钢结构X型中心支撑的抗震设计探讨

2016-09-28白崇平

甘肃科技 2016年15期

关键词：斜杆剪力抗震

白崇平

（1.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730000；2.中国寰球工程公司，甘肃　兰州 730060）

钢结构X型中心支撑的抗震设计探讨

白崇平1，2

（1.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃兰州730000；2.中国寰球工程公司，甘肃兰州 730060）

支撑承载力验算时应考虑钢支撑杆在遭受强烈地震的循环荷载作用下发生屈曲使承载力降低而引起的卸荷效应；还应根据现行抗震规范的要求，计入楼层水平位移和竖向荷载（重力）共同作用下产生的附加剪力和柱的弹性压缩变形引起的附加压应力。为了确保支撑与框架柱在地震作用下的协同工作，设计过程中务必要调整支撑与框架柱的相对刚度，使“框架部分按刚度分配计算达到的地震层剪力达到不小于结构底部总地震剪力的25%和框架部分计算最大层剪力1.8倍二者的较小值”。

X型中心支撑；附加剪力；附加压应力；长细比

在石油化工建设中，钢框架-支撑结构体系是一种较为经济合理的结构体系，在这种结构体系中，钢支撑的设置能够显著地提高结构整体抗侧移刚度，减小结构的侧向位移。中华人民共和国行业标准《石油化工构筑物抗震设计规范》SH/T3147-2014（以下简称《石化构抗规》）中第9.1.3条规定“钢结构构筑物，应优先采用框架－支撑结构”体系。支撑是钢框架－支撑结构体系中重要的受力构件，支撑设计是否恰当合理将直接影响到结构承载力的安全性、可靠性和经济性，因此，做好支撑设计至关重要。

钢结构支撑分为中心支撑和偏心支撑。中心支撑即支撑轴线与梁柱交点相交的支撑，X型中心支撑是框架-支撑结构体系中常见的中心支撑形式。X型中心支撑的抗震设计包括支撑斜杆截面的验算、支撑斜杆的长细比控制及支撑斜杆的连接设计等内容。由于篇幅限制，文章仅重点探讨X型中心支撑斜杆验算和长细比控制方面的相关内容。

1　X型中心支撑的斜杆承载力验算

当钢结构X型中心支撑按压杆设计时，由于钢支撑杆在遭受强烈地震的循环荷载作用下可能发生屈曲而降低承载力，支撑斜杆承载力验算时应对材料强度进行折减［1］，如下：

式中，Ny——支撑斜压杆的轴向力设计值；

φ——轴心受压构件的稳定系数；

Ad——支撑斜杆的截面面积；

Ψ——支撑受循环荷载作用时的强度降低系数；

f——钢材强度设计值；

λRE——承载力抗震调整系数。

λ、λn——支撑斜杆的长细比和正侧化长细比；

fay——钢材屈服强度值；

E——支撑斜杆钢材的弹性模量。

当钢结构X型中心支撑斜杆采用拉杆设计时，确定拉杆轴力时应计入斜压杆在反复循环荷载下强度降低引起的卸荷效应［3］，轴力设计值宜按下式计算：

式中，NL——支撑斜拉杆的轴向力设计值；

ω——斜拉杆和斜压杆共同协调工作并考虑在反复循环荷载作用下，强度降低而引起的卸荷效应系数；

Ld——支撑斜拉杆的长度；－支撑所在柱间的净距；Vi——支撑承受的剪力设计值；

φc——长细比小于200时的压杆卸载系数，在钢框架-支撑结构体系中取0.30；

φi——斜杆轴心受压稳定系数。

在钢结构X型中心支撑的斜杆承载力验算中，还应根据现行《建筑抗震设计规范》GB50011（以下简称《建抗规》）、《构筑物抗震设计规范》GB50191（以下简称《构抗规》）及《石化构抗规》等规范要求，计入“在竖向荷载（重力）和水平荷载（地震）作用下，由于结构整体的变形协调关系，承受楼层水平位移和竖向荷载（重力）共同作用下产生的附加剪力”和“在竖向荷载（重力）荷载的作用下，由于柱的弹性压缩变形在X型中心支撑斜杆中引起的附加压应力”。

2　X型中心支撑的斜杆长细比控制设计

支撑斜杆的长细比是影响其性能的重要因素。对于小长细比的短支撑，耗能性能好，且其受压屈曲时的承载力接近于钢支撑本身的屈服强度，因此，支撑受压时不会出现明显的屈曲现象；而大长细比的钢支撑则相反，支撑屈曲时的承载力要远远小于其屈服强度，而且，当长细比较大时，构件只能受拉，不能受压，通常在往复荷载作用下，当支撑受压失稳后，其承载能力降低，刚度退化，耗能能力随之降低。为此，现行《石化构抗规》中第9.4.1条规定“中心支撑杆件的长细比，按压杆设计时，当构筑物高度大于50m时，不应大于当构筑物高度不大于50m时，不应大于一、二、三级中心支撑不得采用拉杆设计，四级采用拉杆设计时，长细比不得大于180”。现行《建抗规》第8.4.1条规定“支撑杆件的长细比，按压杆设计时，不应大于一、二、三级中心支撑不得采用拉杆设计，四级采用拉杆设计时，其长细比不得大于180”。

不难看出，我国抗震规范没有同时对小长细比的短支撑的最小值加以限制，导致一种错觉，认为设计中长细比越小，结构越安全，这显然是不合适的。实际情况是支撑的长细比越小，支撑框架的刚度就越大；支撑刚度越大，不但承受的地震力越大，而且在某些情况下计算分析得出的层间位移也很大；层间位移越大，强震时钢框架整体倾覆的可能性就越大［1］。

为了解决此问题，应依据多道设防的抗震概念设计原则，从钢框架－支撑结构体系的受力与变形协调角度出发，进行结构整体性分析与计算。在框架－支撑结构体系中，支撑是第一道防线，在强烈地震中支撑先屈服，并在继续发生有侧移变形的过程中与钢框架-支撑结构体系中的框架一道，发挥第二道抗震防线的作用。如果支撑在强震时仍保持弹性（既不屈曲，也不屈服）而不发生破坏，则作为钢框架－支撑结构体系组成部分的框架柱将首先发生破坏，柱子的这种破坏是一种无侧移失稳而导致整个钢框架－支撑结构体系失去竖向承载能力而坍塌。这就要求我们在结构设计中必须确保支撑在地震中先屈服，并确保支撑屈服后内力重分布使框架部分所承担的地震剪力和支撑部分所承担的地震剪力之和应大于弹性计算的总地震剪力。

实现上述多道设防的抗震概念设计思想，结构设计时采取的措施是调整支撑斜杆与框架柱的相对刚度，按照《建抗规》中第8.2.3.3条和《石化构抗规》中第9.2.2条等规定，框架部分按刚度分配计算达到的地震层剪力应“达到不小于结构底部总地震剪力的25%和框架部分计算最大层剪力1.8倍二者的较小值”。此条表面上是限制支撑与框架柱之间的相对刚度，其实是间接地规定了中心支撑斜杆的最小长细比。

3　工程实例

某公司20万t/a碳四深加工建设工程中冷冻框架为钢结构框架－支撑结构体系。轴线尺寸为18.0m×18.0m，纵横向柱距均为6.0m；共三层，一层（底层）及二层设备平台的层高均为6.0m，三层（顶层）为防雨棚，层高3.6m。在框架柱中间跨跨间设置受压X型中心支撑，支撑斜压杆选用型钢HW250× 250且抗震验算满足要求；一层地震剪力设计值为264.00kN，二层地震剪力设计值为218.30kN，三层的地震剪力设计值为64.40kN。

参照龚思礼主编的《建筑抗震设计手册》（第二版）中第8.1.3节关于考虑

框架与支撑协同工作在设计计算中的操作方法，利用中国建科院研发的PKPM系列结构设计软件中SATWE模块对去掉支撑的框架进行弹性阶段地震作用的分析计算，在所有构件均满足承载力要求时，得到的底部地震剪力VEK=546.64kN。采用本论文所确定的支撑斜杆规格，对原结构（钢框架-支撑结构）进行分析计算，达到的底部总地震剪力VEC=1358.23KN。将上述两值相比，如下：，满足规范要求！

经查SATWE程序计算的结果，框架部分各层底部地震剪力由上到下分别为：64.40kN、218.24kN、264.00kN。则最大层剪力1.8倍的值为：264.00×1.8= 475.20kN＜VEK=546.64kN。满足规范要求。