鋼結構房屋抗震設計中板件寬厚比控制方法

王　廠, 殷素芳

(1.信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司, 陜西西安 710000;2.西北電力設計院有限公司, 陜西西安 710000)

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鋼結構房屋抗震設計中板件寬厚比控制方法

王廠1, 殷素芳2

(1.信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司, 陜西西安 710000;2.西北電力設計院有限公司, 陜西西安 710000)

【摘要】抗震規范對多層鋼結構房屋和單層鋼結構廠房鋼構件(梁、柱、支撐)的板件寬厚比有明確的規定，但在工程設計中往往會被忽視或者理解不深。文章針對鋼結構多層房屋和單層廠房總結了抗震設計中構件板件寬厚比控制方法。

【關鍵詞】鋼結構;多層房屋;單層廠房;抗震設計;板件寬厚比

1問題的提出

鋼結構設計規范中對鋼構件板件的寬厚比有限制，本文從抗震設計的角度考慮，主要適用于在地震作用下構件端部可能出現塑性鉸的范圍，非塑性鉸范圍的板件寬厚比可放寬即滿足鋼結構設計規范[1]。抗震規范對多層鋼結構房屋按照不同抗震等級和不同類型構件(梁、柱、支撐)規定不同的板件寬厚比限值，對單層鋼結構廠房區分為重屋蓋廠房和輕屋蓋廠房。重屋蓋廠房同多層鋼結構房屋按抗震等級區別規定限值，輕屋蓋廠房按照性能設計方法分成A、B、C3個類別控制板件寬厚比。

2相關設計問題的分析

2.1多層鋼結構房屋板件寬厚比控制方法

多層鋼結構房屋板件寬厚比控制(抗震規范中規定的限值)是以滿足強柱弱梁為前提，考慮到塑性鉸大部分出現在梁端，梁的翼緣寬厚比限值嚴于柱的翼緣寬厚比限值。柱子腹板的壓應力高于梁腹板，其腹板寬厚比限值嚴于梁。應注意到梁的腹板寬厚比控制限值與梁的軸壓力有關，在結構進入塑性階段，樓板開裂，梁承受軸力。但彈性分析得不出軸力，因此對梁的腹板寬厚比規定了上限限值[2]。鋼結構中心支撐按受壓構件設計時，是主要的抗側力構件，承受很大的軸力，大震下反復拉壓屈服，因此板件寬厚比均嚴于梁和柱。表1是抗震規范規定的H形截面構件板件寬厚比限值。

表1　多層鋼結構房屋H形板件寬厚比限值

2.2單層鋼結構房屋板件寬厚比控制方法

應當指出，抗震規范第9章第9.2.1條“單層的輕型鋼結構廠房的抗震設計，應符合專門的規定。”輕鋼門剛房屋荷載輕，7度及以下一般不受地震控制。抗震規范所指的輕屋蓋廠房區別于輕鋼廠房，目前輕型鋼結構房屋遵循的設計標準是CECS102:2002《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》,該規程第1.0.2條指出“本規范適用于主要承重結構為單跨或多跨實腹門式剛架、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工作級別橋式吊車或3t懸掛式起重機的單層房屋鋼結構的設計、制作和安裝[3]。”輕鋼廠房的設計高度一般不高于12m(無吊車)或18m(有吊車)，因此，輕鋼規范對吊車噸位和房屋高度有限制，有其適用范圍，設計控制指標松于一般鋼結構房屋。

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

目前單層鋼結構廠房廣泛采用輕型維護材料，抗震規范指出，對于設防烈度8度(0.20g)及以下情況，即使按照抗震設防烈度的地震動參數進行彈性計算，也經常出現由非地震組合控制廠房框架受力的情況，因此，具備了采用性能設計方法的條件，而且板件寬厚比影響耗鋼量，采用性能設計有時會大大節省鋼材。板件寬厚比是構件抗震設計延性要求，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。抗震規范在條文說明中給出了性能設計方法的具體操作，比較隱蔽，因此廣大設計人員應注意此方法，以節省鋼量取得較好的經濟效益。

STS軟件對單層鋼結構廠房有參數設置選項，將輕屋蓋廠房按“低延性、高彈性承載力”性能化設計分成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形截面構件板件寬厚比限值

對比表1和表2，可知:A類截面相當于抗震等級為一級和二級板件寬厚比限值，按抗規解釋可達全截面塑性，且塑性鉸在轉動過程中承載力不降低；B類截面相當于三級和四級板件寬厚比限值，可達全截面塑性，在應力強化開始前足以抵抗局部屈曲發生，但由于局部屈曲塑性鉸的轉動能力有限；C類就是彈性設計的板件寬厚比限值，滿足鋼結構設計規范要求。從此可以看出，如不采用性能設計的方法，單層鋼結構廠房的板件寬厚比還是很嚴格的，這大大提高了用鋼量，這是因為一般單層廠房吊車高度較大，比多層樓層高度高的多，與抗震不利，所以控制嚴格一些。這點是設計者容易忽視的。

單層廠房潛在塑性鉸區域一般出現在上柱梁底，不同于多層的強柱弱梁，因跨度大，梁一般設計的比較高抗彎能力強于柱，往往是強梁弱柱，因此對柱板件寬厚比控制嚴格，梁在大震下不出現塑性鉸時可按C類截面彈性設計來控制板件寬厚比。

3工程應用

3.1工程概況

某單層鋼廠房帶20t(A6級) 抓斗橋式起重機，廠房檐口高度20.0m，縱向柱距為7.50m(圖1)。屋面采用輕質材料(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(對剛架)/0.50(對檁條)kN/m2。該地區抗震設防烈度為8度(0.20g)，場地分類為Ⅱ類場地，設計地震分組為第二組。基本風壓0.35kN/m2，地面粗糙度類別為B類，基本雪壓0.20kN/m2(按荷載規范對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

采用PKPM系列軟件STS模塊進行建模分析，該單層廠房高度超過18m且采用A6級吊車。雖然是輕鋼屋面，但已不能按輕鋼門規設計。模型參數選取：結構類型選單層鋼結構廠房，結構設計規范選鋼結構設計規范，因輕質屋面符合性能設計的要求，抗震設計采用2倍地震作用，板件寬厚比按C類。柱頂位移按照在風荷載作用下限值為1/400控制，鋼柱的長細比按照150限值(軸壓比小于0.20)。

因單層房屋高度很高為20m，為了控制側移和柱子平面內穩定性，將柱子截面高度做大；大跨度30m，將梁做成適應彎矩圖的變截面，以控制撓度和提高抗彎強度。為了取得較好的經濟效果，梁柱腹板取得較薄，在具體設計中考慮腹板屈曲后強度。

3.3計算及結果分析

經計算分析，如果不按性能設計方法中的“低延性高承載力”設計，而按抗震規范的A類或B類控制板件寬厚比，鋼量將大大提高。設計中如不選取性能設計2倍地震，按圖1計算模型將出現如下構件寬厚比超限信息(表3)。

表3　構件計算超限信息

采用2倍地震作用，板件寬厚比按C類，此時由于可以按照鋼結構規范考慮腹板屈曲后強度[4]，將大大節省鋼量，取得較好的經濟效益，單榀鋼架鋼量僅為17t，且柱頂位移為1/434，滿足鋼規，地震位移為1/300，位移控制也取得了較好的效果。構件的強度和穩定承載力均控制在應力比0.90以下，鋼梁撓度最大1/250，也滿足要求。

4結束語

鋼結構構件板件的寬厚比既是抗震延性的要求，也是影響鋼量的關鍵指標。在鋼結構房屋設計中應掌握其設計方法。對于多層鋼結構房屋，在出現塑性鉸的構件端部區域，應按抗震規范區分不同抗震等級控制板件寬厚比，還應注意抗震規范是在強柱弱梁的前提下，梁端出現塑性鉸先于柱端，梁翼緣板件寬厚比限值嚴于柱，如果是層數少房屋，例如輕鋼廠房內部的單層辦公夾層或者單層工業平臺，往往柱先于梁端部出現塑性鉸，則應適當比抗規從嚴控制柱子板件寬厚比，單層重屋面廠房也應遵循按抗震等級控制板件寬厚比。對于工程中常見的輕質屋面廠房，應判斷是否超出輕鋼規范的設計范圍，如果符合輕鋼門范的要求，就按照輕鋼門規設計，各種設計控制指標松于抗震規范。超出輕鋼門規規定的設計范圍，就按照抗震規范中的性能設計方法“低延性，高承載力”設計，往往能取得較好的經濟效益。

參考文獻

[1]GB50011-2010 建筑抗震設計規范應用與分析[S]. 中國建筑工業出版社, 2011.

[2]GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].

[3]CECS102:2002 門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(2012年版)[S].

[4]GB50017-2003 鋼結構設計規范[S].

【中圖分類號】TU392.1; TU352.11

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-01-20