工業鋼平臺水平支撐設計問題探討

張國斌

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，蘭州730060）

1 引言

現階段我國大部分工業項目結構承重結構體系，主要以鋼框架結構體系、鋼框架-支撐結構體系為主[1]。室外露天鋼框架、鋼平臺樓面鋪設鋼格柵板相對較多。大多數承重鋼平臺體系具有承擔支撐化工設備和樓面設備檢修雙重作用。格柵板樓面本身平面內外剛度較弱，達不到剛性橫隔板的要求，且大型重型設備布置框架局部樓層，導致結構上下質量極不均勻，框架體系整體抗震性能和變形不能滿足SH 3147—2014《石油化工構筑物抗震設計規范》的要求。大多數設計人員通過改變豎向構件截面、加大樓層梁截面來增強抗側剛度，忽略樓層設置水平支撐來調整鋼平臺剛度，改善水平傳力的途徑，達到各抗側力構件變形協調的作用。因此，通過采取加強樓層水平力傳遞構件的剛度，即對此類化工設備承重鋼平臺結構體系設置水平支撐；樓面設備支、吊、墩等部位設置水平斜支撐和合理布置樓面次梁等措施，加強樓層面剛度，對抗側力剛度較弱的豎向框架，提高了其結構體系的整體剛度和內力變形協調，達到減小構件截面，節約材料，降低工程成本的目的。

2 模擬分析

2.1 工程概況

某工業項目丙烯精制單元重型鋼框架平臺，項目場地烈度8度，地震加速度0.2g，框架高度15 m，單臺設備重120 t，支撐點標高7.00 m，鋼平臺不同部位和形式的水平支撐布置模型見如圖1、圖2所示。

圖1 樓面梁上翼緣對稱單斜支撐形式

圖2 框架梁下翼緣水平十字交叉支撐形式

對結構周期和樓層剛度及位移角對比如圖3、圖4和表1所示。

圖3 結構周期對比圖

圖4 樓層剛重比

表1 樓層位移角對比表

2.2 分析結果

在鋼平臺樓面梁上翼緣設置水平斜支撐，次梁與次梁之間布置斜支撐，使每個鋼平臺形成類似平面整體桁架形式，相當于樓面形成鋼隔板，增強樓面的次梁整體剛度，使得豎向各抗側力框架構件整體變形協調一致，有利于樓面局部集中荷載水平力的傳遞。從位移變形模型可以看出，樓層承重梁上翼緣設置斜支撐的鋼平臺相對變形明顯減小，結構整體變形趨于均勻，突變減少；特別是躍層的塔式設備支撐點布置在上翼緣的鋼平臺，在地震作用下，相對變形減少，起到整體變形一致的效果。

在鋼平臺框架梁間設置梁下翼緣十字水平支撐，各樓面次梁未與水平斜撐相連，未形成平面次梁間之絎架形式，樓面梁間的側向剛度并未增強，沒有提高樓面集中水平力傳遞路徑處構件的剛度；該水平支撐只增強了各豎向抗側力構件整體抗側剛度，樓面集中力處的承重構件扭轉效應明顯，特別是承重設備的平臺梁，從模擬樓層變形來看，承重梁的側向剛度并未改變，相對變形比未設置水平支撐的樓面水平變形更大。承重樓面梁局部變形突變明顯；其他非承重樓層樓層變形更趨于均勻。這說明，對非承重的操作層，設置鋼平臺框架梁下翼緣水平斜支撐，增強框架體系的整體剛度比較明顯，而承重設備樓層梁則不利，并未增強承重質點支撐處的側移剛度。對于承重設備的樓層，外荷載引起各構件內力形式更為復雜，簡化外荷載內力的傳遞路徑，加強路徑構件的側移剛度，宜在鋼平臺設備的支、吊、墩等部位設置水平支撐，改善鋼平臺的剛度一致性，使框架體系整體變形更趨于均勻。

綜上所述，在鋼平臺梁上翼緣或下翼緣設置不同形式的水平支撐，均能增強結構體系的整體剛度，平面內剛度較弱的鋼平臺（鋼格柵板平臺），相鄰鋼框架之間的樓層約束機制較弱，使得框架結構整體體系的剛度較弱，這點從無水平支撐體系框架模型0各振型周期與設置水平支撐結構體系的周期的大小可以看出，結構周期大的，整體剛度低。在結構質量不變的情況下，通過設置鋼平臺的不同形式和部位的水平支撐體系相應來調節框架梁樓層面或樓面次梁平面剛度，協調不同豎向抗側力體系的抗側力能力，提高結構體系樓層位移角限值，增強結構的抗側剛度和整體剛度，做到節約材料并優化結構方案。

3 鋼平臺水平支撐的設置形式部位及構造要求

抗震設防要求鋼結構構筑物依據工業項目鋼結構體系的受力形式的不同和方案的優化特點，參照SH 3147—2014《石油化工構筑物抗震設計規范》第9.1.5條要求[2]，區分水平支撐的設置部位及形式。分具體情況設置不同水平支撐，即當平臺鋪板采用鋼格柵板時，有無支撐設備均宜每層設置水平支撐；當鋼結構構筑物各榀框架側移剛度相差較大，宜在中間層和頂層設置水平支撐，且設備支撐部位也宜設置水平支撐；當鋼結構豎向支撐布置不規則時，宜在豎向構件側向剛度薄弱的相應部位設置水平支撐；承擔樓層面均勻面荷載的鋼平臺，宜在框架梁下翼緣設置十字水平支撐；承擔集中載荷的鋼平臺，宜根據鋼平臺設備支、吊、墩的部位，相應設置承重梁上下翼緣的水平支撐形式。

非地震作用的鋼結構構筑物，承擔設備自身水平荷載較大的鋼平臺部位，宜設水平支撐體系，有利于水平力的約束和樓層剛度的增強。

水平支撐的形式有X形支撐，通常設置在梁下翼緣；單斜桿支撐，通常設置在梁上翼緣，下翼緣承擔水平荷載的，宜設置在下翼緣[3]。

水平支撐的連接構造要求，即下翼緣水平支撐的端部宜與相應樓面梁的下翼緣和腹板同時連接；上翼緣水平支撐的端部宜與相應樓面梁的上翼緣和腹板同時連接；水平支撐應與框架豎向支撐相協調；水平支撐應與承重梁的設備支、吊、墩等部位相協調；框架樓或樓面梁可作為水平支撐系統的弦桿，斜桿與弦桿的夾角宜為30°～60°。水平支撐可與樓面梁翼緣用節點板連接或直接與梁翼緣焊接連接[4]，上下翼緣水平支撐連接如圖5所示。

圖5 上下翼緣水平支撐連接

4 結語

在城市工業化發展過程中，工業鋼平臺是工業項目中的主要承重構筑物，合理應用鋼平臺水平面支撐技術具有重要意義。工業設計行業中靈活應用先進的技術方案，能夠降低成本，提高行業的技術水平，促進行業穩步發展。目前，我國正處于科學技術高速發展階段，需要對工業技術開展深入的研究，針對工業項目工藝流程特殊技術條件、鋼結構的自身特點，及綠色建筑技術等進行系統分析和應用，可有效提高我國工業化發展的技術水平，促進建筑行業穩步發展。