馮雷 FENG Lei；劉祥 LIU Xiang；張月樓 ZHANG Yue-lou；張良蘭 ZHANG Liang-lan；彭成波 PENG Cheng-bo

（中建八局新型建造工程有限公司，上海 200125）

0 引言

近年來工業(yè)廠房、倉庫、生產(chǎn)車間越來越多地使用到多層結(jié)構(gòu)。中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究課題組[1]指出2021 年上報的重點鋼結(jié)構(gòu)工程項目中，大跨度工業(yè)廠房項目占全部上報項目20.85%，較2020 年增長15%左右。單層的門式剛架不能滿足使用需求的情況下，多層鋼結(jié)構(gòu)框架成為新的選擇。鋼結(jié)構(gòu)的成本相對傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較高，所以應(yīng)該從結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)確定、節(jié)點設(shè)計等方面做優(yōu)化設(shè)計[2]。在能量輸入相同的條件下，結(jié)構(gòu)延性越好，彈性承載力要求越低，反之，結(jié)構(gòu)延性差，則彈性承載力要求高，體現(xiàn)為“高延性－低承載力”和“低延性－高承載力”的抗震設(shè)計思路。根據(jù)鋼標(biāo)采用“低延性－高承載力”的抗震設(shè)計思路，抗震構(gòu)造可適當(dāng)降低，從而降低能耗。鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能系數(shù)與結(jié)構(gòu)的側(cè)移延性系數(shù)有關(guān)，側(cè)移延性系數(shù)最終取決于截面的寬厚比[3]。所以對應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化核心在于在合理的范圍內(nèi)改變和控制截面的寬厚比等級并進行節(jié)點性能化設(shè)計。

1 工程概況

某三層鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)廠房，建筑物高度20.80m，最大跨度12m，抗震設(shè)防類別：丙類，抗震設(shè)防烈度7 度（0.1g），場地類別Ⅳ類，特征周期0.9s，抗震等級四級，風(fēng)荷載0.55kN/m2，樓板面層恒荷載2.5kN/m2，樓板恒荷載8.0kN/m2， 混 凝 土 板 厚150mm（強度等級C30），樓板采用鋼筋桁架樓承板。鋼框架結(jié)構(gòu)模型軸測圖如圖1所示，采用盈建科設(shè)計軟件。

圖1 鋼框架結(jié)構(gòu)模型軸測圖

2 節(jié)點性能化設(shè)計

對相同截面面積的鋼構(gòu)件，截面厚度越薄，截面高度和寬度可以越大，則抵抗矩越大，但同時延性降低，所以《抗震規(guī)范》[4]對應(yīng)的抗震等級都有相應(yīng)的構(gòu)件寬厚比和高厚比限制，即使承載力滿足還要滿足對應(yīng)構(gòu)造要求，而《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[5]中性能化設(shè)計，“低延性－高承載力”的思路可以對不同的承載力性能等級（性能1～7）采用不同的延性等級（Ⅴ級～Ⅰ級），從而對應(yīng)S5～S1 級截面，突破了抗規(guī)的限制。本論文對性能設(shè)計做實踐，對比性能化設(shè)計與常規(guī)設(shè)計，主要從用鋼量方面做論述和探索，并對采用該方法帶來的相關(guān)問題做闡述和經(jīng)驗總結(jié)。

本工程按小震地震作用下，結(jié)構(gòu)層間位移角小于1/250，梁柱結(jié)構(gòu)承載力滿足要求，可進行性能化設(shè)計。性能化設(shè)計主要是選擇合理的性能目標(biāo)，確定合理的性能系數(shù)，根據(jù)《鋼標(biāo)》本工程鋼梁構(gòu)件塑性耗能區(qū)抗震承載力性能等級可按性能4 確定，高于《鋼標(biāo)》表17.1.4-1 要求，按《鋼標(biāo)》表17.1.4-2 確定最低延性等級為Ⅳ級，按表17.2.2-1 確定的塑性耗能區(qū)性能系數(shù)最小值0.55，本工程性能設(shè)計后鋼框架梁多為S4 級，所以截面抵抗矩均取WE=W，即彈性截面模量，按表17.2.2-3 超強系數(shù)ηy=1.2，水平地震作用非塑性耗能區(qū)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，βe=1.1*1.2=1.32，梁柱連接節(jié)點加強措施采用翼緣加側(cè)腋未采用骨式梁端構(gòu)造，所以耗能構(gòu)件抗彎剛度系數(shù)取1.0，設(shè)置參數(shù)如圖2 所示。

表1 原設(shè)計與性能化設(shè)計截面對照表

圖2 軟件中性能化設(shè)計主要參數(shù)設(shè)計

根據(jù)《鋼標(biāo)》Ωi≥βeΩai，min（17.2.2-1）塑性耗能區(qū)實際性能系數(shù)需大于性能系數(shù)最小值，對1100mm 高鋼梁（截面參數(shù)見表1）進行計算結(jié)果如下：

結(jié)果滿足要求，多高層鋼結(jié)構(gòu)中低于1/3 總高度的框架柱為關(guān)鍵構(gòu)件，豎向關(guān)鍵構(gòu)件的吸能系數(shù)需要大于普通構(gòu)件，所以一層柱的吸能系數(shù)應(yīng)大于1.32，這里統(tǒng)一按1.5取值，經(jīng)過程序計算其他鋼框架梁柱的性能系數(shù)均大于最小值。在性能設(shè)計中還存在以下問題值得重視。

問題1：性能化設(shè)計梁截面增大相應(yīng)梁抵抗矩增大，需要節(jié)點驗算強柱弱梁，（注意：按鋼標(biāo)17.2.5-2 第5 條軸壓比小于0.4 且柱口800×28 符合S3 級可以不計算強柱弱），如果將截面改為口900×24 為S4 級，需要強柱弱梁計算，按《鋼標(biāo)》17.2.5-2 公式計，

23919100×（335-5800000/84096）+18709400×（335-5800000/744960）=12485kN·m＜1.1×1.2×14834000×335×2=13100kN·m，不滿足要求所以柱截面可不做變化。

問題2：在性能化設(shè)計的計算結(jié)果中剪應(yīng)力增大明顯，使得鋼框梁腹板厚度減少并不多，與常規(guī)設(shè)計對比發(fā)現(xiàn)，常規(guī)設(shè)計剪應(yīng)力按結(jié)構(gòu)計算剪力設(shè)計值1190kN（小震下組合），而性能化設(shè)計剪力設(shè)計值為VGb+（WEb，Afy+WEb，Bfy）/ln=701*1000+14834000×355×2/11100=1650kN 這里并非按中震組合后的地震剪力，按鋼標(biāo)7.3.4-1Vp≤0.5hwtwfv=0.5*1056*20*170=1795kN 大于1650kN，滿足要求。對比原設(shè)計腹板厚度無變化，性能設(shè)計對塑形耗能區(qū)的抗剪承載力要求比較高，因為規(guī)范對承載力有0.5 的折減，所以性能化設(shè)計時腹板厚度要謹(jǐn)慎減小。

問題3：性能設(shè)計中存在梁柱連接節(jié)點設(shè)計，對比《高鋼規(guī)》[6]8.2.1 及《鋼標(biāo)》17.2.9 是相同的算法，即連接的極限承載力大于構(gòu)件的全塑性承載力，而鋼標(biāo)區(qū)分截面等級對應(yīng)不同彈性模量顯得更加合理，這里的S4 級截面基本沒有塑形，所以計算出來的構(gòu)件屈服承載力也更小，如下算法，《鋼標(biāo)》17.2.9Mju≥ηjWEfy，WE=W 抗震規(guī)范8.2.8 中為ηjWpfy，Wp=174336800mm3，而W=14834000mm3，Wp≈1.2W從而導(dǎo)致Mju減小，那么Vju≥1.2[2（WEfy）/1n]+VbG，Vju也相應(yīng)減小，在等強連接的設(shè)計中，螺栓主要受剪，所需的連接承載力也比常規(guī)計算要小，所需螺栓數(shù)量也有可能減小（經(jīng)濟性提高），進而優(yōu)化了連接的計算，使得螺栓間距更容易滿足要求。

問題4：對比鋼規(guī)17.3.6 和12.3.3 性能化設(shè)計需要滿足節(jié)點域受剪正則化寬厚比的要求，λn，s==0.48，小于限值0.8，滿足要求，這里是必須滿足要求，注意：常規(guī)設(shè)計如果不滿足可以采用增加柱節(jié)點鋼柱板的厚度，但是性能設(shè)計時規(guī)范沒有提不滿足的措施。

問題5：對于次梁截面通常采用上下翼緣相同的組合梁，為了充分發(fā)揮組合梁特性，組合梁做成上小下大截面，對于受壓上翼緣按S3～S1 控制，腹板和受拉翼緣可放寬限制，下翼緣目前為S4 截面，上翼緣為S3 截面對比分析如表1，大量節(jié)約鋼材，組合梁圖如圖3 所示。（注：此分析不包括施工工況，本工程需要在跨中做臨時支撐）

圖3 組合梁

3 性能設(shè)計成果與原設(shè)計對比分析

取二層結(jié)構(gòu)局部鋼框架梁對比分析如下（圖4-圖7）：①對比表1 分析：性能化設(shè)計后的鋼梁比原設(shè)計截面面積減小，抵抗矩增大，梁截面從原有S1 級變?yōu)镾4 級，柱截面不變，應(yīng)力比差別不大，且滿足承載力，性能化設(shè)計驗算性能系數(shù)Ωa0滿足要求，說明性能化設(shè)計是成立的，而且更加經(jīng)濟，注意：這里不僅塑性耗能區(qū)梁的性能系數(shù)大于最小限制值，普通受力柱，結(jié)構(gòu)一層的關(guān)鍵構(gòu)件結(jié)構(gòu)柱同樣大于性能系數(shù)；②鋼柱原為S3 級截面，由于軸壓比小于0.4故不需要強柱弱梁驗算，假設(shè)柱截面需要增大邊長且減小壁厚，增大柱抵抗矩（面積基本不變）即改為S4 截面，則需要進行強柱弱梁驗算；為滿足塑性區(qū)域抗剪承載力限制要求，鋼梁腹板截面厚度并不比常規(guī)設(shè)計減?。ㄟ@里充分反映出梁端節(jié)點強剪弱彎的要求，這個剪力的計算是同時通過限制截面的承載力安全系數(shù)來控制）；③如常規(guī)設(shè)計本設(shè)計必須符合抗震規(guī)范[6]表8.2.3 要求，四級抗震需滿足鋼框梁的b/tf 限值為9.08，hw/tw 限值為61.8，而采用性能化設(shè)計，實際做到b/tf=10.9，hw/tw=52.8，經(jīng)過計算滿性能化設(shè)計的要求，無需再滿足抗震規(guī)范表8.2.3 的限制，使得截面更薄的情況下增大截面抵抗矩，從計算方法的方面充分發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)性能，所以鋼標(biāo)的性能化設(shè)計是更加量化的方式，精準(zhǔn)對應(yīng)了量化的承載力等級，更加合理；④節(jié)點等強連接（梁柱栓焊連接）的情況下，對比常規(guī)設(shè)計，所需連接的極限承載力更小，更利于螺栓的構(gòu)造排布；⑤本設(shè)計采用了承載力性能等級為4 級，高于表17.1.4-1 要求，所以也不需要按照17.1.4-5 驗算罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，對計算工作有了簡化，提高了承載力級別，代表延性的結(jié)構(gòu)位移可以一定程度上放寬，體現(xiàn)出性能化設(shè)計的靈活性；⑥工程中鋼次梁大量應(yīng)用組合鋼次梁，然而大量實際工程中組合梁通常做成上下翼緣相同，而根據(jù)鋼標(biāo)，受壓上翼緣可以做窄形成S3～S1 等級的寬厚比，腹板和下翼緣可以放寬限值，能夠形成上小下大的鋼梁截面，充分利用鋼結(jié)構(gòu)下翼緣抗拉的能力，減少鋼結(jié)構(gòu)上翼緣受壓失穩(wěn)的弱項，讓混凝土板代替鋼梁受壓，進而鋼梁的總截面面積減小，布置同樣數(shù)量的栓釘?shù)那闆r下，達到了栓釘完全抗剪的受力狀態(tài)，充分發(fā)揮組合梁截面的抗彎能力。值得注意的是通過調(diào)整栓釘?shù)拈g距，來改變組合梁實際的應(yīng)力比效果比增加下翼緣面積更為明顯；⑦性能化設(shè)計優(yōu)勢還在于以下幾點：第一，采用更薄的鋼板厚度，鋼材的強度更大，如原設(shè)計20mm 的板厚變?yōu)?6mm，則鋼材強度設(shè)計值從295N/mm2提高到305N/mm2，屈服強度也相應(yīng)提高；第二，鋼板厚度減小則組合焊接鋼梁腹板和翼緣連接焊縫厚度也相應(yīng)減小，節(jié)省了成本；第三，大于40mm 厚的鋼板需要滿足Z 向性能，如果工程中存在大于40mm 的厚板可以通過增大鋼梁翼緣寬厚比使板厚降到40mm 以下，避免厚板的出現(xiàn)。

圖4 （原設(shè)計）1# 廠房二層局部結(jié)構(gòu)平面圖

圖5 （原設(shè)計）鋼梁鋼柱應(yīng)力比

圖6 （性能化設(shè)計）1# 廠房二層局部結(jié)構(gòu)平面圖

圖7 （性能化設(shè)計）鋼梁鋼柱應(yīng)力比

4 結(jié)語

①本設(shè)計符合鋼標(biāo)“低延性－高承載力”的思路，經(jīng)過計算結(jié)構(gòu)總用鋼量可以減少10%，（柱用鋼量基本無變化）梁柱及節(jié)點性能化設(shè)計對節(jié)約鋼材用量產(chǎn)生了積極效果，為鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了新的方向，同時減小鋼板厚度可能提高設(shè)計強度，減少厚鋼板使用的數(shù)量。②通過計算證明，上小下大截面組合梁相近應(yīng)力比的情況下能節(jié)省40%的用鋼量，取得比較好的經(jīng)濟效益，按栓釘完全抗剪設(shè)計能充分發(fā)揮組合梁截面的抗彎能力，所以應(yīng)注意調(diào)整栓釘間距滿足完全抗剪設(shè)計。這在鋼次梁普遍用于組合次梁的大環(huán)境下具有很大的價值空間。③性能化設(shè)計的前提是結(jié)構(gòu)在常遇地震下承載力滿足要求，層間位移角滿足要求，基本條件滿足的情況下才能性能化設(shè)計。工業(yè)建筑低烈度區(qū)，采用低延性－高承載力的抗震思路可能更為合理。