特種工業廠房框排架結構設計的探討

趙澤寧

(海南元正建筑設計咨詢有限責任公司，海南海口 570208)

我國GB 50191-2012構筑抗震設計規范(以下簡稱《構規》)自2012年10月起開始實施，作為涵蓋工業廠房及特種結構在內的抗震設計規范和GB 50011-2010建筑抗震設計規范(以下簡稱《抗規》)，完成了我國構筑物抗震規范體系的全面升級。本文針對框排架結構中比較關注的問題，并結合《構規》的具體條文，及《抗規》的有關內容進行分析和梳理。

1)框排架結構的規范對應工業廠房框排架結構屬于一種結構體系比較復雜的聯合結構，按照《抗規》附錄H的界定，屬于多層工業廠房中的一類，鋼筋混凝土框排架結構分為豎向框排架結構體系和側向框排架結構(見圖1)。

圖1 框排架結構

根據相關解釋，對于兩種形式的框排架結構，可以得出如下的規范覆蓋關系(見表1)。

表1 框排架結構的規范覆蓋關系

2)“有筒倉”和“無筒倉”框排架結構《構規》中將框排架結構分為設置筒倉類和不設筒倉類兩種，其中“有筒倉”的框排架指鋼筋混凝土倉壁兼做框架結構的橫縱梁，規范中針對“有筒倉”的框排架，對其結構高度限制、抗震等級和側移限制等內容的規定均要比“無筒倉”的框排架相對嚴格。

3)有關“單跨框架”的限定使用規定《構規》6.1.11條規定了對于單跨框架的限定性要求，相對于《抗規》來說，不再區分設防類別，限定性由“不應”改為了“不宜”。應該說《構規》的規定更加靈活一些。《抗規》規定“甲乙類建筑及高度大于24 m的丙類建筑，不應采用單跨框架結構，高度大于24 m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構”?！稑嬕帯芬幎ā翱蚺偶芙Y構中框架部分高度大于24 m時，不宜采用單跨框架結構”。例如:對于大多數采用鋼煤斗的框排架結構，前煤倉布置形式來說，由于煤倉間結構屋面標高均大于24 m，因此對于前煤倉結構來說“不宜”采用單跨框架結構;而對于側煤倉布置方式而言，煤倉間結構屬于高度大于24 m的框架結構，所以套用《抗規》“不應”采用單跨框架結構。對于由除氧間和汽機房組成的框排架結構，只要框架部分的結構高度不大于24 m，也可以采用單跨框架結構，這對于大多數露天布置的除氧間框架來說，一般來說可以實現(見表2)。

表2 對單跨框架結構的限定性要求

有關抗震變形限值的規定。

《構規》6.2.26條和6.2.27條規定了框排架結構的位移計算要求，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定，對于排架柱的彈性位移角沒有具體的數值規定，只是在6.2.26條的條文解釋中要求“工業廠房的彈性層間位移角需根據吊車使用要求加以限制，嚴于抗震要求，排架柱的彈性位移應滿足吊車的使用要求”。

4)排架結構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構容許值應有所放松。但是由于廠房內有吊車存在，排架柱的水平位移限值應根據吊車在小震作用下不影響正常使用的原則來進行控制，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鋼結構設計規范附錄A.2.1條規定“在風荷載作用下，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構技術規程第3.4.2條規定“柱頂位移設計值(在有橋式吊車)為h/400”。綜上所述，可以認為有吊車的排架柱的柱頂彈性水平位移應按照h/400進行控制(見表3)。

表3 無筒倉框架結構的位移角限值

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

5)彈塑性計算方法的規定目前行業內計算彈塑性位移的方法有三種，主要是規范簡化法、靜力彈塑性法(push-over)以及彈塑性時程法，分列于下表(見表4)。

表4 彈塑性分析方法

《構規》第6.2.27條中規定對框排架結構應采用“靜力彈塑性分析方法和彈塑性時程分析方法”，不再提及簡化計算公式，這對我們的計算提出了較高的要求。由于目前大量使用的SATWE軟件的計算方法是采用《抗規》規定的簡化計算公式，由于框排架結構的復雜性，因此彈塑性變形的結果不能直接使用(只能作為參考)，而彈塑性時程計算方法要求進行構件級別的模擬，尤其是材料的非線性特點以及考慮構件開裂后對特性的模擬，要求較高且計算量超大，不太適合于工程設計。因此，應采用相對較易理解的，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)關于屋架結構參與整體計算的規定。a.《構規》6.2.19條規定“針對7度(0.15g)Ⅲ，Ⅳ類場地和8度9度時，應計算排架跨的屋架下弦的拉壓效應，核算屋架承載力”。b.《構規》6.2.22條規定，“針對7度(0.15g)Ⅲ，Ⅳ類場地和8度9度時，端部橫向水平支撐應驗算由于框架部分和排架柱位移變形不協調產生的附加內力”。

上述兩條的規范用詞都是“應”，因此當有條件采用空間建模時，應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力值。

7)關于鋼框排架結構的支撐抗震計算。《構規》7.6.3條規定了排架部分縱向交叉形支撐的最大長細比(見表5)，7.6.7條規定了框架部分的最大長細比應滿足《抗規》的要求(即長細比不大于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件采用不同的長細比標準。

表5 交叉形支撐斜桿的最大長細化(排架部分縱向支撐)

另外，對于交叉支撐在水平荷載作用下的壓桿剛度退化的計算方法，即對于長細比不超過200且拉壓桿截面相同的交叉性支撐，可以簡化成單斜拉桿進行計算(見圖2)，同時將拉桿的計算截面面積乘以增大系數(1+φi)，其中，φi為斜壓桿的軸心穩定系數。采用上述方法計算縱向地震作用時，可以比較客觀地反應結構的實際剛度和地震作用的大小，否則會過高地估計縱向地震作用，使得支撐內力過大而不經濟。

圖2 壓桿剛度退化

8)關于鋼框排架結構的構件計算長度，對于鋼框排架結構的柱、支撐的計算長度，無論是《抗規》《構規》都沒有給出比較明確的計算方法，而《鋼結構設計規范》中給出的計算方法又過于繁瑣，不易操作，同時該計算方法是否適合于抗震計算也是值得商榷的。上述原因造成對于框架—支撐結構中的構件穩定性計算目前還沒有統一的標準，因此對于特種工業廠房，如火電行業的結構來說仍舊需要進一步研究此類問題;相比而言，《高層民用建筑鋼結構設計規程》中的計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范進行計算，或按照澳大利亞的規范直接進行構件的二階內力分析。

9)結論。a.《構規》和《抗規》是我國2010規范體系的抗震設計方面的國家標準，二者相互聯系又各有側重點，在結構設計時應按照其所覆蓋的范圍進行合理的選擇應用。b.《構規》中有關側向框排架結構中的條文適合于如電廠框排架結構的設計，覆蓋的條文非常全面，應該作為抗震設計的依據。c.《構規》中對于單跨框架的使用范圍有了一個較為明確的規定，使得在廠房布置方案選擇上有相對的靈活度。d.《構規》中對于框排架計算的內容相對比較完整，如彈性位移、彈塑性位移、局部內力計算等方面的內容，使得對于(如電廠)框排架結構計算的內容和深度有了統一的規定。e.《構規》中仍沒有明確帶支撐結構的構件計算長度取用的問題，特種行業對此應進行進一步的深入研究。

［1］GB 50191-2012，構筑抗震設計規范［S］.

［2］工業廠房抗震設計［Z］.