特种工业厂房框排架结构设计的探讨

赵泽宁

(海南元正建筑设计咨询有限责任公司，海南海口 570208)

我国GB 50191-2012构筑抗震设计规范(以下简称《构规》)自2012年10月起开始实施，作为涵盖工业厂房及特种结构在内的抗震设计规范和GB 50011-2010建筑抗震设计规范(以下简称《抗规》)，完成了我国构筑物抗震规范体系的全面升级。本文针对框排架结构中比较关注的问题，并结合《构规》的具体条文，及《抗规》的有关内容进行分析和梳理。

1)框排架结构的规范对应工业厂房框排架结构属于一种结构体系比较复杂的联合结构，按照《抗规》附录H的界定，属于多层工业厂房中的一类，钢筋混凝土框排架结构分为竖向框排架结构体系和侧向框排架结构(见图1)。

图1 框排架结构

根据相关解释，对于两种形式的框排架结构，可以得出如下的规范覆盖关系(见表1)。

表1 框排架结构的规范覆盖关系

2)“有筒仓”和“无筒仓”框排架结构《构规》中将框排架结构分为设置筒仓类和不设筒仓类两种，其中“有筒仓”的框排架指钢筋混凝土仓壁兼做框架结构的横纵梁，规范中针对“有筒仓”的框排架，对其结构高度限制、抗震等级和侧移限制等内容的规定均要比“无筒仓”的框排架相对严格。

3)有关“单跨框架”的限定使用规定《构规》6.1.11条规定了对于单跨框架的限定性要求，相对于《抗规》来说，不再区分设防类别，限定性由“不应”改为了“不宜”。应该说《构规》的规定更加灵活一些。《抗规》规定“甲乙类建筑及高度大于24 m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构，高度大于24 m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构”。《构规》规定“框排架结构中框架部分高度大于24 m时，不宜采用单跨框架结构”。例如:对于大多数采用钢煤斗的框排架结构，前煤仓布置形式来说，由于煤仓间结构屋面标高均大于24 m，因此对于前煤仓结构来说“不宜”采用单跨框架结构;而对于侧煤仓布置方式而言，煤仓间结构属于高度大于24 m的框架结构，所以套用《抗规》“不应”采用单跨框架结构。对于由除氧间和汽机房组成的框排架结构，只要框架部分的结构高度不大于24 m，也可以采用单跨框架结构，这对于大多数露天布置的除氧间框架来说，一般来说可以实现(见表2)。

表2 对单跨框架结构的限定性要求

有关抗震变形限值的规定。

《构规》6.2.26条和6.2.27条规定了框排架结构的位移计算要求，其中按照框架部分和排架柱部分分别给出了各阶段位移角限值的规定，对于排架柱的弹性位移角没有具体的数值规定，只是在6.2.26条的条文解释中要求“工业厂房的弹性层间位移角需根据吊车使用要求加以限制，严于抗震要求，排架柱的弹性位移应满足吊车的使用要求”。

4)排架结构由于屋架与混凝土柱采用铰接，因此层间位移角相比框架结构容许值应有所放松。但是由于厂房内有吊车存在，排架柱的水平位移限值应根据吊车在小震作用下不影响正常使用的原则来进行控制，使得有吊车厂房和无吊车厂房排架柱的层间位移角限值明显有所不同。

GB 50017-2003钢结构设计规范附录A.2.1条规定“在风荷载作用下，有桥式吊车的单层框架的柱顶位移限值为H/400，无桥式吊车的单层框架的柱顶位移限值为H/160”;而CSCS 102:2002门式刚架轻型屋面钢结构技术规程第3.4.2条规定“柱顶位移设计值(在有桥式吊车)为h/400”。综上所述，可以认为有吊车的排架柱的柱顶弹性水平位移应按照h/400进行控制(见表3)。

表3 无筒仓框架结构的位移角限值

上述限值的意义在于，对于框排架结构，由于结构刚度分布不均，楼板或屋面板不是完全刚性，不可避免地出现扭转效应，框架部分满足1/550的位移角时不一定能保证排架柱顶位移小于h/400的要求，因此应按照框架柱和排架柱的柱顶位移分别验算;而对于纯排架结构或竖向框排架结构，在高烈度地区要满足1/400的弹性位移限值是比较困难的，因此限制了纯排架结构(竖向框排架)在高烈度区的使用。

5)弹塑性计算方法的规定目前行业内计算弹塑性位移的方法有三种，主要是规范简化法、静力弹塑性法(push-over)以及弹塑性时程法，分列于下表(见表4)。

表4 弹塑性分析方法

《构规》第6.2.27条中规定对框排架结构应采用“静力弹塑性分析方法和弹塑性时程分析方法”，不再提及简化计算公式，这对我们的计算提出了较高的要求。由于目前大量使用的SATWE软件的计算方法是采用《抗规》规定的简化计算公式，由于框排架结构的复杂性，因此弹塑性变形的结果不能直接使用(只能作为参考)，而弹塑性时程计算方法要求进行构件级别的模拟，尤其是材料的非线性特点以及考虑构件开裂后对特性的模拟，要求较高且计算量超大，不太适合于工程设计。因此，应采用相对较易理解的，容易操作的push-over静力分析方法。目前可用于push-over操作的软件很多，如PKPM系列的EPDA模块，SAP2000等软件。

6)关于屋架结构参与整体计算的规定。a.《构规》6.2.19条规定“针对7度(0.15g)Ⅲ，Ⅳ类场地和8度9度时，应计算排架跨的屋架下弦的拉压效应，核算屋架承载力”。b.《构规》6.2.22条规定，“针对7度(0.15g)Ⅲ，Ⅳ类场地和8度9度时，端部横向水平支撑应验算由于框架部分和排架柱位移变形不协调产生的附加内力”。

上述两条的规范用词都是“应”，因此当有条件采用空间建模时，应考虑建立合适的屋架和支撑的杆系模型，否则无法得出上述内力值。

7)关于钢框排架结构的支撑抗震计算。《构规》7.6.3条规定了排架部分纵向交叉形支撑的最大长细比(见表5)，7.6.7条规定了框架部分的最大长细比应满足《抗规》的要求(即长细比不大于150)，这也是比较明确地提出了排架部分和框架部分的支撑构件采用不同的长细比标准。

表5 交叉形支撑斜杆的最大长细化(排架部分纵向支撑)

另外，对于交叉支撑在水平荷载作用下的压杆刚度退化的计算方法，即对于长细比不超过200且拉压杆截面相同的交叉性支撑，可以简化成单斜拉杆进行计算(见图2)，同时将拉杆的计算截面面积乘以增大系数(1+φi)，其中，φi为斜压杆的轴心稳定系数。采用上述方法计算纵向地震作用时，可以比较客观地反应结构的实际刚度和地震作用的大小，否则会过高地估计纵向地震作用，使得支撑内力过大而不经济。

图2 压杆刚度退化

8)关于钢框排架结构的构件计算长度，对于钢框排架结构的柱、支撑的计算长度，无论是《抗规》《构规》都没有给出比较明确的计算方法，而《钢结构设计规范》中给出的计算方法又过于繁琐，不易操作，同时该计算方法是否适合于抗震计算也是值得商榷的。上述原因造成对于框架—支撑结构中的构件稳定性计算目前还没有统一的标准，因此对于特种工业厂房，如火电行业的结构来说仍旧需要进一步研究此类问题;相比而言，《高层民用建筑钢结构设计规程》中的计算方法显得比较明确而易于操作，因此建议考虑按照上述规范进行计算，或按照澳大利亚的规范直接进行构件的二阶内力分析。

9)结论。a.《构规》和《抗规》是我国2010规范体系的抗震设计方面的国家标准，二者相互联系又各有侧重点，在结构设计时应按照其所覆盖的范围进行合理的选择应用。b.《构规》中有关侧向框排架结构中的条文适合于如电厂框排架结构的设计，覆盖的条文非常全面，应该作为抗震设计的依据。c.《构规》中对于单跨框架的使用范围有了一个较为明确的规定，使得在厂房布置方案选择上有相对的灵活度。d.《构规》中对于框排架计算的内容相对比较完整，如弹性位移、弹塑性位移、局部内力计算等方面的内容，使得对于(如电厂)框排架结构计算的内容和深度有了统一的规定。e.《构规》中仍没有明确带支撑结构的构件计算长度取用的问题，特种行业对此应进行进一步的深入研究。

［1］GB 50191-2012，构筑抗震设计规范［S］.

［2］工业厂房抗震设计［Z］.