多層工業鋼結構多道抗震防線設計方法及其應用

王 利 （東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230000）

0 前言

“多道抗震防線設計”在工程結構設計中早有涉及，《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）[1]（簡稱《抗規》）、《構筑物抗震設計規范》（GB 50191-2012）[2]、《高層民用建筑鋼結構技術規程》（JGJ 99-2015）[3]、《建筑抗震設計規程》（DGJ 08-2013）[4]等規范中都有關于多道抗震防線的諸多表述。2022 年最新發布的《鋼結構通用規范》（GB 55006-2021）[5]（簡稱《鋼通規》）更是將上述規范中建議的“結構體系宜具有多道抗震防線”提升到“應具有多道抗震防線”的強制性要求，這也意味著工程設計中必須采取更為合理有效的手段進一步提高結構的抗震能力。在此背景下，相關工作卻推進緩慢，主要問題在于理解何為多道防線以及實際設計中如何實現。

本文首先對多層鋼結構設計現狀以及多道防線設計方法進行對比分析，并通過大量PKPM 模型計算來闡明多道抗震防線設計的解決思路，并對若干技術細節進行說明，力求為工程設計人員對于多道防線設計方法的理解以及具體實踐應用提供一定參考。

1 工業多層鋼結構設計方法對比

1.1 傳統設計方法

傳統多層鋼框架大多設計成柱弱軸方向與梁鉸接，并在弱軸方向加設支撐，而柱強軸方向與梁為剛接但無支撐的結構體系。這種結構體系上存在如下問題。

①柱弱軸方向。由于梁與柱為鉸接，并沒有形成框架，去掉支撐后實際上是一種可變機構而并不是穩定的結構，結構整體穩定全部依靠支撐，其受力特點更接近排架結構的縱向體系。

②柱強軸方向。梁與柱為剛接，形成框架單一抗側力結構體系。

③兩個方向的動力特性。由于弱軸方向有支撐而強軸方向無支撐，致使兩個方向的位移、周期等指標均相差懸殊，基本無法實現兩個主軸方向動力特性接近的抗震設防目標。

④由于柱弱軸方向相連的縱向框架梁為鉸接，再加上樓面水平支撐薄弱，導致橫向“每榀框架”間缺少足夠聯系，從而造成結構整體性薄弱，其整體受力特點更接近于排架結構，只是這種排架結構是“多層排架”，違背了框架結構的抗震概念要求。

1.2 多道抗震防線設計方法

多道抗震設防是指結構抗震能力依賴于結構各部分的吸能和耗能作用，抗震結構體系中吸收和耗散地震輸入能量的各個部分，其中部分結構因出現破壞（形成機構）降低或喪失抗震能力后，其余部分結構（或構件）能繼續抵抗地震作用[1]。隨著《鋼通規》的推行實施，結構設計中最為常見的框架體系必將成為主要應用對象。目前，工程設計人員對于鋼框架的抗震防線判斷仍存在爭議。一種觀點認為傳統鋼框架就是多道抗震防線，理由是框架梁形成塑性鉸是一道防線，柱子再形成塑性鉸又是一道防線，而另一觀點認為鋼框架如果沒有經過特殊處理，梁在形成塑性鉸以后結構的抗水平能力會大幅度下降，達不到規范中多防線要求，目前較多文獻傾向于后一觀點[6-8]。可以從以下角度對多防線進行理解。

①從能量消耗的角度，任何一個剛接框架結構在滿足“強柱弱梁、強剪弱彎”的延性設計要求時都是一個具有多道防線特點的結構。例如，框架結構中通過強柱弱梁、強剪弱彎的設計讓梁先來形成形成塑性鉸，消耗一次地震能量，使框架梁形成第一道防線，然后柱子再來形成塑性鉸，消耗一次地震能量，框架柱就形成了第二道防線。

②從繼續抵抗地震作用的角度，剩余結構必須能夠繼續抵抗水平地震作用才能叫做二道防線，而框架結構在梁形成塑性鉸以后，結構體系抵抗水平地震的能力會大幅度下降，框架結構的二道防線效果會非常微弱。

③多道防線抗震體系由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接起來協同工作，如框架-抗震墻體系是由延性框架和抗震墻兩個系統組成。該體系具有最大可能數量的內部、外部贅余度，有意識地建立起一系列分布的塑性屈服區，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破壞也易于修復。設計計算時，需考慮部分構件出現塑性變形后的內力重分布，使各個分體系所承擔的地震作用總和大于不考慮塑性內力重分布時的數值[1]。這是一個量化要求，滿足該要求才是《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）（簡稱《抗規》）認可的二道防線。

值得注意的是，《抗規》《鋼通規》目前給出的二道防線設計結構類型中并不包含鋼框架，只給出了框架剪力墻、框架支撐等結構的二道防線設計方法。對于多高層鋼結構，規范要求兩個主軸方向動力特性應相近，并指出采用雙重抗側力體系是實現多道抗震設防的有效途徑[5]。

2 多層工業鋼結構多道抗震防線設計應用

不同于一般民用結構設計，工業結構因功能要求使得其結構布置具有特殊性。按照抗震多道防線的要求，多層鋼框架需要做成雙向剛接+雙向支撐體系，因此設備、管道布置等將會受到影響，而且可能對實際生產操作、設備抽芯、檢修等造成一定影響。另外，施工難度也將有所增加。

工業多層鋼結構設計在確定布置方案過程中，應該從本專業和外部專業兩方面考慮。結構設計師首先要從思想上重視多防線設計理念。在布置專業允許時，優先考慮做成雙向剛接+雙向支撐的形式。在布置專業困難時，也應考慮做成雙向剛接+雙向支撐的形式，此時可以考慮加強樓層剛度的方式來減少強軸方向柱間支撐的設置數量。例如，平面上隔1～2 跨設置柱間支撐，但是柱間支撐要保證豎向連續，增加樓層剛度的理想方式是設置樓面水平支撐、或樓面為混凝土組合樓板。對外，要加強與布置管道等專業的溝通，逐步向外部灌輸多道防線的設計理念，從而為本專業優化結構布置帶來方便。

2.1 多道抗震防線設計與傳統方法的用鋼量比較

傳統多層鋼結構的結構形式為強軸剛接（無柱間支撐）+弱軸鉸接（有柱間支撐），多道抗震防線所要求的結構形式為強軸剛接（有柱間支撐）+弱軸剛接（有柱間支撐）。為比較兩者在用鋼量上的差異，采取了同等條件（地震作用、風荷載、其他荷載等）下的計算模型進行對比，如圖1所示。

圖1 多層鋼結構多防線設計與傳統設計模型比較

通過計算統計，傳統設計模型用鋼量為503t，多抗震防線設計模型用鋼量為494t。從兩個模型對比可以看出，多道抗震防線所要求的結構形式并沒有增加總的用鋼量。主要原因是柱強柱方向由于柱間支撐的存在變成無側移結構，柱截面有所減小。強軸方向框架梁由于支撐的作用，彎矩減小，截面也有所減小，弱軸方向為框架梁，由于剛接原因使梁截面有所減小。

2.2 多道抗震防線設計的若干技術問題

為探討多道抗震防線結構體系的特點，建立了17 個同等條件下模型。同等條件是指跨度、層高、烈度、風、樓面恒活載、構件材質、構件類型均一致。基本參數為抗震設防烈度7 度(0.15g)、風壓0.4kN/m2、樓面恒載1.0kN/m2、樓面活載6.0kN/m2。軸網跨距9m、層高6m，層數4 層(見圖1)。柱梁為H 型鋼，小次梁為槽鋼，柱間支撐與樓面主要水平支撐均為圓鋼管(小區格水平支撐采用角鋼75x6)，強軸方向隔1～2 跨設置柱間支撐。具體PKPM 計算模型參數如表1 所示，相應的結構布置、首層內力、應力力、水平位移、周期、側移剛度以及用鋼量等對比如圖2所示。

表1 計算模型參數信息匯總

圖2 計算結果對比

①有無側移的判斷

在應用《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）8.3.1.2 條來進行有無側移判斷時，無論是規范還是PKPM 軟件都是建立在樓板有一定剛度的前提下[9]。這個剛度能協調整體樓層的變形，能夠讓柱間支撐同步發揮作用，當失穩時框架中的所有柱子是同時喪失穩定的，即各柱同時達到其臨界荷載。該條文中公式(8.3.1-6、7)考量的是所有支撐和柱子，是對結構整體樓層的考慮，目前計算程序還做不到對單榀的考量。所以，當樓面剛度很弱時不能讓程序自動判讀有誤側移，例如，D2 模型中程序對軸線2在Y 向有無側移的判斷是錯誤的。樓面剛度很弱時，程序的判斷是沒有意義的，還需要人為去指定有無側移。

②程序中結構體系的選擇

工業多層鋼結構應選擇多層鋼結構廠房，而不要選擇鋼框架-支撐結構。主要因為《抗規》附錄H 能夠適用于帶支撐的框架，鋼框架-支撐結構的長細比和板件寬厚比要求都比多層鋼結構廠房要嚴格，PKPM 軟件默認所有的鋼框架-支撐結構都要執行《高鋼規》，這將導致用鋼量增加。

③計算信息中的規范選取

PKPM 參數定義中不需要執行的規范不要選取，以免造成內力調整錯誤。例如，薄弱層調整不要選擇《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 99-2015），而是按照《抗規》判斷即可。

④樓面水平支撐的布置要求

工業鋼結構的樓面大多無法做成混凝土樓板，設置水平支撐則成為加強樓面剛度的常用手段。參考上海市《建筑抗震設計規程》（DGJ 08-2013）9.1.5條關于樓面水平支撐布置的要求，建議樓面水平支撐可以連在梁的腹板或梁底，柱間支撐的跨間應設水平支撐，水平支撐與梁的夾角應控制在30～60°之間，樓面大設備支座底部應設置系桿或水平支撐，將水平力傳至支撐節點處。

⑤支撐的截面類型

在沒有特殊要求時，柱間支撐和樓面水平支撐可以采用管狀截面，從而優化用鋼量指標。

⑥樓面水平變形限值

目前各種規范并沒有給出樓面在設置水平支撐后的水平變形要求，僅有關于混凝土樓板類長寬比的要求，如《抗規》6.1.6 條、8.1.6 條等。圖2 中計算模型C1、C2、C3 按照抗規的要求來設置混凝土樓板，考慮混凝土樓板的水平變形，計算出樓層各個點水平變形，這個變形做為判定樓面水平支撐作用效果的重要參考。

⑦樓面采用跨間交叉水平支撐的作用效果分析

柱強軸每跨都設置柱間支撐的方式必然是穩妥的，但有時候條件不具備實現這一要求，此時應該分析隔1跨或隔2跨設置柱間支撐時樓面水平支撐所起到的效果。為此，采用與混凝土樓板（圖2中C1 和C2 模型）進行對比的方式，即對比位移和抗側剛度。

以B5模型為例，該模型中樓面的水平支撐采用跨間交叉方式，截面型號為Ф121×6。由于風載作用下的樓面水平位移比較小，在此不再考慮，主要對比Y向地震工況下的水平變形，以及Y 向抗側剛度。從表2、表3 結果能夠看出，隔一跨設置柱間支撐時，樓面水平支撐所產生的水平變形與混凝土板非常接近，偏差值極小，水平支撐的作用效果非常可靠。隔兩跨設置柱間支撐時，樓面水平支撐所產生的水平變形與混凝土板有較大偏差，當必須采用這種布置形式，需要考慮其他方式對樓面水平剛度進行加強。設置跨間交叉水平支撐后，結構整體的抗側剛度均能有所保證。

表2 Y向水平變形對比結果

表3 Y向抗側剛度對比結果

⑧樓面水平支撐截面對其自身內力及樓面水平變形的影響

當樓面水平支撐布置方式和受力類型確定以后，水平支撐的內力及樓面水平變形值基本處于“確定”狀態，截面的改變對內力及變形影響很小。以模型B3、B5、B7、B9 中的2 軸線為例，來分析樓面水平支撐截面變化對內力和樓面水平變形的影響，結果如表4所示。

表4 支撐內力及樓層水平位移對比結果

從表4 中的變化規律可以看出，水平支撐本身內力并不是很大，原因是其受力機理與柱間支撐有所不同，柱間支撐要承擔本層及以上所有樓層的水平力，同時在相鄰跨沒有柱間支撐時還要承擔一部分相鄰跨的水平力，而水平支撐僅承擔所屬跨間的本層水平力。因為支撐內力不大，所以連接節點也不會變得復雜。當水平支撐穩定計算及長細比均滿足后再想通過增大截面的方式來降低樓面水平變形效果是不顯著的。

⑨樓面采用小區格水平支撐的作用效果分析

以E1 和E2 模型為例，來分析樓面小區格支撐的作用效果，采用與混凝土板（C1 和C2 模型）作用效果對比的方式，即比較樓面水平變形和側移剛度，對比結果如表5、表6所示。

表5 不同樓面小區格水平支撐設置對水平變形影響

表6 Y向抗側剛度對結果

從表5、表6 結果能夠看出，從樓面水平變形的角度來看，小區格在水平支撐滿布時其效果要優于未滿布的情況，但都沒有跨間交叉支撐的效果好。在樓面開洞影響時，小區格支撐方式可以作為跨間交叉支撐的替代方案。E2 模型總用鋼量為499t，B5 模型總用鋼量為495t，小區格樓面水平支撐在滿布情況下的用鋼量要略微大于跨間交叉支撐的形式。隔兩跨設置柱間支撐時，樓面小區格支撐所產生的水平變形與混凝土板有較大偏差，當必須采用這種布置形式時需要考慮其他方式對樓面水平剛度進行加強。抗側剛度均能滿足要求。

2.3 實際工程設計建議

基于《鋼通規》的原則性要求，多層工業鋼結構設計應采用雙抗側力體系，弱軸方向不應再采用全鉸接+支撐的連接形式，因其贅余度太少、無法較好地吸收和耗散地震能量，支撐在變形屈服或破壞以后會迅速向“機構”進行轉化，背離多道防線的要求，即抗連續倒塌能力弱。以下幾種情況下強軸可采取框架結構，如建構筑物的體量小、高度矮、設備輕，抗震設防烈度為6 度區，框架抗震等級為四級，且能滿足高延性要求，采用性能化設計方法，或消能減震技術。除上述情況外均應采用框架+支撐的形式，從而有效達到《抗規》及《鋼通規》關于多道抗震防線的預期目標，當設備布置困難時可以采用隔跨設置柱間支撐的方式，加強樓面剛度，按規范控制兩個主軸方向的動力特性（周期）。

3 結論

①多層鋼結構應采用多道抗震防線設計，采用雙重抗側力體系是實現這一設計目標的有效方法，與傳統設計方法相比，在材料用量、指標控制方面成本都未明顯增加。

②當工業多層鋼結構因設備布置等原因無法完全實現全部框架+支撐的結構體系時，可采取隔跨設置支撐的方式，但應采取水平支撐等措施加強樓面剛度。

③指出了多道抗震防線設計在實際應用中的部分技術要點，并著重探討了樓面水平支撐布設方式及作用效果，為相關工程人員設計應用提供一定參考。