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(jī)械制造、化工等行業(yè)。這類鋼結(jié)構(gòu)廠房的特點(diǎn)是生產(chǎn)設(shè)備體積大、重量重、廠房內(nèi)以水平運(yùn)輸為主。在鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)規(guī)范》[2]9.2.14條的要求。結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計(jì)，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(jìn)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(jì)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(jì)不同的抗震承載力進(jìn)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(shí)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(jì)，是設(shè)計(jì)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(jì)條件，采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法分別計(jì)算，得到廠房剛架計(jì)算的控制組合和耗鋼量，對其進(jìn)行對比分析，以期為同類型鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算與對比

3.1 規(guī)范規(guī)定

《建筑抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jìn)行比較來選擇板件寬厚比?！碑?dāng)構(gòu)件的強(qiáng)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(shí)，可直接采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》彈性設(shè)計(jì)階段的板件寬厚比限值，即C類；當(dāng)強(qiáng)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(shí)，板件寬厚比限值按B類；當(dāng)強(qiáng)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(shí)，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(jì)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(jì)思路分別計(jì)算。通過計(jì)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(jì)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(shí)(≥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(jì)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(shí)(≤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(jì)思路，板件寬厚比限值應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)思路的剛架分別進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)耗鋼量對比最終確定采用哪種設(shè)計(jì)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(jì)思路，板件寬厚比限值應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)思路的剛架分別進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)耗鋼量對比最終確定采用哪種設(shè)計(jì)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(shí)(≤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(jì)思路，板件寬厚比限值應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)思路。當(dāng)基本風(fēng)壓較較大時(shí)(≥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(jì)思路，板件寬厚比限值應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)思路的剛架分別進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)耗鋼量對比最終確定采用哪種設(shè)計(jì)思路。

3.3 滿足強(qiáng)度要求的剛架位移對比與分析

剛架強(qiáng)度計(jì)算滿足后，還必須對位移進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)度計(jì)算確定的剛架截面，水平位移驗(yàn)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(yàn)算表

由表5可知，當(dāng)基本風(fēng)壓較小(≤0.50 kN/m2)時(shí)，滿足強(qiáng)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(shí)，滿足強(qiáng)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(jì)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(jì)思路分別計(jì)算[6-7]，同時(shí)滿足強(qiáng)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(jì)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(jì)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(jì)思路剛架耗鋼量更低。并且僅當(dāng)基本風(fēng)壓較小時(shí)(≤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(shí)(≥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(shí)(≤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(jì)思路剛架耗鋼量更低；當(dāng)基本風(fēng)壓較大時(shí)(≥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(jì)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(jì)思路剛架耗鋼量更低；僅當(dāng)基本風(fēng)壓很大時(shí)(≥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(jì)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(jì)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(jìn)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(shí)，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(shí)，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(shí)，剛架計(jì)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(jì)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(jì)方法，近年來成為工程界解決抗震設(shè)計(jì)問題的基本方法。抗震性能化設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)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(jì)的簡化處理方法，應(yīng)用起來簡便易行。通過計(jì)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(jì)思路經(jīng)濟(jì)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(shí)，剛架計(jì)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(jì)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(shí)，采用高延性、低彈性承載力的性能化設(shè)計(jì)思路剛架耗鋼量更低；當(dāng)基本風(fēng)壓較大時(shí)，采用低延性、高彈性承載力的性能化設(shè)計(jì)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(jì)思路剛架耗鋼量更低。

值得注意的是，抗震性能化設(shè)計(jì)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(diǎn)?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)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(jì)的基本原則，結(jié)合工程設(shè)計(jì)的可操作性而人為規(guī)定的具體限值。實(shí)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(fèi)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(qiáng)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(jì)的初衷。