多层钢结构厂房结构及节点性能化设计

冯雷 FENG Lei；刘祥 LIU Xiang；张月楼 ZHANG Yue-lou；张良兰 ZHANG Liang-lan；彭成波 PENG Cheng-bo

（中建八局新型建造工程有限公司，上海 200125）

0 引言

近年来工业厂房、仓库、生产车间越来越多地使用到多层结构。中国建筑金属结构协会钢结构行业可持续发展研究课题组[1]指出2021 年上报的重点钢结构工程项目中，大跨度工业厂房项目占全部上报项目20.85%，较2020 年增长15%左右。单层的门式刚架不能满足使用需求的情况下，多层钢结构框架成为新的选择。钢结构的成本相对传统钢筋混凝土结构较高，所以应该从结构性能目标确定、节点设计等方面做优化设计[2]。在能量输入相同的条件下，结构延性越好，弹性承载力要求越低，反之，结构延性差，则弹性承载力要求高，体现为“高延性－低承载力”和“低延性－高承载力”的抗震设计思路。根据钢标采用“低延性－高承载力”的抗震设计思路，抗震构造可适当降低，从而降低能耗。钢结构的结构性能系数与结构的侧移延性系数有关，侧移延性系数最终取决于截面的宽厚比[3]。所以对应钢结构的优化核心在于在合理的范围内改变和控制截面的宽厚比等级并进行节点性能化设计。

1 工程概况

某三层钢结构框架结构厂房，建筑物高度20.80m，最大跨度12m，抗震设防类别：丙类，抗震设防烈度7 度（0.1g），场地类别Ⅳ类，特征周期0.9s，抗震等级四级，风荷载0.55kN/m2，楼板面层恒荷载2.5kN/m2，楼板恒荷载8.0kN/m2， 混 凝 土 板 厚150mm（强度等级C30），楼板采用钢筋桁架楼承板。钢框架结构模型轴测图如图1所示，采用盈建科设计软件。

图1 钢框架结构模型轴测图

2 节点性能化设计

对相同截面面积的钢构件，截面厚度越薄，截面高度和宽度可以越大，则抵抗矩越大，但同时延性降低，所以《抗震规范》[4]对应的抗震等级都有相应的构件宽厚比和高厚比限制，即使承载力满足还要满足对应构造要求，而《钢结构设计标准》[5]中性能化设计，“低延性－高承载力”的思路可以对不同的承载力性能等级（性能1～7）采用不同的延性等级（Ⅴ级～Ⅰ级），从而对应S5～S1 级截面，突破了抗规的限制。本论文对性能设计做实践，对比性能化设计与常规设计，主要从用钢量方面做论述和探索，并对采用该方法带来的相关问题做阐述和经验总结。

本工程按小震地震作用下，结构层间位移角小于1/250，梁柱结构承载力满足要求，可进行性能化设计。性能化设计主要是选择合理的性能目标，确定合理的性能系数，根据《钢标》本工程钢梁构件塑性耗能区抗震承载力性能等级可按性能4 确定，高于《钢标》表17.1.4-1 要求，按《钢标》表17.1.4-2 确定最低延性等级为Ⅳ级，按表17.2.2-1 确定的塑性耗能区性能系数最小值0.55，本工程性能设计后钢框架梁多为S4 级，所以截面抵抗矩均取WE=W，即弹性截面模量，按表17.2.2-3 超强系数ηy=1.2，水平地震作用非塑性耗能区内力调整系数，βe=1.1*1.2=1.32，梁柱连接节点加强措施采用翼缘加侧腋未采用骨式梁端构造，所以耗能构件抗弯刚度系数取1.0，设置参数如图2 所示。

表1 原设计与性能化设计截面对照表

图2 软件中性能化设计主要参数设计

根据《钢标》Ωi≥βeΩai，min（17.2.2-1）塑性耗能区实际性能系数需大于性能系数最小值，对1100mm 高钢梁（截面参数见表1）进行计算结果如下：

结果满足要求，多高层钢结构中低于1/3 总高度的框架柱为关键构件，竖向关键构件的吸能系数需要大于普通构件，所以一层柱的吸能系数应大于1.32，这里统一按1.5取值，经过程序计算其他钢框架梁柱的性能系数均大于最小值。在性能设计中还存在以下问题值得重视。

问题1：性能化设计梁截面增大相应梁抵抗矩增大，需要节点验算强柱弱梁，（注意：按钢标17.2.5-2 第5 条轴压比小于0.4 且柱口800×28 符合S3 级可以不计算强柱弱），如果将截面改为口900×24 为S4 级，需要强柱弱梁计算，按《钢标》17.2.5-2 公式计，

23919100×（335-5800000/84096）+18709400×（335-5800000/744960）=12485kN·m＜1.1×1.2×14834000×335×2=13100kN·m，不满足要求所以柱截面可不做变化。

问题2：在性能化设计的计算结果中剪应力增大明显，使得钢框梁腹板厚度减少并不多，与常规设计对比发现，常规设计剪应力按结构计算剪力设计值1190kN（小震下组合），而性能化设计剪力设计值为VGb+（WEb，Afy+WEb，Bfy）/ln=701*1000+14834000×355×2/11100=1650kN 这里并非按中震组合后的地震剪力，按钢标7.3.4-1Vp≤0.5hwtwfv=0.5*1056*20*170=1795kN 大于1650kN，满足要求。对比原设计腹板厚度无变化，性能设计对塑形耗能区的抗剪承载力要求比较高，因为规范对承载力有0.5 的折减，所以性能化设计时腹板厚度要谨慎减小。

问题3：性能设计中存在梁柱连接节点设计，对比《高钢规》[6]8.2.1 及《钢标》17.2.9 是相同的算法，即连接的极限承载力大于构件的全塑性承载力，而钢标区分截面等级对应不同弹性模量显得更加合理，这里的S4 级截面基本没有塑形，所以计算出来的构件屈服承载力也更小，如下算法，《钢标》17.2.9Mju≥ηjWEfy，WE=W 抗震规范8.2.8 中为ηjWpfy，Wp=174336800mm3，而W=14834000mm3，Wp≈1.2W从而导致Mju减小，那么Vju≥1.2[2（WEfy）/1n]+VbG，Vju也相应减小，在等强连接的设计中，螺栓主要受剪，所需的连接承载力也比常规计算要小，所需螺栓数量也有可能减小（经济性提高），进而优化了连接的计算，使得螺栓间距更容易满足要求。

问题4：对比钢规17.3.6 和12.3.3 性能化设计需要满足节点域受剪正则化宽厚比的要求，λn，s==0.48，小于限值0.8，满足要求，这里是必须满足要求，注意：常规设计如果不满足可以采用增加柱节点钢柱板的厚度，但是性能设计时规范没有提不满足的措施。

问题5：对于次梁截面通常采用上下翼缘相同的组合梁，为了充分发挥组合梁特性，组合梁做成上小下大截面，对于受压上翼缘按S3～S1 控制，腹板和受拉翼缘可放宽限制，下翼缘目前为S4 截面，上翼缘为S3 截面对比分析如表1，大量节约钢材，组合梁图如图3 所示。（注：此分析不包括施工工况，本工程需要在跨中做临时支撑）

图3 组合梁

3 性能设计成果与原设计对比分析

取二层结构局部钢框架梁对比分析如下（图4-图7）：①对比表1 分析：性能化设计后的钢梁比原设计截面面积减小，抵抗矩增大，梁截面从原有S1 级变为S4 级，柱截面不变，应力比差别不大，且满足承载力，性能化设计验算性能系数Ωa0满足要求，说明性能化设计是成立的，而且更加经济，注意：这里不仅塑性耗能区梁的性能系数大于最小限制值，普通受力柱，结构一层的关键构件结构柱同样大于性能系数；②钢柱原为S3 级截面，由于轴压比小于0.4故不需要强柱弱梁验算，假设柱截面需要增大边长且减小壁厚，增大柱抵抗矩（面积基本不变）即改为S4 截面，则需要进行强柱弱梁验算；为满足塑性区域抗剪承载力限制要求，钢梁腹板截面厚度并不比常规设计减小（这里充分反映出梁端节点强剪弱弯的要求，这个剪力的计算是同时通过限制截面的承载力安全系数来控制）；③如常规设计本设计必须符合抗震规范[6]表8.2.3 要求，四级抗震需满足钢框梁的b/tf 限值为9.08，hw/tw 限值为61.8，而采用性能化设计，实际做到b/tf=10.9，hw/tw=52.8，经过计算满性能化设计的要求，无需再满足抗震规范表8.2.3 的限制，使得截面更薄的情况下增大截面抵抗矩，从计算方法的方面充分发挥了钢结构性能，所以钢标的性能化设计是更加量化的方式，精准对应了量化的承载力等级，更加合理；④节点等强连接（梁柱栓焊连接）的情况下，对比常规设计，所需连接的极限承载力更小，更利于螺栓的构造排布；⑤本设计采用了承载力性能等级为4 级，高于表17.1.4-1 要求，所以也不需要按照17.1.4-5 验算罕遇地震作用下结构的弹塑性分析，对计算工作有了简化，提高了承载力级别，代表延性的结构位移可以一定程度上放宽，体现出性能化设计的灵活性；⑥工程中钢次梁大量应用组合钢次梁，然而大量实际工程中组合梁通常做成上下翼缘相同，而根据钢标，受压上翼缘可以做窄形成S3～S1 等级的宽厚比，腹板和下翼缘可以放宽限值，能够形成上小下大的钢梁截面，充分利用钢结构下翼缘抗拉的能力，减少钢结构上翼缘受压失稳的弱项，让混凝土板代替钢梁受压，进而钢梁的总截面面积减小，布置同样数量的栓钉的情况下，达到了栓钉完全抗剪的受力状态，充分发挥组合梁截面的抗弯能力。值得注意的是通过调整栓钉的间距，来改变组合梁实际的应力比效果比增加下翼缘面积更为明显；⑦性能化设计优势还在于以下几点：第一，采用更薄的钢板厚度，钢材的强度更大，如原设计20mm 的板厚变为16mm，则钢材强度设计值从295N/mm2提高到305N/mm2，屈服强度也相应提高；第二，钢板厚度减小则组合焊接钢梁腹板和翼缘连接焊缝厚度也相应减小，节省了成本；第三，大于40mm 厚的钢板需要满足Z 向性能，如果工程中存在大于40mm 的厚板可以通过增大钢梁翼缘宽厚比使板厚降到40mm 以下，避免厚板的出现。

图4 （原设计）1# 厂房二层局部结构平面图

图5 （原设计）钢梁钢柱应力比

图6 （性能化设计）1# 厂房二层局部结构平面图

图7 （性能化设计）钢梁钢柱应力比

4 结语

①本设计符合钢标“低延性－高承载力”的思路，经过计算结构总用钢量可以减少10%，（柱用钢量基本无变化）梁柱及节点性能化设计对节约钢材用量产生了积极效果，为钢结构优化设计提供了新的方向，同时减小钢板厚度可能提高设计强度，减少厚钢板使用的数量。②通过计算证明，上小下大截面组合梁相近应力比的情况下能节省40%的用钢量，取得比较好的经济效益，按栓钉完全抗剪设计能充分发挥组合梁截面的抗弯能力，所以应注意调整栓钉间距满足完全抗剪设计。这在钢次梁普遍用于组合次梁的大环境下具有很大的价值空间。③性能化设计的前提是结构在常遇地震下承载力满足要求，层间位移角满足要求，基本条件满足的情况下才能性能化设计。工业建筑低烈度区，采用低延性－高承载力的抗震思路可能更为合理。