鋼框架—支撐結構化工裝置常見設計問題淺析

劉國強 姜圣潔

摘 要：目前鋼框架—支撐結構體系是鋼結構化工裝置中廣泛采用的結構受力體系。本文對鋼框架—支撐結構設計中遇到的一些問題進行了深刻的剖析，同時針對問題給出建議和解決方法。

關鍵詞：鋼框架—支撐結構；鋼樓梯布置；剛性樓板假定；有效質量系數；性能化設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.086

0 前言

隨著經濟發展，具有結構自重輕、抗震性能好、工業化生產程度高、施工速度快、有利環境環保、空間大等優點的鋼結構逐漸成為化工裝置常見結構形式。鋼框架—支撐結構是設計中的常用結構體系：鋼柱一般都采用H 型鋼；鋼柱的強軸與鋼梁剛接，形成純框架抗側力體系；鋼柱的弱軸與鋼梁鉸接，并在適當的位置增加豎向柱間支撐，形成支撐結構抗側力體系。設備及樓面荷載基本上都通過次梁傳遞到柱強軸的剛接主梁上，組成橫向承重結構體系。

1 鋼樓梯布置

化工裝置內布置基于生產工藝和造價的考慮，習慣將鋼樓梯布置在框架兩端甚至局部突出部位，該部位鋼樓梯通常采用截面較小鋼柱作為框架柱。框架的整體計算中，端部及突出部位承擔較大的地震力再加上鋼梯柱較小的截面剛度，樓層最大位移比常常出現在框架周邊樓梯鋼柱處。鑒于樓梯部位高彈性和鋼結構高延性的特點，當樓層最大位移比出現在此處時，最大位移比可采用規范允許的較大限值。當樓層最大位移比無法滿足規范要求的限值時，建議將鋼樓梯布置在鋼框架內部或者采用較大截面樓梯鋼柱。鋼樓梯布置除滿足抗震要求外也應考慮中震承載力、變形驗算和大震變形驗算。

2 剛性樓板假定

化工裝置一般采用花紋鋼板或鋼格柵板作為樓面板。設計及施工中花紋鋼板與鋼梁焊縫非完全焊縫，鋼格柵板與鋼梁之間僅靠連接件固定，樓板對各柱的變形協調相對較弱，也無法滿足規范要求的剛性樓板假定。由于設備吊裝預留安裝孔等各方面的制約， 樓面常常有大范圍的開洞， 甚至局部為了達到某種要求連樓面板都沒有，剛性樓板假定更難以滿足。規范中所指的剛性樓板假定，按國外的相關規定，樓蓋周邊兩端最大位移不超過平均位移2倍的情況均稱為剛性樓板，超過則屬于柔性樓板。因此當在不考慮樓板剛性假定時，樓層最大位移與平均位移之比大于2，就可按照抗震規范采用剛性樓板假定核算位移比、周期比等參數。花紋鋼板或鋼格柵板樓板較弱的變形協調造成不足，不考慮剛性板假定的結構計算很難滿足位移比不大于2的要求。為達到剛性板假定要求，實際工程設計中應設置水平支撐作為構造措施，保證結構平面剛度及水平荷載有效傳遞。

3 有效質量系數

有效質量系數是指每個質點質量與其在某一振型中相應坐標乘積之和與該振型的主質量（或者說該模態質量）之比，即為該振型的有效質量系數。為使地震作用計算更加精確，規范對有效質量系數均有控制要要求。《建筑抗震設計規范》條文說明“5.2.2振型個數一般可以取振型參與質量達到總質量90%所需的振型數”。《高層建筑混凝土結構技術規程》“5.1.3計算振型數應使各振型參與質量之和不小于總質量的90%”。

當采用側剛模型計算時，每個樓層均只有三個自由度，相當于采用了剛性板假定。通常結構有效質量系數能夠滿足規范要求。當采用總剛模型計算時，正如前述的樓面剛度不足（設計中通常取樓板厚度為0）缺少對構件的約束，再加上局部較重設備引起鋼梁局部振動，使結構自由度增加。當采用3倍樓層的振型數進行總剛模型計算，鋼結構的有效質量系數常小于規范規定的0.9。此時對模型進行如下調整：（1）總剛模型計算時擴大振型數保證振型參與質量達到總質量90%。（2）對低階振型中的局部振動進行構件加強。（3）樓面設水平支撐保證結構平面剛度。

4 性能化設計

化工裝置布置復雜不規則且具有較高的危險性，以抗震設防作為單一的評價目標是不全面的。結構除滿足基本抗震設防要求外，結構構件上應適當開展性能化設計，以保證設防地震甚至大震下的結構安全。隨著規范更新，新版《鋼結構設計標準》中增加了鋼結構性能化設計，從一定程度上給出了復核計算的新方法。性能化設計的核心思想是在結構延性和承載力之間找到平衡點達到最優設計結果。性能化設計應遵循三個設計步驟：（1）驗算設防烈度下多遇地震作用的結構承載力和結構側移（小震不壞）。（2）依據抗震設防類別選擇塑性耗能區的承載性能等級并進行設防地震下的承載力驗算，承載力滿足要求的前提下針對不同延性等級確定抗震措施（中震可修）。（3）驗算罕遇地震作用下的彈塑性變形，保證延性水平的合理利用防止結構剛度過小（大震不倒）。

按新版《鋼結構設計標準》中第3.5.1條進行受彎和壓彎構件計算時，發現截面板件寬厚比與應力梯度相關。應力梯度隨荷載不斷變化，導致鋼結構梁柱的寬厚比隨之發生調整。實際工程中的化工裝置技改升級，布置荷載調整難以避免，可能出現構件寬厚比不滿足要求。為避免升級改造中可能發生的問題，建議當計算寬厚比接近性能限值時，設計中應選擇更高要求的寬厚比等級。

鋼框架—支撐結構體系中，柱間支撐以及主梁主柱是結構關鍵構件，設計時應多類型復核。結構構件除應滿足《建筑抗震設計規范》的構造措施外尚應滿足性能化設計下中震承載力和變形要求、大震彈塑性變形要求。抗規與新鋼標兩本規范不是傳統認知的一本規范包絡另一本規范，抗震等級與寬厚比等級也不對應，我們應依據各自規范控制條件去控制。

5 結語

（1）石油化工鋼框架的設計因工藝布置的特殊要求和結構自身特點，在諸多方面不滿足抗震規范要求的基本假設，設計人員應充分理解并嚴格遵守相關設計規范規定。工程設計中合理調整布置，在適當情況下進行多性能驗算，保證結構安全。

（2）注意鋼樓梯布置對結構計算的影響；分析振型，避免局部振動；鋼結構樓層宜設置水平支撐，增強水平剛度，有效傳遞水平荷載；針對結構形式自身特點，合理利用性能化設計。

參考文獻：

[1]建筑抗震設計規范：GB50011-2010（2016版）[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[2]高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ3-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]鋼結構設計標準：GB50017-2017[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

作者簡介：劉國強（1987-），男，山東泰安人，本科，助理工程師，從事石油化工結構設計。