李顯峰

(中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

單層鋼結(jié)構(gòu)廠房是指層數(shù)為一層的鋼結(jié)構(gòu)廠房，廣泛應(yīng)用于冶金、電力、機械制造、化工等行業(yè)。這類鋼結(jié)構(gòu)廠房的特點是生產(chǎn)設(shè)備體積大、重量重、廠房內(nèi)以水平運輸為主。在鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計中，板件寬厚比是保證廠房剛架延性的關(guān)鍵指標(biāo)，也是影響單位面積耗鋼量的關(guān)鍵指標(biāo)。板件寬厚比應(yīng)滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[1]3.5.1條的要求，抗震設(shè)防地區(qū)的結(jié)構(gòu)還應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[2]9.2.14條的要求。結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計，立足于承載力和變形能力(延性)的綜合考慮，其做法常常是通過提高承載力推遲結(jié)構(gòu)進入塑性工作階段并減少塑性變形。因此，根據(jù)抗震性能化的設(shè)計理念，對于同一抗震性能目標(biāo)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，可通過設(shè)計不同的抗震承載力進而對應(yīng)不同的變形能力，從而確定不同的板件寬厚比限值。

在實際工程中，采用何種板件寬厚比既能滿足規(guī)范要求，又更經(jīng)濟，是設(shè)計人員經(jīng)常要面對的問題?，F(xiàn)以某煉鋼廠的爐渣間單層鋼結(jié)構(gòu)廠房為例，對于不同基本風(fēng)壓和抗震設(shè)防烈度的設(shè)計條件，采用抗震性能化設(shè)計方法分別計算，得到廠房剛架計算的控制組合和耗鋼量，對其進行對比分析，以期為同類型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計提供借鑒。

1 工程概況及荷載取值

爐渣間廠房為單跨結(jié)構(gòu)，跨度為33.0 m，平均柱距為24.0 m，檐口標(biāo)高為28.0 m。屋面及墻皮均采用單層壓型鋼板封閉。廠房內(nèi)設(shè)單層吊車，吊車軌面標(biāo)高為18.0 m。

吊車參數(shù)如表1所示。

表1 吊車參數(shù)表

基本雪壓：0.45 kN/m2。

積灰荷載：0.30 kN/m2。

屋面活荷載[3]：0.30 kN/m2。

設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類。本廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類。

抗震設(shè)防烈度和基本地震加速度如表2所示。

表2 地震參數(shù)表

基本風(fēng)壓(距地面10 m處)：0.30 kN/m2，0.40 kN/m2，0.50 kN/m2，0.60 kN/m2，0.70 kN/m2，0.80 kN/m2。

地面粗糙度B類。

2 結(jié)構(gòu)選型

本廠房橫向采用剛接框架(剛架)受力體系，縱向采用由柱、柱間支撐、系桿及吊車梁組成的鉸接排架受力體系。廠房柱采用單階柱，在吊車梁標(biāo)高處變階。下柱采用雙H型鋼格構(gòu)式柱，上柱采用H型鋼實腹式柱。屋架上下弦采用熱軋剖分T型鋼，腹桿采用熱軋鋼管。屋架與柱頂剛接。剛架結(jié)構(gòu)立面如圖1所示。

3 剛架計算與對比

3.1 規(guī)范規(guī)定

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》9.2.14條第2款規(guī)定：“輕屋蓋廠房，塑性耗能區(qū)板件寬厚比限值可根據(jù)其承載力的高低按性能目標(biāo)確定?！?9.2.14條條文說明規(guī)定：“……如果采用性能化設(shè)計的方法，可以分別按高延性、低彈性承載力或低延性、高彈性承載力的抗震設(shè)計思路來確定板件寬厚比。即通過廠房框架承受的地震力與其具有的彈性抗力進行比較來選擇板件寬厚比?！碑?dāng)構(gòu)件的強度和穩(wěn)定承載力均滿足高承載力——2倍多遇地震作用下的要求即式(1)時，可直接采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》彈性設(shè)計階段的板件寬厚比限值，即C類；當(dāng)強度和穩(wěn)定承載力均滿足中等承載力——1.5倍多遇地震作用下的要求即式(2)時，板件寬厚比限值按B類；當(dāng)強度和穩(wěn)定承載力均滿足低承載力——1倍多遇地震作用下的要求即式(3)時，板件寬厚比限值按A類。

γG·SGE+γEh·2SE≤R/γRE

(1)

γG·SGE+γEh·1.5SE≤R/γRE

(2)

γG·SGE+γEh·SE≤R/γRE

(3)

H型截面柱的板件寬厚比限值如表3所示。

表3 H型截面柱的板件寬厚比限值

3.2 剛架計算控制組合的對比與分析

將不同地震設(shè)防烈度和基本風(fēng)壓分為36種情況，每種情況均按高延性、低彈性承載力(1倍多遇地震組合，簡稱1E地震組合)和低延性、高彈性承載力(2倍多遇地震組合，簡稱2E地震組合)兩種抗震性能化設(shè)計思路分別計算。通過計算，得到各種情況下的剛架內(nèi)力控制組合如表4所示。

表4 不同基本地震加速度及基本風(fēng)壓下內(nèi)力控制組合表

表4中，非震組合為控制組合的含義為：非地震組合內(nèi)力>2E地震組合內(nèi)力>1E地震組合內(nèi)力；2E震組合為控制組合的含義為：2E地震組合內(nèi)力>非地震組合內(nèi)力>1E地震組合內(nèi)力；1E地震組合為控制組合的含義為：2E地震組合內(nèi)力>1E地震組合內(nèi)力>非地震組合內(nèi)力。

由表4可知，對于輕型屋蓋的單層鋼結(jié)構(gòu)廠房[4-5]，在地震烈度不大于7度(0.15g)的地區(qū)，非地震組合為控制組合，此種情況可直接采用低延性、高彈性承載力的性能化設(shè)計思路，既不增大組合內(nèi)力，又可放松板件寬厚比限值。

在地震烈度為8度(0.20g)的地區(qū)，當(dāng)基本風(fēng)壓較大時(≥0.50 kN/m2)，非地震組合為控制組合，此種情況可直接采用低延性、高彈性承載力的性能化設(shè)計思路，既不增大組合內(nèi)力，又可放松板件寬厚比限值。當(dāng)基本風(fēng)壓較小時(≤0.40 kN/m2)，2E地震組合為控制組合，若采用高延性、低彈性承載力的設(shè)計思路，板件寬厚比限值應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，要求較高；若采用低延性、高彈性承載力的設(shè)計思路，會得到較大的組合內(nèi)力，但可放松板件寬厚比限值，此種情況，應(yīng)對兩種性能化設(shè)計思路的剛架分別進行計算，根據(jù)耗鋼量對比最終確定采用哪種設(shè)計思路。

在地震烈度為8度(0.30g)的地區(qū)，2E地震組合為控制組合，若采用高延性、低彈性承載力的設(shè)計思路，板件寬厚比限值應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，要求較高；若采用低延性、高彈性承載力的設(shè)計思路，會得到較大的組合內(nèi)力，但可放松板件寬厚比限值，此種情況，應(yīng)對兩種性能化設(shè)計思路的剛架分別進行計算，根據(jù)耗鋼量對比最終確定采用哪種設(shè)計思路。

在地震烈度為9度(0.40g)的地區(qū)，當(dāng)基本風(fēng)壓較小時(≤0.40 kN/m2)，1E地震組合為控制組合，若采用高延性、低彈性承載力的設(shè)計思路，板件寬厚比限值應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，要求較高；若采用低延性、高彈性承載力的設(shè)計思路，雖然可放松板件寬厚比限值，但控制組合內(nèi)力會大大增加，一般難以降低耗鋼量，此種情況宜采用高延性、低彈性承載力的性能化設(shè)計思路。當(dāng)基本風(fēng)壓較較大時(≥0.50 kN/m2) 2E地震組合為控制組合，若采用高延性、低彈性承載力的性能化設(shè)計思路，板件寬厚比限值應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，要求較高；若采用低延性、高彈性承載力的設(shè)計思路，會得到較大的組合內(nèi)力，但可放松板件寬厚比限值，此種情況，應(yīng)對兩種設(shè)計思路的剛架分別進行計算，根據(jù)耗鋼量對比最終確定采用哪種設(shè)計思路。

3.3 滿足強度要求的剛架位移對比與分析

剛架強度計算滿足后，還必須對位移進行驗算，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》B.2.1條，將風(fēng)荷載作用下的柱頂位移控制在H/400以內(nèi)。

不同基本地震加速度和基本風(fēng)壓狀況下，按強度計算確定的剛架截面，水平位移驗算結(jié)果如表5所示。

表5 不同基本地震加速度及基本風(fēng)壓下剛架水平位移驗算表

由表5可知，當(dāng)基本風(fēng)壓較小(≤0.50 kN/m2)時，滿足強度要求的剛架水平位移滿足限值要求；當(dāng)基本風(fēng)壓較大(≥0.60 kN/m2)時，滿足強度要求的剛架水平位移超限，需要額外增大構(gòu)件截面直至位移滿足限值要求。水平位移是否滿足要求一般只與基本風(fēng)壓大小有關(guān)，與抗震設(shè)防烈度和基本地震加速度無關(guān)。

3.4 采用兩種抗震性能化設(shè)計思路的剛架耗鋼量對比與分析

對不同地震設(shè)防烈度和基本風(fēng)壓的情況，按高延性、低彈性承載力(1倍地震)和低延性、高彈性承載力(2倍地震)兩種性能化設(shè)計思路分別計算[6-7]，同時滿足強度和位移要求的每榀剛架耗鋼量如表6所示。

由表6可知，對于基本地震加速度不大于0.15g的情況，風(fēng)荷載起控制作用，采用低延性、高彈性承載力的性能化設(shè)計思路剛架耗鋼量更低，并且剛架耗鋼量僅與基本風(fēng)壓有關(guān)，與基本地震加速度完全無關(guān)。

表6 兩種抗震性能化設(shè)計思路的剛架耗鋼量表

對于基本地震加速度為0.20g的情況，風(fēng)荷載起控制作用，采用低延性、高彈性承載力的性能化設(shè)計思路剛架耗鋼量更低。并且僅當(dāng)基本風(fēng)壓較小時(≤0.40 kN/m2)與基本地震加速度有關(guān)；當(dāng)基本風(fēng)壓較大時(≥0.50 kN/m2)剛架耗鋼量僅與基本風(fēng)壓有關(guān)，與基本地震加速度完全無關(guān)。

對于基本地震加速度為0.30g的情況，當(dāng)基本風(fēng)壓較小時(≤0.50 kN/m2)，地震作用起控制作用，采用高延性、低彈性承載力的性能化設(shè)計思路剛架耗鋼量更低；當(dāng)基本風(fēng)壓較大時(≥0.60 kN/m2)，風(fēng)荷載起控制作用，采用低延性、高彈性承載力的性能化設(shè)計思路剛架耗鋼量更低。

對于基本地震加速度為0.40g的情況，在常見的基本風(fēng)壓條件下，地震作用起控制作用，采用高延性、低彈性承載力的抗震設(shè)計思路剛架耗鋼量更低；僅當(dāng)基本風(fēng)壓很大時(≥0.80 kN/m2)，風(fēng)荷載起控制作用，采用低延性、高彈性承載力的性能化設(shè)計思路剛架耗鋼量更低。

3.5 不同基本地震加速度和基本風(fēng)壓對剛架耗鋼量的影響對比

在表7中，選用耗鋼量低的性能化設(shè)計思路，確定最終的耗鋼量，并將各種情況下的耗鋼量與設(shè)防烈度為6度(0.05g)且基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2的耗鋼量進行對比，如表7所示。

表7 不同基本地震加速度和基本風(fēng)壓下剛架耗鋼量對比

由表7可知，對于輕型屋蓋單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，當(dāng)基本地震加速度不大于0.20g時，不同的基本地震加速度對剛架耗鋼量基本沒有影響；僅當(dāng)基本地震加速度不小于0.30g時，地震作用才會引起剛架耗鋼量的明顯增加，耗鋼量增加約2%～8%，在基本風(fēng)壓較小的地區(qū)，基本地震加速度的增加引起耗鋼量增加更明顯。

基本風(fēng)壓是影響輕型屋蓋單層鋼結(jié)構(gòu)廠房剛架耗鋼量的重要因素，耗鋼量隨著基本風(fēng)壓的增加明顯增加，隨著基本風(fēng)壓由0.30 kN/m2增加到0.80 kN/m2，耗鋼量增加了39%～44%。特別是當(dāng)基本風(fēng)壓不小于0.60 kN/m2時，剛架計算由變形控制，剛架耗鋼量對風(fēng)荷載更加敏感，基本風(fēng)壓每增加0.10 kN/m2，耗鋼量增加約10%～15%。

4 結(jié)語

抗震性能化設(shè)計是以結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，近年來成為工程界解決抗震設(shè)計問題的基本方法?？拐鹦阅芑O(shè)計的基本思路是“高延性、低彈性承載力”或“低延性、高彈性承載力”，通過提高承載力可以推遲結(jié)構(gòu)進入塑性工作階段并減小塑性變形，由此放松對板件寬厚比的限值?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》9.2.14條關(guān)于輕型屋蓋單層鋼結(jié)構(gòu)廠房劃分A類、B類、C類截面對板件寬厚比限值的規(guī)定，是抗震性能化設(shè)計的簡化處理方法，應(yīng)用起來簡便易行。通過計算對比可知，在不同基本地震加速度和基本風(fēng)壓的情況下，采用不同的性能化設(shè)計思路經(jīng)濟性是不同的。

對于輕型屋蓋單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，風(fēng)荷載是影響剛架耗鋼量的重要因素。當(dāng)基本風(fēng)壓不小于0.60 kN/m2時，剛架計算由水平位移控制，基本風(fēng)壓對耗鋼量的影響更加明顯。在基本地震加速度不大于0.20g的地區(qū)，采用低延性、高彈性承載力的性能化設(shè)計思路剛架耗鋼量更低。在基本地震加速度為0.30g的地區(qū)，當(dāng)基本風(fēng)壓較小時，采用高延性、低彈性承載力的性能化設(shè)計思路剛架耗鋼量更低；當(dāng)基本風(fēng)壓較大時，采用低延性、高彈性承載力的性能化設(shè)計思路剛架耗鋼量更低。在基本地震加速度為0.40g的地區(qū)，除基本風(fēng)壓不小于0.80 kN/m2外，采用高延性、低彈性承載力的性能化設(shè)計思路剛架耗鋼量更低。

值得注意的是，抗震性能化設(shè)計尋求結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載力與變形能力的合理平衡點?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》9.2.14條 關(guān)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力和對應(yīng)的寬厚比限值，是根據(jù)抗震性能化設(shè)計的基本原則，結(jié)合工程設(shè)計的可操作性而人為規(guī)定的具體限值。實際工程中應(yīng)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度及規(guī)則性、建造費用、震后修復(fù)難易程度等因素，對于關(guān)鍵部位應(yīng)合理加強其承載力和變形能力，不可片面追求耗鋼量的降低，而忽視了性能化設(shè)計的初衷。