shù)。為使地震作用計(jì)算更加精確，規(guī)范對(duì)有效質(zhì)量系數(shù)均有控制要要求。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明“5.2.2振型個(gè)數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%所需的振型數(shù)”?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》“5.1.3計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使各振型參與質(zhì)量之和不小于總質(zhì)量的90%”。

當(dāng)采用側(cè)剛模型計(jì)算時(shí)，每個(gè)樓層均只有三個(gè)自由度，相當(dāng)于采用了剛性板假定。通常結(jié)構(gòu)有效質(zhì)量系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求。當(dāng)采用總剛模型計(jì)算時(shí)，正如前述的樓面剛度不足（設(shè)計(jì)中通常取樓板厚度為0）缺少對(duì)構(gòu)件的約束，再加上局部較重設(shè)備引起鋼梁局部振動(dòng)，使結(jié)構(gòu)自由度增加。當(dāng)采用3倍樓層的振型數(shù)進(jìn)行總剛模型計(jì)算，鋼結(jié)構(gòu)的有效質(zhì)量系數(shù)常小于規(guī)范規(guī)定的0.9。此時(shí)對(duì)模型進(jìn)行如下調(diào)整：（1）總剛模型計(jì)算時(shí)擴(kuò)大振型數(shù)保證振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%。（2）對(duì)低階振型中的局部振動(dòng)進(jìn)行構(gòu)件加強(qiáng)。（3）樓面設(shè)水平支撐保證結(jié)構(gòu)平面剛度。

4 性能化設(shè)計(jì)

化工裝置布置復(fù)雜不規(guī)則且具有較高的危險(xiǎn)性，以抗震設(shè)防作為單一的評(píng)價(jià)目標(biāo)是不全面的。結(jié)構(gòu)除滿足基本抗震設(shè)防要求外，結(jié)構(gòu)構(gòu)件上應(yīng)適當(dāng)開展性能化設(shè)計(jì)，以保證設(shè)防地震甚至大震下的結(jié)構(gòu)安全。隨著規(guī)范更新，新版《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中增加了鋼結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)，從一定程度上給出了復(fù)核計(jì)算的新方法。性能化設(shè)計(jì)的核心思想是在結(jié)構(gòu)延性和承載力之間找到平衡點(diǎn)達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。性能化設(shè)計(jì)應(yīng)遵循三個(gè)設(shè)計(jì)步驟：（1）驗(yàn)算設(shè)防烈度下多遇地震作用的結(jié)構(gòu)承載力和結(jié)構(gòu)側(cè)移（小震不壞）。（2）依據(jù)抗震設(shè)防類別選擇塑性耗能區(qū)的承載性能等級(jí)并進(jìn)行設(shè)防地震下的承載力驗(yàn)算，承載力滿足要求的前提下針對(duì)不同延性等級(jí)確定抗震措施（中震可修）。（3）驗(yàn)算罕遇地震作用下的彈塑性變形，保證延性水平的合理利用防止結(jié)構(gòu)剛度過?。ù笳鸩坏梗?。

按新版《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中第3.5.1條進(jìn)行受彎和壓彎構(gòu)件計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)截面板件寬厚比與應(yīng)力梯度相關(guān)。應(yīng)力梯度隨荷載不斷變化，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)梁柱的寬厚比隨之發(fā)生調(diào)整。實(shí)際工程中的化工裝置技改升級(jí)，布置荷載調(diào)整難以避免，可能出現(xiàn)構(gòu)件寬厚比不滿足要求。為避免升級(jí)改造中可能發(fā)生的問題，建議當(dāng)計(jì)算寬厚比接近性能限值時(shí)，設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇更高要求的寬厚比等級(jí)。

鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系中，柱間支撐以及主梁主柱是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多類型復(fù)核。結(jié)構(gòu)構(gòu)件除應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的構(gòu)造措施外尚應(yīng)滿足性能化設(shè)計(jì)下中震承載力和變形要求、大震彈塑性變形要求?？挂?guī)與新鋼標(biāo)兩本規(guī)范不是傳統(tǒng)認(rèn)知的一本規(guī)范包絡(luò)另一本規(guī)范，抗震等級(jí)與寬厚比等級(jí)也不對(duì)應(yīng)，我們應(yīng)依據(jù)各自規(guī)范控制條件去控制。

5 結(jié)語

（1）石油化工鋼框架的設(shè)計(jì)因工藝布置的特殊要求和結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，在諸多方面不滿足抗震規(guī)范要求的基本假設(shè)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分理解并嚴(yán)格遵守相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定。工程設(shè)計(jì)中合理調(diào)整布置，在適當(dāng)情況下進(jìn)行多性能驗(yàn)算，保證結(jié)構(gòu)安全。

（2）注意鋼樓梯布置對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響；分析振型，避免局部振動(dòng)；鋼結(jié)構(gòu)樓層宜設(shè)置水平支撐，增強(qiáng)水平剛度，有效傳遞水平荷載；針對(duì)結(jié)構(gòu)形式自身特點(diǎn)，合理利用性能化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：劉國強(qiáng)（1987-），男，山東泰安人，本科，助理工程師，從事石油化工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。