某新型半導體顯示產業鋼廠房備料區抗震性能分析

張興清 吳明青 祝小凱 樊鵬 楊溥

doi： 10.11835/j.issn.1000-582X.2024.051

收稿日期：2023-03-10

網絡出版日期：2024-01-09

基金項目：國家自然科學基金資助項目（52278481）。

Foundation：Supported by National Natural Science Foundation of China （52278481）.

作者簡介：張興清（1967—），男，教授級高級工程師，主要從事結構抗震設計，（E-mail） zxq@cmcu.cn。

通信作者：楊溥，男，教授，博士生導師，（E-mail） yangpu@cqu.edu.cn。

摘要：以某新型半導體顯示產業鋼結構廠房備料區為工程背景，建立了廠房鋼框架-支撐結構的非線性有限元模型，分別對多遇地震和罕遇地震下的結構抗震性能進行了分析。結果表明，結構整體指標均滿足設計規范要求，第3層和第6層的層間位移角較大；罕遇地震下構件損傷主要集中在支撐，而結構底層角柱和中部樓層的邊跨梁有輕微損傷；鋼支撐能夠有效提高結構剛度，減小梁柱的損傷。

關鍵詞：鋼框架-支撐結構；抗震性能；動力時程分析；結構損傷

中圖分類號：TU391????????? 文獻標志碼：A????? ? 文章編號：1000-582X（2024）04-094-10

Seismic performance analysis of a preparation area with steel structure in the new semiconductor display industry

ZHANG Xingqing1， WU Mingqin1， ZHU Xiaokai1， FAN Peng2， YANG Pu2

（1. CMCU Engineering Co.， Ltd.， Chongqing 400039， P. R. China; 2. School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract： A nonlinear finite element analysis（FEA） model was proposed to simulate a semiconductor display industrial building equipped with a steel frame brace as a practical engineering case study. The seismic performance of the structure under frequent and rare earthquakes was analyzed. The results show that the overall indexes of the structure meet the requirements of the design codes. However， the inter-story displacement angles of the 3rd and the 6th floors are relatively large. Under rare earthquakes， damage to the members is mainly concentrated in the steel braces. Slight damage occurred in the corner columns at the bottom floor and side beams at middle floors of the structure. The steel braces are shown to effectively improve the structural stiffness and reduce damage to the beams and columns.

Keywords： steel frame-braced structure; seismic performance; dynamic time analysis; structural damage

由于鋼結構優越的受力性能，鋼結構建筑和工業廠房在實際工程中被廣泛應用[1]。丁劍平等[2]對一棟單層排架鋼結構廠房采用ANSYS模擬分析了結構在小震水準下的響應規律，發現結構在不同方向的地震響應存在差異，得到多遇地震對設計不起控制作用的結論。Azghandi等[3]對質量和剛度豎向分布不均勻的高層鋼結構算例進行了倒塌機制和損傷狀態分析，發現，豎向不規則性對鋼結構的受力性能和抗倒塌能力有不利影響。Jia等[4]對一棟高層鋼-混組合結構辦公樓進行了不同水準地震響應分析和結構方案對比，其抗震性能均滿足規范要求。樂慈[5]通過ETABS有限元分析軟件對中國水利博物館工程進行了概念設計和有限元分析，對于層層錯柱內收的高層型鋼混凝土核心筒-鋼框架結構，提出了關于抗震概念設計和結構體系合理選取的建議。李剛等[6]基于ABAQUS建立了6層人字形中心支撐鋼框架結構數值模型，發現長耗能梁-偏心支撐機制改變了結構的失效模式，抑制了薄弱層的產生與發展，對結構抗震性能具有顯著影響。Nassani等[7]對比分析了高層建筑鋼框架采用不同型式的鋼支撐時的結構反應，發現鋼支撐型式對其側移影響顯著。McCrum等[8]通過建立三維非線性模型，分析了質量分布不均勻的多層中心支撐鋼框架的扭轉響應。

Mohammad等[9]為減小偏心約束防屈曲支撐多層鋼框架結構的殘余位移，建議并聯設置后張預應力框架，并提出了這種組合系統的設計方法。通過模擬分析發現，選取合適的自復位比和預應力拉索面積，體系的最大位移和殘余位移均能達到預期的性能目標。Akbar等[10]研發了一種新型自復位Y形支撐鋼框架系統，并通過2榀縮尺的單跨單層鋼框架低周往復荷載試驗，考察了自復位單元長度等參數對結構承載力和變形的影響規律。段紅霞等[11]采用塑性損傷模型對一棟9層鋼框架-支撐建筑結構進行模擬分析，發現垂直于支撐的上部樓層梁端更易出現損傷且隨著地震進程損傷不斷增強。Ahiwale等[12]通過SAP2000對比分析了一棟10層鋼筋混凝土結構配置了不同類型支撐的抗震性能，發現框架結構增加支撐可顯著提高結構的抗震性能，同時減小結構的層間位移角和整體損傷指數。

綜上所述，關于鋼支撐結構的現有研究成果主要針對高層建筑或多層廠房，對高層鋼框架-支撐廠房的抗震性能研究較少，文中研究對象新型半導體顯示鋼結構廠房的特點在于使用功能和生產工藝的復雜要求，本結構鋼支撐并非沿高度貫通，而是在各層平面位置略有錯動，同時各層層高差別較大、存在錯層，局部樓層樓板大面積開洞、設備自重和荷載較大，導致結構存在嚴重的平面和豎向不規則性，文中建立非線性有限元模型，進行了多遇地震和罕遇地震下結構性能分析，對有無支撐的結構方案和抗震性能進行對比分析，發現結構受力薄弱部位和減輕關鍵構件的損傷，為該類廠房的抗震設計提供建議。

1 工程概況及結構布置方案

某新型半導體顯示產業聚集地基礎設施工程廠房備料區包括筒倉區和物料區，其中筒倉區用于各類材料的儲存，建筑高度為50.4 m，共7層；物料區用于材料和產品的儲存，建筑高度為54.9 m，共8層。結構體系為高層鋼框架-支撐結構，其中框架柱采用箱型鋼柱，框架梁為H型鋼，斜撐為方鋼管。

筒倉區僅在第1層、第6層及屋面層有完整的混凝土樓板，其余樓層開洞面積為741 m2（占樓層面積的18.86%）。開洞位置和方式如圖1（b）（c）所示。筒倉區（軸①～軸③）從第3層到第5層存在穿層柱，筒倉區在第4層與物料區間錯層高度3 m。筒倉底座（見圖1（d）實線框）局部大樣如圖2所示，筒倉區筒倉傳導至每根底座梁跨中的集中荷載達到了1 300 kN，底座梁與主梁鉸接。

結構樓層平面布置如圖2所示。結構第4層到第6層布置了吊車設備，產生的豎向集中荷載范圍在11～87 kN。另外，由于存在大量工業設施以及滿足物料的儲存和運輸導致樓面活荷載很大，樓板活載及吊車分布如圖3所示。

結構主要構件的尺寸及材料如表1所示。

由于結構存在樓板開洞和錯層，同時第4層含有11個自重達520 t筒倉，導致其在豎向有明顯的剛度不均勻和質量不均勻，各樓層側移剛度分布及質量分布情況如表2所示。由此可見，結構在第3層均存在明顯的剛度突變，第4層質量發生突變。

2 結構抗震設計

2.1 設計基本參數

建筑結構設計合理使用年限為50 a，結構安全等級為二級，抗震設防類別為標準設防，抗震設防烈度為7度（0.15g），場地類別為I1類，設計地震分組為第一組，場地特征周期Tg為0.25 s。基本風壓按50 a一遇取為0.40 kN/m2，地面粗糙系數為B類，風荷載體型系數取值為1.3。

2.2 反應譜分析

采用SATWE對結構進行整體分析，同時考慮了雙向地震以及偶然偏心的作用。計算結果如表3所示。

由表3可知，在多遇地震的作用下，結構X向和Y向層間位移角分別為1/536和1/724，均滿足《高層民用建筑鋼結構技術規程》（JGJ 99—2015）[13]規定的限值1/250。X向及Y向的最大層間位移比分別為1.25和1.24（考慮偶然偏心），均大于1.2，屬于扭轉不規則，但均小于規范最大限值1.5的要求。結構的最小剪重比、剛度比、抗剪強度比等指標均能滿足相關規范[13?14]的限值要求。

3 結構抗震性能分析

采用SAUSAGE有限元軟件建立了結構的非線性分析模型，如圖4所示。其中，梁、柱及支撐均采用梁單元進行模擬，而樓板采用殼單元模擬。鋼材的非線性材料模型采用雙線性隨動硬化模型，在循環過程中，無剛度退化，考慮了包辛格效應。鋼材的強屈比設定為1.2，極限應力所對應的極限塑性應變為0.025。

根據規范要求采用“雙頻段”選波方法[16]選取5組天然地震波和2組人造波，地震波參數如表4所示。所選7組地震波均滿足“多組時程曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符”的規范要求[14]，如圖5所示。根據規范對地震峰值加速度進行調幅后按照 1：0.85的比例輸入雙向地震動進行時程分析。

3.1 多遇地震下彈性動力時程分析

對應多遇地震水準（地震波加速度時程的最大值取55 cm/s2），結構各樓層最大樓層位移及層間位移角，如圖6所示。

由圖可見，樓層位移基本呈線性分布。由于第3層層高（4 m）遠小于其他樓層高，導致該樓層的層間位移角較大。由表1可知，由于結構樓層抗側剛度在第6層減小了44.5%，導致該層的層間位移角最大，但未超出1/250的限值。由此可見在多遇地震下，結構能夠滿足“小震不壞”的設計要求。

3.2 罕遇地震下彈塑性動力時程分析

對應罕遇地震水準（地震波加速度時程的最大值取310 cm/s2），結構各樓層的結構響應規律如圖7所示。由于樓板開洞和結構錯層等導致第3層和第6層的層間位移角最大，但滿足罕遇地震“大震不倒”的變形要求。

結構在罕遇地震作用下損傷情況和應力比分布分別如圖8和圖9所示。由圖可知，1）結構構件的損傷均出現在第7層以下；2）損傷主要集中于在軸③～軸⑦配料區的鋼支撐，支撐因其軸向應力超過材料屈服強度而出現損傷，而筒倉區（軸①～軸③）的鋼支撐未屈服；3）1～6層的部分框架梁出現了輕微損傷，對于框架柱，在第1層角柱、第4層及第6層少數柱有輕微損傷，尤其是與鋼支撐相連的柱，其應力較大。

罕遇地震作用下構件的響應統計，如表5所示。由表可知，備料區損傷主要在軸線①～⑤區域的支撐，且主要是Y向的支撐受損，同時邊跨X方向上的梁柱以及配備有工業設備等荷載復雜的區域更易受損。

3.3 支撐對結構的影響分析

在多遇地震時，有無支撐下結構各樓層層間位移角對比曲線如圖10所示。由圖可知，支撐能夠提供必要的抗側剛度，明顯減小了1～6層層間位移角。

鋼支撐對結構在罕遇地震下構件的應力比影響規律如表6所示。設置支撐增大了結構抗側剛度，其自振周期變小，使得結構地震作用及效應加大，有支撐結構各層構件的應力較無支撐結構更大。中心支撐雖然未明顯減小結構損傷，卻使得結構的應力在各樓層的分布更加均勻，減小了結構的層間位移。

4 結束語

通過對某新型半導體顯示產業鋼廠房備料區結構在多遇和罕遇地震下的動力時程分析，得到了結構的響應及損傷分布規律，主要結論如下。

1）雖然結構存在平面不規則性以及豎向質量和剛度分布不均勻，但抗震分析結果表明，結構能滿足規范抗震性能要求。

2）在多遇地震下結構中間層（3～6層）層間位移角較大。在罕遇地震下結構區第3層和第6層的層間位移角最大，在設計時應當按照薄弱層進行設計，結構損傷主要集中于鋼支撐，在設計時需要重點關注，梁柱損傷均較小。

3）中心支撐增強結構的抗側剛度，使得結構剛度分布和應力分布更加均勻，減輕了結構關鍵構件的損傷。

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（編輯? 陳移峰）