多層鋼結構廠房結構及節點性能化設計

馮雷 FENG Lei；劉祥 LIU Xiang；張月樓 ZHANG Yue-lou；張良蘭 ZHANG Liang-lan；彭成波 PENG Cheng-bo

（中建八局新型建造工程有限公司，上海 200125）

0 引言

近年來工業廠房、倉庫、生產車間越來越多地使用到多層結構。中國建筑金屬結構協會鋼結構行業可持續發展研究課題組[1]指出2021 年上報的重點鋼結構工程項目中，大跨度工業廠房項目占全部上報項目20.85%，較2020 年增長15%左右。單層的門式剛架不能滿足使用需求的情況下，多層鋼結構框架成為新的選擇。鋼結構的成本相對傳統鋼筋混凝土結構較高，所以應該從結構性能目標確定、節點設計等方面做優化設計[2]。在能量輸入相同的條件下，結構延性越好，彈性承載力要求越低，反之，結構延性差，則彈性承載力要求高，體現為“高延性－低承載力”和“低延性－高承載力”的抗震設計思路。根據鋼標采用“低延性－高承載力”的抗震設計思路，抗震構造可適當降低，從而降低能耗。鋼結構的結構性能系數與結構的側移延性系數有關，側移延性系數最終取決于截面的寬厚比[3]。所以對應鋼結構的優化核心在于在合理的范圍內改變和控制截面的寬厚比等級并進行節點性能化設計。

1 工程概況

某三層鋼結構框架結構廠房，建筑物高度20.80m，最大跨度12m，抗震設防類別：丙類，抗震設防烈度7 度（0.1g），場地類別Ⅳ類，特征周期0.9s，抗震等級四級，風荷載0.55kN/m2，樓板面層恒荷載2.5kN/m2，樓板恒荷載8.0kN/m2， 混 凝 土 板 厚150mm（強度等級C30），樓板采用鋼筋桁架樓承板。鋼框架結構模型軸測圖如圖1所示，采用盈建科設計軟件。

圖1 鋼框架結構模型軸測圖

2 節點性能化設計

對相同截面面積的鋼構件，截面厚度越薄，截面高度和寬度可以越大，則抵抗矩越大，但同時延性降低，所以《抗震規范》[4]對應的抗震等級都有相應的構件寬厚比和高厚比限制，即使承載力滿足還要滿足對應構造要求，而《鋼結構設計標準》[5]中性能化設計，“低延性－高承載力”的思路可以對不同的承載力性能等級（性能1～7）采用不同的延性等級（Ⅴ級～Ⅰ級），從而對應S5～S1 級截面，突破了抗規的限制。本論文對性能設計做實踐，對比性能化設計與常規設計，主要從用鋼量方面做論述和探索，并對采用該方法帶來的相關問題做闡述和經驗總結。

本工程按小震地震作用下，結構層間位移角小于1/250，梁柱結構承載力滿足要求，可進行性能化設計。性能化設計主要是選擇合理的性能目標，確定合理的性能系數，根據《鋼標》本工程鋼梁構件塑性耗能區抗震承載力性能等級可按性能4 確定，高于《鋼標》表17.1.4-1 要求，按《鋼標》表17.1.4-2 確定最低延性等級為Ⅳ級，按表17.2.2-1 確定的塑性耗能區性能系數最小值0.55，本工程性能設計后鋼框架梁多為S4 級，所以截面抵抗矩均取WE=W，即彈性截面模量，按表17.2.2-3 超強系數ηy=1.2，水平地震作用非塑性耗能區內力調整系數，βe=1.1*1.2=1.32，梁柱連接節點加強措施采用翼緣加側腋未采用骨式梁端構造，所以耗能構件抗彎剛度系數取1.0，設置參數如圖2 所示。

表1 原設計與性能化設計截面對照表

圖2 軟件中性能化設計主要參數設計

根據《鋼標》Ωi≥βeΩai，min（17.2.2-1）塑性耗能區實際性能系數需大于性能系數最小值，對1100mm 高鋼梁（截面參數見表1）進行計算結果如下：

結果滿足要求，多高層鋼結構中低于1/3 總高度的框架柱為關鍵構件，豎向關鍵構件的吸能系數需要大于普通構件，所以一層柱的吸能系數應大于1.32，這里統一按1.5取值，經過程序計算其他鋼框架梁柱的性能系數均大于最小值。在性能設計中還存在以下問題值得重視。

問題1：性能化設計梁截面增大相應梁抵抗矩增大，需要節點驗算強柱弱梁，（注意：按鋼標17.2.5-2 第5 條軸壓比小于0.4 且柱口800×28 符合S3 級可以不計算強柱弱），如果將截面改為口900×24 為S4 級，需要強柱弱梁計算，按《鋼標》17.2.5-2 公式計，

23919100×（335-5800000/84096）+18709400×（335-5800000/744960）=12485kN·m＜1.1×1.2×14834000×335×2=13100kN·m，不滿足要求所以柱截面可不做變化。

問題2：在性能化設計的計算結果中剪應力增大明顯，使得鋼框梁腹板厚度減少并不多，與常規設計對比發現，常規設計剪應力按結構計算剪力設計值1190kN（小震下組合），而性能化設計剪力設計值為VGb+（WEb，Afy+WEb，Bfy）/ln=701*1000+14834000×355×2/11100=1650kN 這里并非按中震組合后的地震剪力，按鋼標7.3.4-1Vp≤0.5hwtwfv=0.5*1056*20*170=1795kN 大于1650kN，滿足要求。對比原設計腹板厚度無變化，性能設計對塑形耗能區的抗剪承載力要求比較高，因為規范對承載力有0.5 的折減，所以性能化設計時腹板厚度要謹慎減小。

問題3：性能設計中存在梁柱連接節點設計，對比《高鋼規》[6]8.2.1 及《鋼標》17.2.9 是相同的算法，即連接的極限承載力大于構件的全塑性承載力，而鋼標區分截面等級對應不同彈性模量顯得更加合理，這里的S4 級截面基本沒有塑形，所以計算出來的構件屈服承載力也更小，如下算法，《鋼標》17.2.9Mju≥ηjWEfy，WE=W 抗震規范8.2.8 中為ηjWpfy，Wp=174336800mm3，而W=14834000mm3，Wp≈1.2W從而導致Mju減小，那么Vju≥1.2[2（WEfy）/1n]+VbG，Vju也相應減小，在等強連接的設計中，螺栓主要受剪，所需的連接承載力也比常規計算要小，所需螺栓數量也有可能減小（經濟性提高），進而優化了連接的計算，使得螺栓間距更容易滿足要求。

問題4：對比鋼規17.3.6 和12.3.3 性能化設計需要滿足節點域受剪正則化寬厚比的要求，λn，s==0.48，小于限值0.8，滿足要求，這里是必須滿足要求，注意：常規設計如果不滿足可以采用增加柱節點鋼柱板的厚度，但是性能設計時規范沒有提不滿足的措施。

問題5：對于次梁截面通常采用上下翼緣相同的組合梁，為了充分發揮組合梁特性，組合梁做成上小下大截面，對于受壓上翼緣按S3～S1 控制，腹板和受拉翼緣可放寬限制，下翼緣目前為S4 截面，上翼緣為S3 截面對比分析如表1，大量節約鋼材，組合梁圖如圖3 所示。（注：此分析不包括施工工況，本工程需要在跨中做臨時支撐）

圖3 組合梁

3 性能設計成果與原設計對比分析

取二層結構局部鋼框架梁對比分析如下（圖4-圖7）：①對比表1 分析：性能化設計后的鋼梁比原設計截面面積減小，抵抗矩增大，梁截面從原有S1 級變為S4 級，柱截面不變，應力比差別不大，且滿足承載力，性能化設計驗算性能系數Ωa0滿足要求，說明性能化設計是成立的，而且更加經濟，注意：這里不僅塑性耗能區梁的性能系數大于最小限制值，普通受力柱，結構一層的關鍵構件結構柱同樣大于性能系數；②鋼柱原為S3 級截面，由于軸壓比小于0.4故不需要強柱弱梁驗算，假設柱截面需要增大邊長且減小壁厚，增大柱抵抗矩（面積基本不變）即改為S4 截面，則需要進行強柱弱梁驗算；為滿足塑性區域抗剪承載力限制要求，鋼梁腹板截面厚度并不比常規設計減小（這里充分反映出梁端節點強剪弱彎的要求，這個剪力的計算是同時通過限制截面的承載力安全系數來控制）；③如常規設計本設計必須符合抗震規范[6]表8.2.3 要求，四級抗震需滿足鋼框梁的b/tf 限值為9.08，hw/tw 限值為61.8，而采用性能化設計，實際做到b/tf=10.9，hw/tw=52.8，經過計算滿性能化設計的要求，無需再滿足抗震規范表8.2.3 的限制，使得截面更薄的情況下增大截面抵抗矩，從計算方法的方面充分發揮了鋼結構性能，所以鋼標的性能化設計是更加量化的方式，精準對應了量化的承載力等級，更加合理；④節點等強連接（梁柱栓焊連接）的情況下，對比常規設計，所需連接的極限承載力更小，更利于螺栓的構造排布；⑤本設計采用了承載力性能等級為4 級，高于表17.1.4-1 要求，所以也不需要按照17.1.4-5 驗算罕遇地震作用下結構的彈塑性分析，對計算工作有了簡化，提高了承載力級別，代表延性的結構位移可以一定程度上放寬，體現出性能化設計的靈活性；⑥工程中鋼次梁大量應用組合鋼次梁，然而大量實際工程中組合梁通常做成上下翼緣相同，而根據鋼標，受壓上翼緣可以做窄形成S3～S1 等級的寬厚比，腹板和下翼緣可以放寬限值，能夠形成上小下大的鋼梁截面，充分利用鋼結構下翼緣抗拉的能力，減少鋼結構上翼緣受壓失穩的弱項，讓混凝土板代替鋼梁受壓，進而鋼梁的總截面面積減小，布置同樣數量的栓釘的情況下，達到了栓釘完全抗剪的受力狀態，充分發揮組合梁截面的抗彎能力。值得注意的是通過調整栓釘的間距，來改變組合梁實際的應力比效果比增加下翼緣面積更為明顯；⑦性能化設計優勢還在于以下幾點：第一，采用更薄的鋼板厚度，鋼材的強度更大，如原設計20mm 的板厚變為16mm，則鋼材強度設計值從295N/mm2提高到305N/mm2，屈服強度也相應提高；第二，鋼板厚度減小則組合焊接鋼梁腹板和翼緣連接焊縫厚度也相應減小，節省了成本；第三，大于40mm 厚的鋼板需要滿足Z 向性能，如果工程中存在大于40mm 的厚板可以通過增大鋼梁翼緣寬厚比使板厚降到40mm 以下，避免厚板的出現。

圖4 （原設計）1# 廠房二層局部結構平面圖

圖5 （原設計）鋼梁鋼柱應力比

圖6 （性能化設計）1# 廠房二層局部結構平面圖

圖7 （性能化設計）鋼梁鋼柱應力比

4 結語

①本設計符合鋼標“低延性－高承載力”的思路，經過計算結構總用鋼量可以減少10%，（柱用鋼量基本無變化）梁柱及節點性能化設計對節約鋼材用量產生了積極效果，為鋼結構優化設計提供了新的方向，同時減小鋼板厚度可能提高設計強度，減少厚鋼板使用的數量。②通過計算證明，上小下大截面組合梁相近應力比的情況下能節省40%的用鋼量，取得比較好的經濟效益，按栓釘完全抗剪設計能充分發揮組合梁截面的抗彎能力，所以應注意調整栓釘間距滿足完全抗剪設計。這在鋼次梁普遍用于組合次梁的大環境下具有很大的價值空間。③性能化設計的前提是結構在常遇地震下承載力滿足要求，層間位移角滿足要求，基本條件滿足的情況下才能性能化設計。工業建筑低烈度區，采用低延性－高承載力的抗震思路可能更為合理。