關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的抗震設計分析

藍天

廈門紫金工程設計有限公司（361000）

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的抗震設計分析

藍天

廈門紫金工程設計有限公司（361000）

鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、塑性韌性好、自重小、制作簡便、施工工期短、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。在工業(yè)建筑中得到廣泛應用。這里結(jié)合實際工作經(jīng)驗，分析鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的優(yōu)缺點，并針對某工程鋼結(jié)構(gòu)抗震設計進行了解析說明。

結(jié)構(gòu)設計；結(jié)構(gòu)選型；抗震概念

1 工程概況

某廠房為敞開式建筑物；主體高75 m，平面尺寸主要跨度為10 m，局部6.3 m，總長度為55.6 m，寬度為30 m;立面分別在18，23，50 m局部收進；層高按工藝流程布置，最高層高為底層10 m，最低層高為第4層4.5 m；該廠房是全廠裝置的核心，布置有兩套生產(chǎn)線,單套生產(chǎn)線共有114臺設備，依工藝流程從地面到頂布置,平面及豎向質(zhì)量分布不均勻，主要分布在14 m、27 m、32 m、68 m、76 m平面上，100 t以上的設備有6臺,最重的原料煤貯倉布置在32 m，重量達500 t。該廠房主體結(jié)構(gòu)設計使用年限為50年,建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級。因該廠房為化工類主要生產(chǎn)裝置,根據(jù)GB 50453—2008《石油化工建（構(gòu)）筑物抗震設防分類標準》，為乙類建筑。建筑抗震設防烈度為7，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.10 g，項目場地土類型為中硬場地土，場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為B類，地基基礎設計等級為甲類。

2 結(jié)構(gòu)選型

主體結(jié)構(gòu)除了滿足強度、剛度、穩(wěn)定以及變形要求外，還要滿足其工藝生產(chǎn)特點。綜合多種因素，考慮到化工生產(chǎn)裝置設備、管線布置特點，將廠房主體結(jié)構(gòu)方案選為鋼支撐―框架結(jié)構(gòu),從基礎頂至32 m設計為鋼支撐―混凝土框架結(jié)構(gòu)，32 m至結(jié)構(gòu)頂部為鋼支撐―鋼框架結(jié)構(gòu)，27～32 m為混凝土結(jié)構(gòu)向鋼結(jié)構(gòu)過渡層。因該廠房跨度大、荷載重，梁柱截面尺寸大，為方便混凝土結(jié)構(gòu)施工以及節(jié)約投資，27 m以下采用混凝土柱。垂直支撐采用中心支撐,主要布置在荷載較大的柱間，且從基礎頂?shù)巾攲迂炌ú贾茫菇Y(jié)構(gòu)的剛度中心質(zhì)心滿足規(guī)范要求[2]。

3 抗震概念設計

3.1 抗震等級劃分

抗震設計時,高層建筑應根據(jù)設防烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級，并應符合相應的計算和構(gòu)造要求。對于該結(jié)構(gòu)，抗震等級的劃分不應按鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)各自的高度來劃分，而應按結(jié)構(gòu)整體高度來劃分。廠房為乙類建筑，按提高1度確定抗震等級,因此32 m以上部分鋼結(jié)構(gòu)抗震等級為二級；32 m以下部分經(jīng)計算，混凝土框架承擔的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%，按混凝土框架結(jié)構(gòu)來劃分，抗震等級為一級，鋼結(jié)構(gòu)部分仍為二級。

3.2 阻尼比的取值

在多遇地震作用下,混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05；鋼結(jié)構(gòu)高度不大于50 m時取0.04，高度大于50 m時取0.03；型鋼混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04；該結(jié)構(gòu)中混凝土與鋼結(jié)構(gòu)材料比約為6:4，綜合考慮，多遇地震下計算阻尼比取0.04，罕遇地震下彈塑性分析取0.05。

3.3 主要抗側(cè)力構(gòu)件材料和截面選用

結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件為框架梁、柱和垂直支撐。為增強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，鋼柱選用箱型柱，框架鋼梁以標準H型鋼梁為主，部分框架鋼梁和垂直支撐采用焊接H型鋼梁,材料均采用Q345GJC，構(gòu)件截面尺寸滿足長細比、寬厚比限值要求。除部分承擔大型設備的鋼梁采用Q345B外，其余次梁和平臺梁均采用Q235B。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)和混凝土連接部位的處理方案

結(jié)構(gòu)32 m以上為鋼結(jié)構(gòu)，32 m以下為混凝土結(jié)構(gòu)，這兩種不同的結(jié)構(gòu)必須要有合理的過渡才能使上部結(jié)構(gòu)的應力有效、明確地傳到下部結(jié)構(gòu)。兩種不同的結(jié)構(gòu)連接有多種設計方式,如在32 m混凝土柱頂直接設鋼結(jié)構(gòu)柱腳，或在鋼結(jié)構(gòu)柱腳的基礎上按照外包式柱腳的原理外包鋼筋混凝土。這些方案對一般輕型鋼結(jié)構(gòu)、多層混合結(jié)構(gòu)以及非抗震設防區(qū)較為適用。我國是地震多發(fā)區(qū)域，且上部鋼結(jié)構(gòu)高度高、設備重，經(jīng)比較采用插入式柱腳，將上部鋼柱向下延伸一層到27 m，鋼柱按型鋼混凝土柱的構(gòu)造要求設栓釘，能保證鋼結(jié)構(gòu)與混凝土之間的應力傳遞。

采用插入式柱腳,該層柱為型鋼混凝土柱。為滿足混凝土框架梁鋼筋在柱節(jié)點處的錨固和搭接，將框架梁加寬，在箱型柱中按構(gòu)造要求打孔并焊接一短牛腿，梁兩邊的鋼筋直接通過柱，中間的鋼筋一部分雙面焊接在短牛腿上，另一部分直接穿孔通過箱型柱。頂部梁柱鋼筋的錨固采用梁筋錨入柱內(nèi)的方式，柱外層鋼筋在梁頂水平段內(nèi)加焊短筋以增強錨固。

3.5 設備及管道對結(jié)構(gòu)剛度的影響

廠房內(nèi)從底層到頂層布置了幾百臺設備和上千根管道。設備與梁有兩種連接方式，一種是設備基座或支座通過螺栓與梁相連，另一種是設備支腿直接焊接在鋼梁或混凝土梁頂預埋件上。設備之間通過管道相連，部分管道通過焊接在梁上的支吊架支承著。這些設備和管道與主體結(jié)構(gòu)一樣在使用期間一直存在。關(guān)于設備和管道對結(jié)構(gòu)剛度的影響,從目前的技術(shù)手段來看，難以定量分析，但不能忽略設備和管道對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻。用周期折減系數(shù)來考慮其對結(jié)構(gòu)剛度的影響，該結(jié)構(gòu)取0.75。

4 結(jié)構(gòu)布置中的超限判定

從工藝專業(yè)提供的設計布置圖和初步討論的結(jié)構(gòu)主體方案為鋼支撐―框架結(jié)構(gòu)來分析，根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范及《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點》（建質(zhì)【2010】109號），本工程有4項指標超限，屬于不規(guī)則的復雜高層結(jié)構(gòu)[3]。

5 抗震計算方法和分析

在滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性的要求下,結(jié)構(gòu)分析時根據(jù)計算的目標,改變和調(diào)整設計參數(shù)，反復試算，逐步確定結(jié)構(gòu)主體抗側(cè)力構(gòu)件的大小和截面配筋。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，采用SATWE按振型分解反應譜法進行彈性靜力分析，通過設計參數(shù)和構(gòu)件尺寸的調(diào)整，使結(jié)構(gòu)設計滿足要求。用ETABS設計軟件進行核對分析和整體驗算，用SATWE按彈性時程分析進行彈性靜力分析以補充計算。最后進行建筑抗震性能化設計。混凝土框架部分承擔的地震作用,按框架結(jié)構(gòu)和支撐框架結(jié)構(gòu)兩種模型計算，取二者的較大值。結(jié)構(gòu)配筋以SATWE靜力計算結(jié)果和抗震性能化設計結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合抗震構(gòu)造措施進行構(gòu)件配筋[4]。

5.1 結(jié)構(gòu)靜力分析

因結(jié)構(gòu)重量和剛度分布不均勻，計算中考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，計入雙向水平地震力。對單項水平力加偶然偏心的影響也進行計算，取不利結(jié)果。在計算位移、剛度比、承載力比等整體參數(shù)時，程序按對所有樓層強制采用剛性樓板假定進行分析。在計算內(nèi)力和配筋時，程序按樓板實際剛度進行分析計算。

從初步選定的構(gòu)件截面和設定的計算參數(shù)分析結(jié)果來看，鋼支撐―鋼框架結(jié)構(gòu)中支撐框架承擔的水平力大于60%。鋼支撐―混凝土框架結(jié)構(gòu)中支撐框架承擔的水平力不足30%，主要原因是混凝土柱受軸壓比控制截面尺寸大，混凝土框架部分結(jié)構(gòu)整體剛度大，承擔了大部分水平力。中柱軸壓比在第2層超限，第1、第2兩層的剛度比超限，第2層的承載力比超限，第2、第5層的偏心率超限。超限的主要原因在于1～3層層高分別為10 m、6 m、4.5 m，層高變化太大。另外，設備重量分布差異較大也是主要原因之一。通過調(diào)整框架梁、柱、垂直支撐和混凝土強度等級，除偏心率外超限部分均滿足規(guī)范要求。最終混凝土柱的變截面尺寸①軸～③軸為1 300 mm×1 300 mm（1層）、1 200 mm×1 200 mm（2～3層）、1 100 mm×1 100 mm（4～6層），③軸～⑤軸為1 600 mm×1 600 mm（1層）、1 400 mm×1 400 mm（2～3層）、1 200 mm×1 200 mm（4～6層），⑥軸～⑦軸為900 mm×900 mm（1層）、700 mm×700 mm（2～6層）。箱型柱①軸～②軸為400 mm×400 mm×18 mm（7～10層）、③軸～⑤軸為600 mm×600 mm×22 mm×22 mm（7～14層）。混凝土強度等級為C50（1層）、C45（2層）、C40（3～6層）。

5.2 抗震性能化設計

針對鋼支撐——框架結(jié)構(gòu)，支撐框架和框架柱是整個結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵構(gòu)件，支承設備的梁是結(jié)構(gòu)體系中的重要構(gòu)件，綜合考慮，結(jié)構(gòu)抗震性能目標選定為C級；進行多遇地震下第1性能水準、設防烈度地震下第3性能水準和預估的罕遇地震下第4性能水準的抗震設計。在SATWE計算參數(shù)中,點取設防烈度地震下設計不屈服參數(shù)，地震影響系數(shù)取0.23。通過比較，設防烈度地震下的設計不屈服的計算結(jié)果為彈性計算結(jié)果的75%左右,主要原因是結(jié)構(gòu)的抗震等級按提高1度取值，在彈性設計中構(gòu)件內(nèi)力增大，系數(shù)取值較大。設防烈度地震下的設計不屈服計算中構(gòu)件內(nèi)力為水平地震作用標準值，不需考慮與抗震等級有關(guān)的增大系數(shù)。

6 結(jié)語

按照現(xiàn)有規(guī)范完成對鋼支撐―框架結(jié)構(gòu)的抗震分析,將抗震設計理念運用到結(jié)構(gòu)設計中，并采用有效的抗震措施,使結(jié)構(gòu)超限部分符合規(guī)范規(guī)定。這種結(jié)構(gòu)體系能滿足化工類高層廠房的功能要求，并符合規(guī)范要求。另外，由于工藝布置的特殊性，結(jié)構(gòu)在豎向布置、重量分布和樓板連續(xù)性上難以完全滿足規(guī)范的要求。在工藝方案布置的初期，應加強專業(yè)技術(shù)交流，使工藝布置盡量減少對結(jié)構(gòu)的不利影響。

[1]康樂.某鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設計實例[J].科技創(chuàng)業(yè)家,2012 (13).

[2]許英.淺談鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房設計及施工問題分析[J].門窗, 2013(06).

[3]孟祥瑞.鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房施工技術(shù)研究[J].科技與企業(yè), 2013(24).

[4]陳飛.試論鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的設計理念的優(yōu)化[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu),2013(24).