关于钢结构工业厂房的抗震设计分析

蓝天

厦门紫金工程设计有限公司（361000）

关于钢结构工业厂房的抗震设计分析

蓝天

厦门紫金工程设计有限公司（361000）

钢结构具有强度高、塑性韧性好、自重小、制作简便、施工工期短、节能环保等优点。在工业建筑中得到广泛应用。这里结合实际工作经验，分析钢结构工业厂房的优缺点，并针对某工程钢结构抗震设计进行了解析说明。

结构设计；结构选型；抗震概念

1 工程概况

某厂房为敞开式建筑物；主体高75 m，平面尺寸主要跨度为10 m，局部6.3 m，总长度为55.6 m，宽度为30 m;立面分别在18，23，50 m局部收进；层高按工艺流程布置，最高层高为底层10 m，最低层高为第4层4.5 m；该厂房是全厂装置的核心，布置有两套生产线,单套生产线共有114台设备，依工艺流程从地面到顶布置,平面及竖向质量分布不均匀，主要分布在14 m、27 m、32 m、68 m、76 m平面上，100 t以上的设备有6台,最重的原料煤贮仓布置在32 m，重量达500 t。该厂房主体结构设计使用年限为50年,建筑结构的安全等级为二级。因该厂房为化工类主要生产装置,根据GB 50453—2008《石油化工建（构）筑物抗震设防分类标准》，为乙类建筑。建筑抗震设防烈度为7，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10 g，项目场地土类型为中硬场地土，场地类别为Ⅱ类，地面粗糙度为B类，地基基础设计等级为甲类。

2 结构选型

主体结构除了满足强度、刚度、稳定以及变形要求外，还要满足其工艺生产特点。综合多种因素，考虑到化工生产装置设备、管线布置特点，将厂房主体结构方案选为钢支撑―框架结构,从基础顶至32 m设计为钢支撑―混凝土框架结构，32 m至结构顶部为钢支撑―钢框架结构，27～32 m为混凝土结构向钢结构过渡层。因该厂房跨度大、荷载重，梁柱截面尺寸大，为方便混凝土结构施工以及节约投资，27 m以下采用混凝土柱。垂直支撑采用中心支撑,主要布置在荷载较大的柱间，且从基础顶到顶层贯通布置，使结构的刚度中心质心满足规范要求[2]。

3 抗震概念设计

3.1 抗震等级划分

抗震设计时,高层建筑应根据设防烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造要求。对于该结构，抗震等级的划分不应按钢结构和混凝土结构各自的高度来划分，而应按结构整体高度来划分。厂房为乙类建筑，按提高1度确定抗震等级,因此32 m以上部分钢结构抗震等级为二级；32 m以下部分经计算，混凝土框架承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%，按混凝土框架结构来划分，抗震等级为一级，钢结构部分仍为二级。

3.2 阻尼比的取值

在多遇地震作用下,混凝土结构阻尼比为0.05；钢结构高度不大于50 m时取0.04，高度大于50 m时取0.03；型钢混凝土结构阻尼比取0.04；该结构中混凝土与钢结构材料比约为6:4，综合考虑，多遇地震下计算阻尼比取0.04，罕遇地震下弹塑性分析取0.05。

3.3 主要抗侧力构件材料和截面选用

结构的主要抗侧力构件为框架梁、柱和垂直支撑。为增强结构的抗侧刚度和抗扭刚度，钢柱选用箱型柱，框架钢梁以标准H型钢梁为主，部分框架钢梁和垂直支撑采用焊接H型钢梁,材料均采用Q345GJC，构件截面尺寸满足长细比、宽厚比限值要求。除部分承担大型设备的钢梁采用Q345B外，其余次梁和平台梁均采用Q235B。

3.4 钢结构和混凝土连接部位的处理方案

结构32 m以上为钢结构，32 m以下为混凝土结构，这两种不同的结构必须要有合理的过渡才能使上部结构的应力有效、明确地传到下部结构。两种不同的结构连接有多种设计方式,如在32 m混凝土柱顶直接设钢结构柱脚，或在钢结构柱脚的基础上按照外包式柱脚的原理外包钢筋混凝土。这些方案对一般轻型钢结构、多层混合结构以及非抗震设防区较为适用。我国是地震多发区域，且上部钢结构高度高、设备重，经比较采用插入式柱脚，将上部钢柱向下延伸一层到27 m，钢柱按型钢混凝土柱的构造要求设栓钉，能保证钢结构与混凝土之间的应力传递。

采用插入式柱脚,该层柱为型钢混凝土柱。为满足混凝土框架梁钢筋在柱节点处的锚固和搭接，将框架梁加宽，在箱型柱中按构造要求打孔并焊接一短牛腿，梁两边的钢筋直接通过柱，中间的钢筋一部分双面焊接在短牛腿上，另一部分直接穿孔通过箱型柱。顶部梁柱钢筋的锚固采用梁筋锚入柱内的方式，柱外层钢筋在梁顶水平段内加焊短筋以增强锚固。

3.5 设备及管道对结构刚度的影响

厂房内从底层到顶层布置了几百台设备和上千根管道。设备与梁有两种连接方式，一种是设备基座或支座通过螺栓与梁相连，另一种是设备支腿直接焊接在钢梁或混凝土梁顶预埋件上。设备之间通过管道相连，部分管道通过焊接在梁上的支吊架支承着。这些设备和管道与主体结构一样在使用期间一直存在。关于设备和管道对结构刚度的影响,从目前的技术手段来看，难以定量分析，但不能忽略设备和管道对结构刚度的贡献。用周期折减系数来考虑其对结构刚度的影响，该结构取0.75。

4 结构布置中的超限判定

从工艺专业提供的设计布置图和初步讨论的结构主体方案为钢支撑―框架结构来分析，根据现有规范及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质【2010】109号），本工程有4项指标超限，属于不规则的复杂高层结构[3]。

5 抗震计算方法和分析

在满足结构强度、刚度和稳定性的要求下,结构分析时根据计算的目标,改变和调整设计参数，反复试算，逐步确定结构主体抗侧力构件的大小和截面配筋。根据结构的特性，采用SATWE按振型分解反应谱法进行弹性静力分析，通过设计参数和构件尺寸的调整，使结构设计满足要求。用ETABS设计软件进行核对分析和整体验算，用SATWE按弹性时程分析进行弹性静力分析以补充计算。最后进行建筑抗震性能化设计。混凝土框架部分承担的地震作用,按框架结构和支撑框架结构两种模型计算，取二者的较大值。结构配筋以SATWE静力计算结果和抗震性能化设计结果为依据，结合抗震构造措施进行构件配筋[4]。

5.1 结构静力分析

因结构重量和刚度分布不均匀，计算中考虑扭转耦联，计入双向水平地震力。对单项水平力加偶然偏心的影响也进行计算，取不利结果。在计算位移、刚度比、承载力比等整体参数时，程序按对所有楼层强制采用刚性楼板假定进行分析。在计算内力和配筋时，程序按楼板实际刚度进行分析计算。

从初步选定的构件截面和设定的计算参数分析结果来看，钢支撑―钢框架结构中支撑框架承担的水平力大于60%。钢支撑―混凝土框架结构中支撑框架承担的水平力不足30%，主要原因是混凝土柱受轴压比控制截面尺寸大，混凝土框架部分结构整体刚度大，承担了大部分水平力。中柱轴压比在第2层超限，第1、第2两层的刚度比超限，第2层的承载力比超限，第2、第5层的偏心率超限。超限的主要原因在于1～3层层高分别为10 m、6 m、4.5 m，层高变化太大。另外，设备重量分布差异较大也是主要原因之一。通过调整框架梁、柱、垂直支撑和混凝土强度等级，除偏心率外超限部分均满足规范要求。最终混凝土柱的变截面尺寸①轴～③轴为1 300 mm×1 300 mm（1层）、1 200 mm×1 200 mm（2～3层）、1 100 mm×1 100 mm（4～6层），③轴～⑤轴为1 600 mm×1 600 mm（1层）、1 400 mm×1 400 mm（2～3层）、1 200 mm×1 200 mm（4～6层），⑥轴～⑦轴为900 mm×900 mm（1层）、700 mm×700 mm（2～6层）。箱型柱①轴～②轴为400 mm×400 mm×18 mm（7～10层）、③轴～⑤轴为600 mm×600 mm×22 mm×22 mm（7～14层）。混凝土强度等级为C50（1层）、C45（2层）、C40（3～6层）。

5.2 抗震性能化设计

针对钢支撑——框架结构，支撑框架和框架柱是整个结构体系的关键构件，支承设备的梁是结构体系中的重要构件，综合考虑，结构抗震性能目标选定为C级；进行多遇地震下第1性能水准、设防烈度地震下第3性能水准和预估的罕遇地震下第4性能水准的抗震设计。在SATWE计算参数中,点取设防烈度地震下设计不屈服参数，地震影响系数取0.23。通过比较，设防烈度地震下的设计不屈服的计算结果为弹性计算结果的75%左右,主要原因是结构的抗震等级按提高1度取值，在弹性设计中构件内力增大，系数取值较大。设防烈度地震下的设计不屈服计算中构件内力为水平地震作用标准值，不需考虑与抗震等级有关的增大系数。

6 结语

按照现有规范完成对钢支撑―框架结构的抗震分析,将抗震设计理念运用到结构设计中，并采用有效的抗震措施,使结构超限部分符合规范规定。这种结构体系能满足化工类高层厂房的功能要求，并符合规范要求。另外，由于工艺布置的特殊性，结构在竖向布置、重量分布和楼板连续性上难以完全满足规范的要求。在工艺方案布置的初期，应加强专业技术交流，使工艺布置尽量减少对结构的不利影响。

[1]康乐.某钢结构工业厂房的设计实例[J].科技创业家,2012 (13).

[2]许英.浅谈钢结构工业厂房设计及施工问题分析[J].门窗, 2013(06).

[3]孟祥瑞.钢结构工业厂房施工技术研究[J].科技与企业, 2013(24).

[4]陈飞.试论钢结构工业厂房的设计理念的优化[J].中国建筑金属结构,2013(24).