冉艷華

中海油石化工程有限公司

1 引言

鋼結構房屋因其抗震性能良好、自重輕、平面布置靈活、施工周期短、建造速度快、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在國內外得到廣泛應用。尤其是在工業(yè)建筑中，因其施工周期短、便于后期改造，鋼框架結構應用越來越多，但工業(yè)裝置首先是要滿足生產需要，結構布置時平立面不一定很規(guī)則，且抗震設防類別還高，這時需要展現設計師豐富的理論及經驗水平，在概念設計以及結構措施方面來優(yōu)化結構方案。另外，此時僅彈性分析結構在小震作用下的性能已不能很好地分析出實際情況，還要驗算結構在大震作用下的性能，即彈塑性變形。本文以某工業(yè)裝置為例，對鋼框架結構設計從結構布置到受力變形性能進行分析。

2 概念設計

目前結構設計計算主要通過計算機用軟件實現。但目前的結構計算及設計理論仍有缺陷，有的不可計算，尤其是現行規(guī)范幾乎都以民用建筑為基本模型來定義，而工業(yè)建筑因要滿足工藝要求的局限性，則豎向或平面布置經常不太合理，此時設計師只有加強概念設計的培養(yǎng)，了解工藝裝置的結構性能，才能在滿足工藝應用情況下，設計出效果最好、造價最低的結構方案。

工業(yè)建筑設計時，概念設計尤為重要。主要內容為：選擇對抗震有利的場地；合理布置，平立面要盡量規(guī)則，嚴重不規(guī)則的布置不應采用；設置多道防線，尤其針對地震烈度和抗震設防烈度都高的建筑。

3 地震分析方法

反映譜法，抗震設計中最基本的方法之一。它有如下幾個假設：結構是彈性反映,反映可以累加；無土結的相互作用；質點的最大反映即為其最不利反映；地震是平穩(wěn)且隨機的過程。

靜力彈塑性法的計算步驟是：施加水平力，再逐級增大，使各構件受力慢慢變大，依次達到塑性階段。等到某構件塑性，那么整個結構的受力特性就改變，反過來水平力的大小及分布就會調整。如此交替，直至結構破壞（位移超限或成為機構）。

時程分析法，相對較精細，能夠得出結構彈性以及彈塑性整個階段的變形和內力變化。時程分析法只能反映一條特定地震波作用下的結構性能，不同地震波作用下，結果差異很大，結構設計計算時必須合理選擇地震波。

4 工程概況

現有某工業(yè)裝置，按工藝布置要求，為4層（局部5層）鋼框架結構，層高依次為6.0m、6.0m、10.0m、7.0m、5.0m，即有6.0m、12.0m、22.0m、29.0m、34.0m5個標準層，12.0和22.0m標準層之間有局部管廊或平臺層，建筑總高度29m（局部34m），設備主要支撐在12m樓層上，外墻采用壓型鋼板維護，室內樓板及屋面因其腐蝕性及防火要求，且為了縮短工期，設置為壓型鋼板和混凝土的組合樓板。地震烈度是8度，此框架的抗震設防類別是乙類。12米層平面布置及結構三維模型圖如圖1。

圖1 12m層平面圖、三維模型圖

4.1 結構布置

（1）本鋼框架為工藝裝置，層高較高且不均勻，計算時按地震烈度8°進行計算，地震作用很大；而且由于工藝裝置的需要，某些樓層設備荷載較大，某些樓層荷載相對較小，框架豎向布置不是太規(guī)則。根據相關研究，設置支撐體系可以有效地改善結構的承載能力、提高結構的側向剛度，能使梁、柱的節(jié)點彎矩減小，并減少梁、柱用鋼量，因此鋼框架-支撐結構應用廣泛[1,2]?？紤]結構的用鋼量、抗側剛度，人字形支撐相比單斜桿支撐來說更具優(yōu)勢[3]。且本裝置不僅抗震烈度高，設防類別也高，為保證結構具有更好抗震性能，設置多道防線，確定采用鋼框架-中心支撐結構。

（2）12.0m標準層與22.0m標準層之間層高太高，為降低柱子計算長度，減小柱子截面，且17.9m為部分管廊層，在滿足工藝要求條件下，17.9m滿層設置主梁。

4.2 模型簡化

（1）主要設備層平面布置如圖1（a）圖所示，按實際平面布置建模時，計算得出地最大層間位移比為1.87，超出規(guī)范要求，查詢計算結果，最大數據是懸挑構件處的結果。而最大層間位移比是用來判定整個結構的扭轉規(guī)則的，并不包括懸挑構件的位移[4]。模型中適當簡化，去掉懸挑構件，將荷載傳遞到相應梁和節(jié)點上，重新按圖1（b）圖三維模型進行計算。

（2）裝置本身樓層有組合樓板或設備重量，新增17.9m層無樓板荷載，且僅有少量管廊荷載，若單獨作為結構層建模計算，會因樓層承載力突變和質量突變導致結構不合理，因此將17.9m層作為22.0m標準層的層間梁建入模型進行計算。

5 彈性分析

模型中用總剛計算法驗算結構在小震下的承載能力以及變形?？倓傆嬎惴ň雀?，結構每根構件的空間反映都能夠準確地分析出來，通過計算，可以找出結構剛度突變地方、薄弱構件，還有數據輸入錯誤的部位等。

5.1 豎向不規(guī)則判定

程序計算結果如表1、表2。

表1 各樓層的受剪承載力比上承載力的結果

表2 樓層剛度比

通過表1中看出，此框架樓層承載力無突變，也就是說結構沒有薄弱層；從表2中看出，此框架側向剛度規(guī)則，也就是說框架沒有軟弱層；且結構的豎向抗側力柱、支撐等構件連續(xù)，按規(guī)范要求，判定此結構豎向是規(guī)則的。

6 彈塑性分析

罕遇地震情況下，一定要確保“大震不倒”，也就是說結構可以破壞，可是不能倒塌。在重要結構中，為了解結構從彈性到屈服還有屈服后的行為，判斷結構是否有薄弱區(qū)，評價薄弱的程度，分析大震時的抗震性能，用以判定能否滿足“大震不倒”，需進行非線性彈塑性地震反映分析[5]。

按規(guī)范規(guī)定，此框架8度抗震，且設防類別是乙類，宜進行彈塑性階段的變形計算。為對結構地震作用下性能進行更詳細的分析，本框架進行了彈塑性變形分析，同時考慮了結構的P-Δ效應。分析時，按鋼框架的地震分組、場地類別選用了一組人工模擬的加速度曲線和兩組實際存在的強震記錄。計算結果詳見圖2。

圖2 最大層間位移曲線

從圖2得出，通過選用的三條地震波，罕遇地震作用時，計算得出的最大彈塑性層間位移角依次是1/97、1/123、1/136，能夠滿足規(guī)范限定的1/50，滿足“大震不倒”的要求。

7 結束語

本文針對工業(yè)建筑生產裝置中的鋼框架結構形式，從結構布置、模型簡化到采用反映譜法、時程分析法進行抗震性能分析，為往后同類工程提供指導作用，得出結論如下：（1）工業(yè)建筑中，為滿足工藝裝置的要求，樓層布置可能出現不規(guī)則情況，結構設計時應從專業(yè)角度，注重概念設計，盡力使布置傾向于合理，設計出最優(yōu)結構方案。（2）結構計算時應根據實際情況對空間計算模型進行適當簡化，以滿足計算要求。（3）在高地震烈度區(qū)，為提高結構安全度，更好地判別結構抗震性能，對重要的鋼框架結構宜進一步對罕遇地震下的彈塑性變形進行驗算，本工程的鋼框架計算結果能夠滿足規(guī)范要求。