關于鋼結構工業廠房的抗震設計分析

藍天

廈門紫金工程設計有限公司（361000）

關于鋼結構工業廠房的抗震設計分析

藍天

廈門紫金工程設計有限公司（361000）

鋼結構具有強度高、塑性韌性好、自重小、制作簡便、施工工期短、節能環保等優點。在工業建筑中得到廣泛應用。這里結合實際工作經驗，分析鋼結構工業廠房的優缺點，并針對某工程鋼結構抗震設計進行了解析說明。

結構設計；結構選型；抗震概念

1 工程概況

某廠房為敞開式建筑物；主體高75 m，平面尺寸主要跨度為10 m，局部6.3 m，總長度為55.6 m，寬度為30 m;立面分別在18，23，50 m局部收進；層高按工藝流程布置，最高層高為底層10 m，最低層高為第4層4.5 m；該廠房是全廠裝置的核心，布置有兩套生產線,單套生產線共有114臺設備，依工藝流程從地面到頂布置,平面及豎向質量分布不均勻，主要分布在14 m、27 m、32 m、68 m、76 m平面上，100 t以上的設備有6臺,最重的原料煤貯倉布置在32 m，重量達500 t。該廠房主體結構設計使用年限為50年,建筑結構的安全等級為二級。因該廠房為化工類主要生產裝置,根據GB 50453—2008《石油化工建（構）筑物抗震設防分類標準》，為乙類建筑。建筑抗震設防烈度為7，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.10 g，項目場地土類型為中硬場地土，場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為B類，地基基礎設計等級為甲類。

2 結構選型

主體結構除了滿足強度、剛度、穩定以及變形要求外，還要滿足其工藝生產特點。綜合多種因素，考慮到化工生產裝置設備、管線布置特點，將廠房主體結構方案選為鋼支撐―框架結構,從基礎頂至32 m設計為鋼支撐―混凝土框架結構，32 m至結構頂部為鋼支撐―鋼框架結構，27～32 m為混凝土結構向鋼結構過渡層。因該廠房跨度大、荷載重，梁柱截面尺寸大，為方便混凝土結構施工以及節約投資，27 m以下采用混凝土柱。垂直支撐采用中心支撐,主要布置在荷載較大的柱間，且從基礎頂到頂層貫通布置，使結構的剛度中心質心滿足規范要求[2]。

3 抗震概念設計

3.1 抗震等級劃分

抗震設計時,高層建筑應根據設防烈度、結構類型和房屋高度采用不同的抗震等級，并應符合相應的計算和構造要求。對于該結構，抗震等級的劃分不應按鋼結構和混凝土結構各自的高度來劃分，而應按結構整體高度來劃分。廠房為乙類建筑，按提高1度確定抗震等級,因此32 m以上部分鋼結構抗震等級為二級；32 m以下部分經計算，混凝土框架承擔的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的50%，按混凝土框架結構來劃分，抗震等級為一級，鋼結構部分仍為二級。

3.2 阻尼比的取值

在多遇地震作用下,混凝土結構阻尼比為0.05；鋼結構高度不大于50 m時取0.04，高度大于50 m時取0.03；型鋼混凝土結構阻尼比取0.04；該結構中混凝土與鋼結構材料比約為6:4，綜合考慮，多遇地震下計算阻尼比取0.04，罕遇地震下彈塑性分析取0.05。

3.3 主要抗側力構件材料和截面選用

結構的主要抗側力構件為框架梁、柱和垂直支撐。為增強結構的抗側剛度和抗扭剛度，鋼柱選用箱型柱，框架鋼梁以標準H型鋼梁為主，部分框架鋼梁和垂直支撐采用焊接H型鋼梁,材料均采用Q345GJC，構件截面尺寸滿足長細比、寬厚比限值要求。除部分承擔大型設備的鋼梁采用Q345B外，其余次梁和平臺梁均采用Q235B。

3.4 鋼結構和混凝土連接部位的處理方案

結構32 m以上為鋼結構，32 m以下為混凝土結構，這兩種不同的結構必須要有合理的過渡才能使上部結構的應力有效、明確地傳到下部結構。兩種不同的結構連接有多種設計方式,如在32 m混凝土柱頂直接設鋼結構柱腳，或在鋼結構柱腳的基礎上按照外包式柱腳的原理外包鋼筋混凝土。這些方案對一般輕型鋼結構、多層混合結構以及非抗震設防區較為適用。我國是地震多發區域，且上部鋼結構高度高、設備重，經比較采用插入式柱腳，將上部鋼柱向下延伸一層到27 m，鋼柱按型鋼混凝土柱的構造要求設栓釘，能保證鋼結構與混凝土之間的應力傳遞。

采用插入式柱腳,該層柱為型鋼混凝土柱。為滿足混凝土框架梁鋼筋在柱節點處的錨固和搭接，將框架梁加寬，在箱型柱中按構造要求打孔并焊接一短牛腿，梁兩邊的鋼筋直接通過柱，中間的鋼筋一部分雙面焊接在短牛腿上，另一部分直接穿孔通過箱型柱。頂部梁柱鋼筋的錨固采用梁筋錨入柱內的方式，柱外層鋼筋在梁頂水平段內加焊短筋以增強錨固。

3.5 設備及管道對結構剛度的影響

廠房內從底層到頂層布置了幾百臺設備和上千根管道。設備與梁有兩種連接方式，一種是設備基座或支座通過螺栓與梁相連，另一種是設備支腿直接焊接在鋼梁或混凝土梁頂預埋件上。設備之間通過管道相連，部分管道通過焊接在梁上的支吊架支承著。這些設備和管道與主體結構一樣在使用期間一直存在。關于設備和管道對結構剛度的影響,從目前的技術手段來看，難以定量分析，但不能忽略設備和管道對結構剛度的貢獻。用周期折減系數來考慮其對結構剛度的影響，該結構取0.75。

4 結構布置中的超限判定

從工藝專業提供的設計布置圖和初步討論的結構主體方案為鋼支撐―框架結構來分析，根據現有規范及《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質【2010】109號），本工程有4項指標超限，屬于不規則的復雜高層結構[3]。

5 抗震計算方法和分析

在滿足結構強度、剛度和穩定性的要求下,結構分析時根據計算的目標,改變和調整設計參數，反復試算，逐步確定結構主體抗側力構件的大小和截面配筋。根據結構的特性，采用SATWE按振型分解反應譜法進行彈性靜力分析，通過設計參數和構件尺寸的調整，使結構設計滿足要求。用ETABS設計軟件進行核對分析和整體驗算，用SATWE按彈性時程分析進行彈性靜力分析以補充計算。最后進行建筑抗震性能化設計。混凝土框架部分承擔的地震作用,按框架結構和支撐框架結構兩種模型計算，取二者的較大值。結構配筋以SATWE靜力計算結果和抗震性能化設計結果為依據，結合抗震構造措施進行構件配筋[4]。

5.1 結構靜力分析

因結構重量和剛度分布不均勻，計算中考慮扭轉耦聯，計入雙向水平地震力。對單項水平力加偶然偏心的影響也進行計算，取不利結果。在計算位移、剛度比、承載力比等整體參數時，程序按對所有樓層強制采用剛性樓板假定進行分析。在計算內力和配筋時，程序按樓板實際剛度進行分析計算。

從初步選定的構件截面和設定的計算參數分析結果來看，鋼支撐―鋼框架結構中支撐框架承擔的水平力大于60%。鋼支撐―混凝土框架結構中支撐框架承擔的水平力不足30%，主要原因是混凝土柱受軸壓比控制截面尺寸大，混凝土框架部分結構整體剛度大，承擔了大部分水平力。中柱軸壓比在第2層超限，第1、第2兩層的剛度比超限，第2層的承載力比超限，第2、第5層的偏心率超限。超限的主要原因在于1～3層層高分別為10 m、6 m、4.5 m，層高變化太大。另外，設備重量分布差異較大也是主要原因之一。通過調整框架梁、柱、垂直支撐和混凝土強度等級，除偏心率外超限部分均滿足規范要求。最終混凝土柱的變截面尺寸①軸～③軸為1 300 mm×1 300 mm（1層）、1 200 mm×1 200 mm（2～3層）、1 100 mm×1 100 mm（4～6層），③軸～⑤軸為1 600 mm×1 600 mm（1層）、1 400 mm×1 400 mm（2～3層）、1 200 mm×1 200 mm（4～6層），⑥軸～⑦軸為900 mm×900 mm（1層）、700 mm×700 mm（2～6層）。箱型柱①軸～②軸為400 mm×400 mm×18 mm（7～10層）、③軸～⑤軸為600 mm×600 mm×22 mm×22 mm（7～14層）。混凝土強度等級為C50（1層）、C45（2層）、C40（3～6層）。

5.2 抗震性能化設計

針對鋼支撐——框架結構，支撐框架和框架柱是整個結構體系的關鍵構件，支承設備的梁是結構體系中的重要構件，綜合考慮，結構抗震性能目標選定為C級；進行多遇地震下第1性能水準、設防烈度地震下第3性能水準和預估的罕遇地震下第4性能水準的抗震設計。在SATWE計算參數中,點取設防烈度地震下設計不屈服參數，地震影響系數取0.23。通過比較，設防烈度地震下的設計不屈服的計算結果為彈性計算結果的75%左右,主要原因是結構的抗震等級按提高1度取值，在彈性設計中構件內力增大，系數取值較大。設防烈度地震下的設計不屈服計算中構件內力為水平地震作用標準值，不需考慮與抗震等級有關的增大系數。

6 結語

按照現有規范完成對鋼支撐―框架結構的抗震分析,將抗震設計理念運用到結構設計中，并采用有效的抗震措施,使結構超限部分符合規范規定。這種結構體系能滿足化工類高層廠房的功能要求，并符合規范要求。另外，由于工藝布置的特殊性，結構在豎向布置、重量分布和樓板連續性上難以完全滿足規范的要求。在工藝方案布置的初期，應加強專業技術交流，使工藝布置盡量減少對結構的不利影響。

[1]康樂.某鋼結構工業廠房的設計實例[J].科技創業家,2012 (13).

[2]許英.淺談鋼結構工業廠房設計及施工問題分析[J].門窗, 2013(06).

[3]孟祥瑞.鋼結構工業廠房施工技術研究[J].科技與企業, 2013(24).

[4]陳飛.試論鋼結構工業廠房的設計理念的優化[J].中國建筑金屬結構,2013(24).