白崇平

（1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000；2.中國(guó)寰球工程公司，甘肅　蘭州 730060）

鋼結(jié)構(gòu)X型中心支撐的抗震設(shè)計(jì)探討

白崇平1，2

（1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000；2.中國(guó)寰球工程公司，甘肅蘭州 730060）

支撐承載力驗(yàn)算時(shí)應(yīng)考慮鋼支撐桿在遭受強(qiáng)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(yīng)；還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求，計(jì)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(yīng)力。為了確保支撐與框架柱在地震作用下的協(xié)同工作，設(shè)計(jì)過程中務(wù)必要調(diào)整支撐與框架柱的相對(duì)剛度，使“框架部分按剛度分配計(jì)算達(dá)到的地震層剪力達(dá)到不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%和框架部分計(jì)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(yīng)力；長(zhǎng)細(xì)比

在石油化工建設(shè)中，鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系是一種較為經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系，在這種結(jié)構(gòu)體系中，鋼支撐的設(shè)置能夠顯著地提高結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)移剛度，減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T3147-2014（以下簡(jiǎn)稱《石化構(gòu)抗規(guī)》）中第9.1.3條規(guī)定“鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，應(yīng)優(yōu)先采用框架－支撐結(jié)構(gòu)”體系。支撐是鋼框架－支撐結(jié)構(gòu)體系中重要的受力構(gòu)件，支撐設(shè)計(jì)是否恰當(dāng)合理將直接影響到結(jié)構(gòu)承載力的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，因此，做好支撐設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

鋼結(jié)構(gòu)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(diǎn)相交的支撐，X型中心支撐是框架-支撐結(jié)構(gòu)體系中常見的中心支撐形式。X型中心支撐的抗震設(shè)計(jì)包括支撐斜桿截面的驗(yàn)算、支撐斜桿的長(zhǎng)細(xì)比控制及支撐斜桿的連接設(shè)計(jì)等內(nèi)容。由于篇幅限制，文章僅重點(diǎn)探討X型中心支撐斜桿驗(yàn)算和長(zhǎng)細(xì)比控制方面的相關(guān)內(nèi)容。

1　X型中心支撐的斜桿承載力驗(yàn)算

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)X型中心支撐按壓桿設(shè)計(jì)時(shí)，由于鋼支撐桿在遭受強(qiáng)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(yàn)算時(shí)應(yīng)對(duì)材料強(qiáng)度進(jìn)行折減［1］，如下：

式中，Ny——支撐斜壓桿的軸向力設(shè)計(jì)值；

φ——軸心受壓構(gòu)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(shí)的強(qiáng)度降低系數(shù)；

f——鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

λRE——承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

λ、λn——支撐斜桿的長(zhǎng)細(xì)比和正側(cè)化長(zhǎng)細(xì)比；

fay——鋼材屈服強(qiáng)度值；

E——支撐斜桿鋼材的彈性模量。

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)X型中心支撐斜桿采用拉桿設(shè)計(jì)時(shí)，確定拉桿軸力時(shí)應(yīng)計(jì)入斜壓桿在反復(fù)循環(huán)荷載下強(qiáng)度降低引起的卸荷效應(yīng)［3］，軸力設(shè)計(jì)值宜按下式計(jì)算：

式中，NL——支撐斜拉桿的軸向力設(shè)計(jì)值；

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

Ld——支撐斜拉桿的長(zhǎng)度；－支撐所在柱間的凈距；Vi——支撐承受的剪力設(shè)計(jì)值；

φc——長(zhǎng)細(xì)比小于200時(shí)的壓桿卸載系數(shù)，在鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)體系中取0.30；

φi——斜桿軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)。

在鋼結(jié)構(gòu)X型中心支撐的斜桿承載力驗(yàn)算中，還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011（以下簡(jiǎn)稱 《建抗規(guī)》）、《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50191（以下簡(jiǎn)稱《構(gòu)抗規(guī)》）及《石化構(gòu)抗規(guī)》等規(guī)范要求，計(jì)入“在豎向荷載（重力）和水平荷載（地震）作用下，由于結(jié)構(gòu)整體的變形協(xié)調(diào)關(guān)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(yīng)力”。

2　X型中心支撐的斜桿長(zhǎng)細(xì)比控制設(shè)計(jì)

支撐斜桿的長(zhǎng)細(xì)比是影響其性能的重要因素。對(duì)于小長(zhǎng)細(xì)比的短支撐，耗能性能好，且其受壓屈曲時(shí)的承載力接近于鋼支撐本身的屈服強(qiáng)度，因此，支撐受壓時(shí)不會(huì)出現(xiàn)明顯的屈曲現(xiàn)象；而大長(zhǎng)細(xì)比的鋼支撐則相反，支撐屈曲時(shí)的承載力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，而且，當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比較大時(shí)，構(gòu)件只能受拉，不能受壓，通常在往復(fù)荷載作用下，當(dāng)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(gòu)抗規(guī)》中第9.4.1條規(guī)定“中心支撐桿件的長(zhǎng)細(xì)比，按壓桿設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)構(gòu)筑物高度大于50m時(shí)，不應(yīng)大于當(dāng)構(gòu)筑物高度不大于50m時(shí)，不應(yīng)大于一、二、三級(jí)中心支撐不得采用拉桿設(shè)計(jì)，四級(jí)采用拉桿設(shè)計(jì)時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比不得大于180”?，F(xiàn)行《建抗規(guī)》第8.4.1條規(guī)定“支撐桿件的長(zhǎng)細(xì)比，按壓桿設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)大于一、二、三級(jí)中心支撐不得采用拉桿設(shè)計(jì)，四級(jí)采用拉桿設(shè)計(jì)時(shí)，其長(zhǎng)細(xì)比不得大于180”。

不難看出，我國(guó)抗震規(guī)范沒有同時(shí)對(duì)小長(zhǎng)細(xì)比的短支撐的最小值加以限制，導(dǎo)致一種錯(cuò)覺，認(rèn)為設(shè)計(jì)中長(zhǎng)細(xì)比越小，結(jié)構(gòu)越安全，這顯然是不合適的。實(shí)際情況是支撐的長(zhǎng)細(xì)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(jì)算分析得出的層間位移也很大；層間位移越大，強(qiáng)震時(shí)鋼框架整體傾覆的可能性就越大［1］。

為了解決此問題，應(yīng)依據(jù)多道設(shè)防的抗震概念設(shè)計(jì)原則，從鋼框架－支撐結(jié)構(gòu)體系的受力與變形協(xié)調(diào)角度出發(fā)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體性分析與計(jì)算。在框架－支撐結(jié)構(gòu)體系中，支撐是第一道防線，在強(qiáng)烈地震中支撐先屈服，并在繼續(xù)發(fā)生有側(cè)移變形的過程中與鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)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(qiáng)震時(shí)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(jié)構(gòu)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(cè)移失穩(wěn)而導(dǎo)致整個(gè)鋼框架－支撐結(jié)構(gòu)體系失去豎向承載能力而坍塌。這就要求我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須確保支撐在地震中先屈服，并確保支撐屈服后內(nèi)力重分布使框架部分所承擔(dān)的地震剪力和支撐部分所承擔(dān)的地震剪力之和應(yīng)大于彈性計(jì)算的總地震剪力。

實(shí)現(xiàn)上述多道設(shè)防的抗震概念設(shè)計(jì)思想，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取的措施是調(diào)整支撐斜桿與框架柱的相對(duì)剛度，按照《建抗規(guī)》中第8.2.3.3條和《石化構(gòu)抗規(guī)》中第9.2.2條等規(guī)定，框架部分按剛度分配計(jì)算達(dá)到的地震層剪力應(yīng)“達(dá)到不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%和框架部分計(jì)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(duì)剛度，其實(shí)是間接地規(guī)定了中心支撐斜桿的最小長(zhǎng)細(xì)比。

3　工程實(shí)例

某公司20萬t/a碳四深加工建設(shè)工程中冷凍框架為鋼結(jié)構(gòu)框架－支撐結(jié)構(gòu)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(shè)備平臺(tái)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(shè)置受壓X型中心支撐，支撐斜壓桿選用型鋼HW250× 250且抗震驗(yàn)算滿足要求；一層地震剪力設(shè)計(jì)值為264.00kN，二層地震剪力設(shè)計(jì)值為218.30kN，三層的地震剪力設(shè)計(jì)值為64.40kN。

參照龔思禮主編的《建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）中第8.1.3節(jié)關(guān)于考慮

框架與支撐協(xié)同工作在設(shè)計(jì)計(jì)算中的操作方法，利用中國(guó)建科院研發(fā)的PKPM系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中SATWE模塊對(duì)去掉支撐的框架進(jìn)行彈性階段地震作用的分析計(jì)算，在所有構(gòu)件均滿足承載力要求時(shí)，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(duì)原結(jié)構(gòu)（鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)）進(jìn)行分析計(jì)算，達(dá)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(jì)算的結(jié)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(jié)束語

1）當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)X型中心支撐抗震驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)考慮鋼支撐桿在遭受強(qiáng)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(yīng)。

2）在鋼結(jié)構(gòu)X型中心支撐的斜桿承載力驗(yàn)算中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范要求計(jì)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(yīng)力

3）支撐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮框架部分與支撐在地震作用下的協(xié)同工作。調(diào)整支撐與框架柱的相對(duì)剛度，使“框架部分按剛度分配計(jì)算達(dá)到的地震層剪力達(dá)到不小于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的25%和框架部分計(jì)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(dāng)采用焊接型截面時(shí)，支撐桿件的板件寬厚比應(yīng)符合現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求。

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

［1］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）［S］.中國(guó)計(jì)劃出版社.2010.

［2］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50191-2012）［S］.中國(guó)計(jì)劃出版社.2012.

［3］ 中華人民共和國(guó)石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石油化工構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH3147-2014）［S］.中國(guó)石化出版社，2014.

［4］ 龔思禮.《建筑抗震設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］ 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下冊(cè)）（第三版）［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［6］ 魏明鐘.鋼結(jié)構(gòu)（第二版）［M］.武漢理工大學(xué)出版社.2002.

TU352.11