基于抗震性能化的單層鋼結構廠房設計思路對比

李顯峰

(中冶南方工程技術有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

單層鋼結構廠房是指層數(shù)為一層的鋼結構廠房，廣泛應用于冶金、電力、機械制造、化工等行業(yè)。這類鋼結構廠房的特點是生產(chǎn)設備體積大、重量重、廠房內(nèi)以水平運輸為主。在鋼結構廠房設計中，板件寬厚比是保證廠房剛架延性的關鍵指標，也是影響單位面積耗鋼量的關鍵指標。板件寬厚比應滿足《鋼結構設計標準》[1]3.5.1條的要求，抗震設防地區(qū)的結構還應滿足《建筑抗震設計規(guī)范》[2]9.2.14條的要求。結構的抗震性能化設計，立足于承載力和變形能力(延性)的綜合考慮，其做法常常是通過提高承載力推遲結構進入塑性工作階段并減少塑性變形。因此，根據(jù)抗震性能化的設計理念，對于同一抗震性能目標的結構或構件，可通過設計不同的抗震承載力進而對應不同的變形能力，從而確定不同的板件寬厚比限值。

在實際工程中，采用何種板件寬厚比既能滿足規(guī)范要求，又更經(jīng)濟，是設計人員經(jīng)常要面對的問題?，F(xiàn)以某煉鋼廠的爐渣間單層鋼結構廠房為例，對于不同基本風壓和抗震設防烈度的設計條件，采用抗震性能化設計方法分別計算，得到廠房剛架計算的控制組合和耗鋼量，對其進行對比分析，以期為同類型鋼結構廠房設計提供借鑒。

1 工程概況及荷載取值

爐渣間廠房為單跨結構，跨度為33.0 m，平均柱距為24.0 m，檐口標高為28.0 m。屋面及墻皮均采用單層壓型鋼板封閉。廠房內(nèi)設單層吊車，吊車軌面標高為18.0 m。

吊車參數(shù)如表1所示。

表1 吊車參數(shù)表

基本雪壓：0.45 kN/m2。

積灰荷載：0.30 kN/m2。

屋面活荷載[3]：0.30 kN/m2。

設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類。本廠房結構抗震設防類別為丙類。

抗震設防烈度和基本地震加速度如表2所示。

表2 地震參數(shù)表

基本風壓(距地面10 m處)：0.30 kN/m2，0.40 kN/m2，0.50 kN/m2，0.60 kN/m2，0.70 kN/m2，0.80 kN/m2。

地面粗糙度B類。

2 結構選型

本廠房橫向采用剛接框架(剛架)受力體系，縱向采用由柱、柱間支撐、系桿及吊車梁組成的鉸接排架受力體系。廠房柱采用單階柱，在吊車梁標高處變階。下柱采用雙H型鋼格構式柱，上柱采用H型鋼實腹式柱。屋架上下弦采用熱軋剖分T型鋼，腹桿采用熱軋鋼管。屋架與柱頂剛接。剛架結構立面如圖1所示。

3 剛架計算與對比

3.1 規(guī)范規(guī)定

《建筑抗震設計規(guī)范》9.2.14條第2款規(guī)定：“輕屋蓋廠房，塑性耗能區(qū)板件寬厚比限值可根據(jù)其承載力的高低按性能目標確定?！?9.2.14條條文說明規(guī)定：“……如果采用性能化設計的方法，可以分別按高延性、低彈性承載力或低延性、高彈性承載力的抗震設計思路來確定板件寬厚比。即通過廠房框架承受的地震力與其具有的彈性抗力進行比較來選擇板件寬厚比?！碑敇嫾膹姸群头€(wěn)定承載力均滿足高承載力——2倍多遇地震作用下的要求即式(1)時，可直接采用《鋼結構設計標準》彈性設計階段的板件寬厚比限值，即C類；當強度和穩(wěn)定承載力均滿足中等承載力——1.5倍多遇地震作用下的要求即式(2)時，板件寬厚比限值按B類；當強度和穩(wěn)定承載力均滿足低承載力——1倍多遇地震作用下的要求即式(3)時，板件寬厚比限值按A類。

γG·SGE+γEh·2SE≤R/γRE

(1)

γG·SGE+γEh·1.5SE≤R/γRE

(2)

γG·SGE+γEh·SE≤R/γRE

(3)

H型截面柱的板件寬厚比限值如表3所示。

表3 H型截面柱的板件寬厚比限值

3.2 剛架計算控制組合的對比與分析

將不同地震設防烈度和基本風壓分為36種情況，每種情況均按高延性、低彈性承載力(1倍多遇地震組合，簡稱1E地震組合)和低延性、高彈性承載力(2倍多遇地震組合，簡稱2E地震組合)兩種抗震性能化設計思路分別計算。通過計算，得到各種情況下的剛架內(nèi)力控制組合如表4所示。

表4 不同基本地震加速度及基本風壓下內(nèi)力控制組合表

表4中，非震組合為控制組合的含義為：非地震組合內(nèi)力>2E地震組合內(nèi)力>1E地震組合內(nèi)力；2E震組合為控制組合的含義為：2E地震組合內(nèi)力>非地震組合內(nèi)力>1E地震組合內(nèi)力；1E地震組合為控制組合的含義為：2E地震組合內(nèi)力>1E地震組合內(nèi)力>非地震組合內(nèi)力。

由表4可知，對于輕型屋蓋的單層鋼結構廠房[4-5]，在地震烈度不大于7度(0.15g)的地區(qū)，非地震組合為控制組合，此種情況可直接采用低延性、高彈性承載力的性能化設計思路，既不增大組合內(nèi)力，又可放松板件寬厚比限值。

在地震烈度為8度(0.20g)的地區(qū)，當基本風壓較大時(≥0.50 kN/m2)，非地震組合為控制組合，此種情況可直接采用低延性、高彈性承載力的性能化設計思路，既不增大組合內(nèi)力，又可放松板件寬厚比限值。當基本風壓較小時(≤0.40 kN/m2)，2E地震組合為控制組合，若采用高延性、低彈性承載力的設計思路，板件寬厚比限值應滿足《建筑抗震設計規(guī)范》的要求，要求較高；若采用低延性、高彈性承載力的設計思路，會得到較大的組合內(nèi)力，但可放松板件寬厚比限值，此種情況，應對兩種性能化設計思路的剛架分別進行計算，根據(jù)耗鋼量對比最終確定采用哪種設計思路。

在地震烈度為8度(0.30g)的地區(qū)，2E地震組合為控制組合，若采用高延性、低彈性承載力的設計思路，板件寬厚比限值應滿足《建筑抗震設計規(guī)范》的要求，要求較高；若采用低延性、高彈性承載力的設計思路，會得到較大的組合內(nèi)力，但可放松板件寬厚比限值，此種情況，應對兩種性能化設計思路的剛架分別進行計算，根據(jù)耗鋼量對比最終確定采用哪種設計思路。

在地震烈度為9度(0.40g)的地區(qū)，當基本風壓較小時(≤0.40 kN/m2)，1E地震組合為控制組合，若采用高延性、低彈性承載力的設計思路，板件寬厚比限值應滿足《建筑抗震設計規(guī)范》的要求，要求較高；若采用低延性、高彈性承載力的設計思路，雖然可放松板件寬厚比限值，但控制組合內(nèi)力會大大增加，一般難以降低耗鋼量，此種情況宜采用高延性、低彈性承載力的性能化設計思路。當基本風壓較較大時(≥0.50 kN/m2) 2E地震組合為控制組合，若采用高延性、低彈性承載力的性能化設計思路，板件寬厚比限值應滿足《建筑抗震設計規(guī)范》的要求，要求較高；若采用低延性、高彈性承載力的設計思路，會得到較大的組合內(nèi)力，但可放松板件寬厚比限值，此種情況，應對兩種設計思路的剛架分別進行計算，根據(jù)耗鋼量對比最終確定采用哪種設計思路。

3.3 滿足強度要求的剛架位移對比與分析

剛架強度計算滿足后，還必須對位移進行驗算，根據(jù)《鋼結構設計標準》B.2.1條，將風荷載作用下的柱頂位移控制在H/400以內(nèi)。

不同基本地震加速度和基本風壓狀況下，按強度計算確定的剛架截面，水平位移驗算結果如表5所示。

表5 不同基本地震加速度及基本風壓下剛架水平位移驗算表

由表5可知，當基本風壓較小(≤0.50 kN/m2)時，滿足強度要求的剛架水平位移滿足限值要求；當基本風壓較大(≥0.60 kN/m2)時，滿足強度要求的剛架水平位移超限，需要額外增大構件截面直至位移滿足限值要求。水平位移是否滿足要求一般只與基本風壓大小有關，與抗震設防烈度和基本地震加速度無關。

3.4 采用兩種抗震性能化設計思路的剛架耗鋼量對比與分析

對不同地震設防烈度和基本風壓的情況，按高延性、低彈性承載力(1倍地震)和低延性、高彈性承載力(2倍地震)兩種性能化設計思路分別計算[6-7]，同時滿足強度和位移要求的每榀剛架耗鋼量如表6所示。

由表6可知，對于基本地震加速度不大于0.15g的情況，風荷載起控制作用，采用低延性、高彈性承載力的性能化設計思路剛架耗鋼量更低，并且剛架耗鋼量僅與基本風壓有關，與基本地震加速度完全無關。

表6 兩種抗震性能化設計思路的剛架耗鋼量表

對于基本地震加速度為0.20g的情況，風荷載起控制作用，采用低延性、高彈性承載力的性能化設計思路剛架耗鋼量更低。并且僅當基本風壓較小時(≤0.40 kN/m2)與基本地震加速度有關；當基本風壓較大時(≥0.50 kN/m2)剛架耗鋼量僅與基本風壓有關，與基本地震加速度完全無關。

對于基本地震加速度為0.30g的情況，當基本風壓較小時(≤0.50 kN/m2)，地震作用起控制作用，采用高延性、低彈性承載力的性能化設計思路剛架耗鋼量更低；當基本風壓較大時(≥0.60 kN/m2)，風荷載起控制作用，采用低延性、高彈性承載力的性能化設計思路剛架耗鋼量更低。

對于基本地震加速度為0.40g的情況，在常見的基本風壓條件下，地震作用起控制作用，采用高延性、低彈性承載力的抗震設計思路剛架耗鋼量更低；僅當基本風壓很大時(≥0.80 kN/m2)，風荷載起控制作用，采用低延性、高彈性承載力的性能化設計思路剛架耗鋼量更低。

3.5 不同基本地震加速度和基本風壓對剛架耗鋼量的影響對比

在表7中，選用耗鋼量低的性能化設計思路，確定最終的耗鋼量，并將各種情況下的耗鋼量與設防烈度為6度(0.05g)且基本風壓為0.30 kN/m2的耗鋼量進行對比，如表7所示。

表7 不同基本地震加速度和基本風壓下剛架耗鋼量對比

由表7可知，對于輕型屋蓋單層鋼結構廠房，當基本地震加速度不大于0.20g時，不同的基本地震加速度對剛架耗鋼量基本沒有影響；僅當基本地震加速度不小于0.30g時，地震作用才會引起剛架耗鋼量的明顯增加，耗鋼量增加約2%～8%，在基本風壓較小的地區(qū)，基本地震加速度的增加引起耗鋼量增加更明顯。

基本風壓是影響輕型屋蓋單層鋼結構廠房剛架耗鋼量的重要因素，耗鋼量隨著基本風壓的增加明顯增加，隨著基本風壓由0.30 kN/m2增加到0.80 kN/m2，耗鋼量增加了39%～44%。特別是當基本風壓不小于0.60 kN/m2時，剛架計算由變形控制，剛架耗鋼量對風荷載更加敏感，基本風壓每增加0.10 kN/m2，耗鋼量增加約10%～15%。

4 結語

抗震性能化設計是以結構抗震性能目標為基準的結構設計方法，近年來成為工程界解決抗震設計問題的基本方法?？拐鹦阅芑O計的基本思路是“高延性、低彈性承載力”或“低延性、高彈性承載力”，通過提高承載力可以推遲結構進入塑性工作階段并減小塑性變形，由此放松對板件寬厚比的限值?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》9.2.14條關于輕型屋蓋單層鋼結構廠房劃分A類、B類、C類截面對板件寬厚比限值的規(guī)定，是抗震性能化設計的簡化處理方法，應用起來簡便易行。通過計算對比可知，在不同基本地震加速度和基本風壓的情況下，采用不同的性能化設計思路經(jīng)濟性是不同的。

對于輕型屋蓋單層鋼結構廠房，風荷載是影響剛架耗鋼量的重要因素。當基本風壓不小于0.60 kN/m2時，剛架計算由水平位移控制，基本風壓對耗鋼量的影響更加明顯。在基本地震加速度不大于0.20g的地區(qū)，采用低延性、高彈性承載力的性能化設計思路剛架耗鋼量更低。在基本地震加速度為0.30g的地區(qū)，當基本風壓較小時，采用高延性、低彈性承載力的性能化設計思路剛架耗鋼量更低；當基本風壓較大時，采用低延性、高彈性承載力的性能化設計思路剛架耗鋼量更低。在基本地震加速度為0.40g的地區(qū)，除基本風壓不小于0.80 kN/m2外，采用高延性、低彈性承載力的性能化設計思路剛架耗鋼量更低。

值得注意的是，抗震性能化設計尋求結構和構件的承載力與變形能力的合理平衡點。《建筑抗震設計規(guī)范》9.2.14條 關于結構構件抗震承載力和對應的寬厚比限值，是根據(jù)抗震性能化設計的基本原則，結合工程設計的可操作性而人為規(guī)定的具體限值。實際工程中應綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、結構復雜程度及規(guī)則性、建造費用、震后修復難易程度等因素，對于關鍵部位應合理加強其承載力和變形能力，不可片面追求耗鋼量的降低，而忽視了性能化設計的初衷。