鋼結構X型中心支撐的抗震設計探討

白崇平

（1.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅蘭州730000；2.中國寰球工程公司，甘肅　蘭州 730060）

鋼結構X型中心支撐的抗震設計探討

白崇平1，2

（1.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅蘭州730000；2.中國寰球工程公司，甘肅蘭州 730060）

支撐承載力驗算時應考慮鋼支撐桿在遭受強烈地震的循環(huán)荷載作用下發(fā)生屈曲使承載力降低而引起的卸荷效應；還應根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求，計入樓層水平位移和豎向荷載（重力）共同作用下產(chǎn)生的附加剪力和柱的彈性壓縮變形引起的附加壓應力。為了確保支撐與框架柱在地震作用下的協(xié)同工作，設計過程中務必要調整支撐與框架柱的相對剛度，使“框架部分按剛度分配計算達到的地震層剪力達到不小于結構底部總地震剪力的25%和框架部分計算最大層剪力1.8倍二者的較小值”。

X型中心支撐；附加剪力；附加壓應力；長細比

在石油化工建設中，鋼框架-支撐結構體系是一種較為經(jīng)濟合理的結構體系，在這種結構體系中，鋼支撐的設置能夠顯著地提高結構整體抗側移剛度，減小結構的側向位移。中華人民共和國行業(yè)標準 《石油化工構筑物抗震設計規(guī)范》SH/T3147-2014（以下簡稱《石化構抗規(guī)》）中第9.1.3條規(guī)定“鋼結構構筑物，應優(yōu)先采用框架－支撐結構”體系。支撐是鋼框架－支撐結構體系中重要的受力構件，支撐設計是否恰當合理將直接影響到結構承載力的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，因此，做好支撐設計至關重要。

鋼結構支撐分為中心支撐和偏心支撐。中心支撐即支撐軸線與梁柱交點相交的支撐，X型中心支撐是框架-支撐結構體系中常見的中心支撐形式。X型中心支撐的抗震設計包括支撐斜桿截面的驗算、支撐斜桿的長細比控制及支撐斜桿的連接設計等內容。由于篇幅限制，文章僅重點探討X型中心支撐斜桿驗算和長細比控制方面的相關內容。

1　X型中心支撐的斜桿承載力驗算

當鋼結構X型中心支撐按壓桿設計時，由于鋼支撐桿在遭受強烈地震的循環(huán)荷載作用下可能發(fā)生屈曲而降低承載力，支撐斜桿承載力驗算時應對材料強度進行折減［1］，如下：

式中，Ny——支撐斜壓桿的軸向力設計值；

φ——軸心受壓構件的穩(wěn)定系數(shù)；

Ad——支撐斜桿的截面面積；

Ψ——支撐受循環(huán)荷載作用時的強度降低系數(shù)；

f——鋼材強度設計值；

λRE——承載力抗震調整系數(shù)。

λ、λn——支撐斜桿的長細比和正側化長細比；

fay——鋼材屈服強度值；

E——支撐斜桿鋼材的彈性模量。

當鋼結構X型中心支撐斜桿采用拉桿設計時，確定拉桿軸力時應計入斜壓桿在反復循環(huán)荷載下強度降低引起的卸荷效應［3］，軸力設計值宜按下式計算：

式中，NL——支撐斜拉桿的軸向力設計值；

ω——斜拉桿和斜壓桿共同協(xié)調工作并考慮在反復循環(huán)荷載作用下，強度降低而引起的卸荷效應系數(shù)；

Ld——支撐斜拉桿的長度；－支撐所在柱間的凈距；Vi——支撐承受的剪力設計值；

φc——長細比小于200時的壓桿卸載系數(shù)，在鋼框架-支撐結構體系中取0.30；

φi——斜桿軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)。

在鋼結構X型中心支撐的斜桿承載力驗算中，還應根據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011（以下簡稱 《建抗規(guī)》）、《構筑物抗震設計規(guī)范》GB50191（以下簡稱《構抗規(guī)》）及《石化構抗規(guī)》等規(guī)范要求，計入“在豎向荷載（重力）和水平荷載（地震）作用下，由于結構整體的變形協(xié)調關系，承受樓層水平位移和豎向荷載（重力）共同作用下產(chǎn)生的附加剪力”和“在豎向荷載（重力）荷載的作用下，由于柱的彈性壓縮變形在X型中心支撐斜桿中引起的附加壓應力”。

2　X型中心支撐的斜桿長細比控制設計

支撐斜桿的長細比是影響其性能的重要因素。對于小長細比的短支撐，耗能性能好，且其受壓屈曲時的承載力接近于鋼支撐本身的屈服強度，因此，支撐受壓時不會出現(xiàn)明顯的屈曲現(xiàn)象；而大長細比的鋼支撐則相反，支撐屈曲時的承載力要遠遠小于其屈服強度，而且，當長細比較大時，構件只能受拉，不能受壓，通常在往復荷載作用下，當支撐受壓失穩(wěn)后，其承載能力降低，剛度退化，耗能能力隨之降低。為此，現(xiàn)行《石化構抗規(guī)》中第9.4.1條規(guī)定“中心支撐桿件的長細比，按壓桿設計時，當構筑物高度大于50m時，不應大于當構筑物高度不大于50m時，不應大于一、二、三級中心支撐不得采用拉桿設計，四級采用拉桿設計時，長細比不得大于180”。現(xiàn)行《建抗規(guī)》第8.4.1條規(guī)定“支撐桿件的長細比，按壓桿設計時，不應大于一、二、三級中心支撐不得采用拉桿設計，四級采用拉桿設計時，其長細比不得大于180”。

不難看出，我國抗震規(guī)范沒有同時對小長細比的短支撐的最小值加以限制，導致一種錯覺，認為設計中長細比越小，結構越安全，這顯然是不合適的。實際情況是支撐的長細比越小，支撐框架的剛度就越大；支撐剛度越大，不但承受的地震力越大，而且在某些情況下計算分析得出的層間位移也很大；層間位移越大，強震時鋼框架整體傾覆的可能性就越大［1］。

為了解決此問題，應依據(jù)多道設防的抗震概念設計原則，從鋼框架－支撐結構體系的受力與變形協(xié)調角度出發(fā)，進行結構整體性分析與計算。在框架－支撐結構體系中，支撐是第一道防線，在強烈地震中支撐先屈服，并在繼續(xù)發(fā)生有側移變形的過程中與鋼框架-支撐結構體系中的框架一道，發(fā)揮第二道抗震防線的作用。如果支撐在強震時仍保持彈性（既不屈曲，也不屈服）而不發(fā)生破壞，則作為鋼框架－支撐結構體系組成部分的框架柱將首先發(fā)生破壞，柱子的這種破壞是一種無側移失穩(wěn)而導致整個鋼框架－支撐結構體系失去豎向承載能力而坍塌。這就要求我們在結構設計中必須確保支撐在地震中先屈服，并確保支撐屈服后內力重分布使框架部分所承擔的地震剪力和支撐部分所承擔的地震剪力之和應大于彈性計算的總地震剪力。

實現(xiàn)上述多道設防的抗震概念設計思想，結構設計時采取的措施是調整支撐斜桿與框架柱的相對剛度，按照《建抗規(guī)》中第8.2.3.3條和《石化構抗規(guī)》中第9.2.2條等規(guī)定，框架部分按剛度分配計算達到的地震層剪力應“達到不小于結構底部總地震剪力的25%和框架部分計算最大層剪力1.8倍二者的較小值”。此條表面上是限制支撐與框架柱之間的相對剛度，其實是間接地規(guī)定了中心支撐斜桿的最小長細比。

3　工程實例

某公司20萬t/a碳四深加工建設工程中冷凍框架為鋼結構框架－支撐結構體系。軸線尺寸為18.0m×18.0m，縱橫向柱距均為6.0m；共三層，一層（底層）及二層設備平臺的層高均為6.0m，三層（頂層）為防雨棚，層高3.6m。在框架柱中間跨跨間設置受壓X型中心支撐，支撐斜壓桿選用型鋼HW250× 250且抗震驗算滿足要求；一層地震剪力設計值為264.00kN，二層地震剪力設計值為218.30kN，三層的地震剪力設計值為64.40kN。

參照龔思禮主編的《建筑抗震設計手冊》（第二版）中第8.1.3節(jié)關于考慮

框架與支撐協(xié)同工作在設計計算中的操作方法，利用中國建科院研發(fā)的PKPM系列結構設計軟件中SATWE模塊對去掉支撐的框架進行彈性階段地震作用的分析計算，在所有構件均滿足承載力要求時，得到的底部地震剪力VEK=546.64kN。采用本論文所確定的支撐斜桿規(guī)格，對原結構（鋼框架-支撐結構）進行分析計算，達到的底部總地震剪力VEC=1358.23KN。將上述兩值相比，如下：，滿足規(guī)范要求！

經(jīng)查SATWE程序計算的結果，框架部分各層底部地震剪力由上到下分別為：64.40kN、218.24kN、264.00kN。則最大層剪力1.8倍的值為：264.00×1.8= 475.20kN＜VEK=546.64kN。滿足規(guī)范要求。

3　結束語

1）當鋼結構X型中心支撐抗震驗算時，應考慮鋼支撐桿在遭受強烈地震的循環(huán)荷載作用下可能發(fā)生屈曲而承載力降低的影響和卸荷效應。

2）在鋼結構X型中心支撐的斜桿承載力驗算中，應根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范要求計入樓層水平位移和豎向荷載（重力）共同作用下產(chǎn)生的附加剪力和柱的彈性壓縮變形引起的附加壓應力

3）支撐設計時應考慮框架部分與支撐在地震作用下的協(xié)同工作。調整支撐與框架柱的相對剛度，使“框架部分按剛度分配計算達到的地震層剪力達到不小于結構底部總地震剪力的25%和框架部分計算最大層剪力1.8倍二者的較小值”。

4）支撐斜桿宜優(yōu)先采用型鋼制作。當采用焊接型截面時，支撐桿件的板件寬厚比應符合現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求。

5）X型中心支撐的軸線應交匯于梁柱軸線的交點，在構造上確有困難時，偏離中心不應超過支撐桿件的寬度，并應計入由此產(chǎn)生的附加彎矩。

［1］ 中華人民共和國國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）［S］.中國計劃出版社.2010.

［2］ 中華人民共和國國家標準《構筑物抗震設計規(guī)范》（GB50191-2012）［S］.中國計劃出版社.2012.

［3］ 中華人民共和國石油化工行業(yè)標準《石油化工構筑物抗震設計規(guī)范》（SH3147-2014）［S］.中國石化出版社，2014.

［4］ 龔思禮.《建筑抗震設計手冊》（第二版）［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］ 《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊（上、下冊）（第三版）［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［6］ 魏明鐘.鋼結構（第二版）［M］.武漢理工大學出版社.2002.

TU352.11