工业装置中钢结构厂房的设计分析

冉艳华

中海油石化工程有限公司

1 引言

钢结构房屋因其抗震性能良好、自重轻、平面布置灵活、施工周期短、建造速度快、节能环保等优点，在国内外得到广泛应用。尤其是在工业建筑中，因其施工周期短、便于后期改造，钢框架结构应用越来越多，但工业装置首先是要满足生产需要，结构布置时平立面不一定很规则，且抗震设防类别还高，这时需要展现设计师丰富的理论及经验水平，在概念设计以及结构措施方面来优化结构方案。另外，此时仅弹性分析结构在小震作用下的性能已不能很好地分析出实际情况，还要验算结构在大震作用下的性能，即弹塑性变形。本文以某工业装置为例，对钢框架结构设计从结构布置到受力变形性能进行分析。

2 概念设计

目前结构设计计算主要通过计算机用软件实现。但目前的结构计算及设计理论仍有缺陷，有的不可计算，尤其是现行规范几乎都以民用建筑为基本模型来定义，而工业建筑因要满足工艺要求的局限性，则竖向或平面布置经常不太合理，此时设计师只有加强概念设计的培养，了解工艺装置的结构性能，才能在满足工艺应用情况下，设计出效果最好、造价最低的结构方案。

工业建筑设计时，概念设计尤为重要。主要内容为：选择对抗震有利的场地；合理布置，平立面要尽量规则，严重不规则的布置不应采用；设置多道防线，尤其针对地震烈度和抗震设防烈度都高的建筑。

3 地震分析方法

反映谱法，抗震设计中最基本的方法之一。它有如下几个假设：结构是弹性反映,反映可以累加；无土结的相互作用；质点的最大反映即为其最不利反映；地震是平稳且随机的过程。

静力弹塑性法的计算步骤是：施加水平力，再逐级增大，使各构件受力慢慢变大，依次达到塑性阶段。等到某构件塑性，那么整个结构的受力特性就改变，反过来水平力的大小及分布就会调整。如此交替，直至结构破坏（位移超限或成为机构）。

时程分析法，相对较精细，能够得出结构弹性以及弹塑性整个阶段的变形和内力变化。时程分析法只能反映一条特定地震波作用下的结构性能，不同地震波作用下，结果差异很大，结构设计计算时必须合理选择地震波。

4 工程概况

现有某工业装置，按工艺布置要求，为4层（局部5层）钢框架结构，层高依次为6.0m、6.0m、10.0m、7.0m、5.0m，即有6.0m、12.0m、22.0m、29.0m、34.0m5个标准层，12.0和22.0m标准层之间有局部管廊或平台层，建筑总高度29m（局部34m），设备主要支撑在12m楼层上，外墙采用压型钢板维护，室内楼板及屋面因其腐蚀性及防火要求，且为了缩短工期，设置为压型钢板和混凝土的组合楼板。地震烈度是8度，此框架的抗震设防类别是乙类。12米层平面布置及结构三维模型图如图1。

图1 12m层平面图、三维模型图

4.1 结构布置

（1）本钢框架为工艺装置，层高较高且不均匀，计算时按地震烈度8°进行计算，地震作用很大；而且由于工艺装置的需要，某些楼层设备荷载较大，某些楼层荷载相对较小，框架竖向布置不是太规则。根据相关研究，设置支撑体系可以有效地改善结构的承载能力、提高结构的侧向刚度，能使梁、柱的节点弯矩减小，并减少梁、柱用钢量，因此钢框架-支撑结构应用广泛[1,2]。考虑结构的用钢量、抗侧刚度，人字形支撑相比单斜杆支撑来说更具优势[3]。且本装置不仅抗震烈度高，设防类别也高，为保证结构具有更好抗震性能，设置多道防线，确定采用钢框架-中心支撑结构。

（2）12.0m标准层与22.0m标准层之间层高太高，为降低柱子计算长度，减小柱子截面，且17.9m为部分管廊层，在满足工艺要求条件下，17.9m满层设置主梁。

4.2 模型简化

（1）主要设备层平面布置如图1（a）图所示，按实际平面布置建模时，计算得出地最大层间位移比为1.87，超出规范要求，查询计算结果，最大数据是悬挑构件处的结果。而最大层间位移比是用来判定整个结构的扭转规则的，并不包括悬挑构件的位移[4]。模型中适当简化，去掉悬挑构件，将荷载传递到相应梁和节点上，重新按图1（b）图三维模型进行计算。

（2）装置本身楼层有组合楼板或设备重量，新增17.9m层无楼板荷载，且仅有少量管廊荷载，若单独作为结构层建模计算，会因楼层承载力突变和质量突变导致结构不合理，因此将17.9m层作为22.0m标准层的层间梁建入模型进行计算。

5 弹性分析

模型中用总刚计算法验算结构在小震下的承载能力以及变形。总刚计算法精度高，结构每根构件的空间反映都能够准确地分析出来，通过计算，可以找出结构刚度突变地方、薄弱构件，还有数据输入错误的部位等。

5.1 竖向不规则判定

程序计算结果如表1、表2。

表1 各楼层的受剪承载力比上承载力的结果

表2 楼层刚度比

通过表1中看出，此框架楼层承载力无突变，也就是说结构没有薄弱层；从表2中看出，此框架侧向刚度规则，也就是说框架没有软弱层；且结构的竖向抗侧力柱、支撑等构件连续，按规范要求，判定此结构竖向是规则的。

6 弹塑性分析

罕遇地震情况下，一定要确保“大震不倒”，也就是说结构可以破坏，可是不能倒塌。在重要结构中，为了解结构从弹性到屈服还有屈服后的行为，判断结构是否有薄弱区，评价薄弱的程度，分析大震时的抗震性能，用以判定能否满足“大震不倒”，需进行非线性弹塑性地震反映分析[5]。

按规范规定，此框架8度抗震，且设防类别是乙类，宜进行弹塑性阶段的变形计算。为对结构地震作用下性能进行更详细的分析，本框架进行了弹塑性变形分析，同时考虑了结构的P-Δ效应。分析时，按钢框架的地震分组、场地类别选用了一组人工模拟的加速度曲线和两组实际存在的强震记录。计算结果详见图2。

图2 最大层间位移曲线

从图2得出，通过选用的三条地震波，罕遇地震作用时，计算得出的最大弹塑性层间位移角依次是1/97、1/123、1/136，能够满足规范限定的1/50，满足“大震不倒”的要求。

7 结束语

本文针对工业建筑生产装置中的钢框架结构形式，从结构布置、模型简化到采用反映谱法、时程分析法进行抗震性能分析，为往后同类工程提供指导作用，得出结论如下：（1）工业建筑中，为满足工艺装置的要求，楼层布置可能出现不规则情况，结构设计时应从专业角度，注重概念设计，尽力使布置倾向于合理，设计出最优结构方案。（2）结构计算时应根据实际情况对空间计算模型进行适当简化，以满足计算要求。（3）在高地震烈度区，为提高结构安全度，更好地判别结构抗震性能，对重要的钢框架结构宜进一步对罕遇地震下的弹塑性变形进行验算，本工程的钢框架计算结果能够满足规范要求。