多层工业钢结构多道抗震防线设计方法及其应用

2023-11-16东华工程科技股份有限公司安徽合肥230000

安徽建筑 2023年11期

王利（东华工程科技股份有限公司，安徽合肥 230000）

0 前言

“多道抗震防线设计”在工程结构设计中早有涉及，《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[1]（简称《抗规》）、《构筑物抗震设计规范》（GB 50191-2012）[2]、《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）[3]、《建筑抗震设计规程》（DGJ 08-2013）[4]等规范中都有关于多道抗震防线的诸多表述。2022 年最新发布的《钢结构通用规范》（GB 55006-2021）[5]（简称《钢通规》）更是将上述规范中建议的“结构体系宜具有多道抗震防线”提升到“应具有多道抗震防线”的强制性要求，这也意味着工程设计中必须采取更为合理有效的手段进一步提高结构的抗震能力。在此背景下，相关工作却推进缓慢，主要问题在于理解何为多道防线以及实际设计中如何实现。

本文首先对多层钢结构设计现状以及多道防线设计方法进行对比分析，并通过大量PKPM 模型计算来阐明多道抗震防线设计的解决思路，并对若干技术细节进行说明，力求为工程设计人员对于多道防线设计方法的理解以及具体实践应用提供一定参考。

1 工业多层钢结构设计方法对比

1.1 传统设计方法

传统多层钢框架大多设计成柱弱轴方向与梁铰接，并在弱轴方向加设支撑，而柱强轴方向与梁为刚接但无支撑的结构体系。这种结构体系上存在如下问题。

①柱弱轴方向。由于梁与柱为铰接，并没有形成框架，去掉支撑后实际上是一种可变机构而并不是稳定的结构，结构整体稳定全部依靠支撑，其受力特点更接近排架结构的纵向体系。

②柱强轴方向。梁与柱为刚接，形成框架单一抗侧力结构体系。

③两个方向的动力特性。由于弱轴方向有支撑而强轴方向无支撑，致使两个方向的位移、周期等指标均相差悬殊，基本无法实现两个主轴方向动力特性接近的抗震设防目标。

④由于柱弱轴方向相连的纵向框架梁为铰接，再加上楼面水平支撑薄弱，导致横向“每榀框架”间缺少足够联系，从而造成结构整体性薄弱，其整体受力特点更接近于排架结构，只是这种排架结构是“多层排架”，违背了框架结构的抗震概念要求。

1.2 多道抗震防线设计方法

多道抗震设防是指结构抗震能力依赖于结构各部分的吸能和耗能作用，抗震结构体系中吸收和耗散地震输入能量的各个部分，其中部分结构因出现破坏（形成机构）降低或丧失抗震能力后，其余部分结构（或构件）能继续抵抗地震作用[1]。随着《钢通规》的推行实施，结构设计中最为常见的框架体系必将成为主要应用对象。目前，工程设计人员对于钢框架的抗震防线判断仍存在争议。一种观点认为传统钢框架就是多道抗震防线，理由是框架梁形成塑性铰是一道防线，柱子再形成塑性铰又是一道防线，而另一观点认为钢框架如果没有经过特殊处理，梁在形成塑性铰以后结构的抗水平能力会大幅度下降，达不到规范中多防线要求，目前较多文献倾向于后一观点[6-8]。可以从以下角度对多防线进行理解。

①从能量消耗的角度，任何一个刚接框架结构在满足“强柱弱梁、强剪弱弯”的延性设计要求时都是一个具有多道防线特点的结构。例如，框架结构中通过强柱弱梁、强剪弱弯的设计让梁先来形成形成塑性铰，消耗一次地震能量，使框架梁形成第一道防线，然后柱子再来形成塑性铰，消耗一次地震能量，框架柱就形成了第二道防线。

②从继续抵抗地震作用的角度，剩余结构必须能够继续抵抗水平地震作用才能叫做二道防线，而框架结构在梁形成塑性铰以后，结构体系抵抗水平地震的能力会大幅度下降，框架结构的二道防线效果会非常微弱。

③多道防线抗震体系由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作，如框架-抗震墙体系是由延性框架和抗震墙两个系统组成。该体系具有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识地建立起一系列分布的塑性屈服区，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，一旦破坏也易于修复。设计计算时，需考虑部分构件出现塑性变形后的内力重分布，使各个分体系所承担的地震作用总和大于不考虑塑性内力重分布时的数值[1]。这是一个量化要求，满足该要求才是《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（简称《抗规》）认可的二道防线。

值得注意的是，《抗规》《钢通规》目前给出的二道防线设计结构类型中并不包含钢框架，只给出了框架剪力墙、框架支撑等结构的二道防线设计方法。对于多高层钢结构，规范要求两个主轴方向动力特性应相近，并指出采用双重抗侧力体系是实现多道抗震设防的有效途径[5]。

2 多层工业钢结构多道抗震防线设计应用

不同于一般民用结构设计，工业结构因功能要求使得其结构布置具有特殊性。按照抗震多道防线的要求，多层钢框架需要做成双向刚接+双向支撑体系，因此设备、管道布置等将会受到影响，而且可能对实际生产操作、设备抽芯、检修等造成一定影响。另外，施工难度也将有所增加。

工业多层钢结构设计在确定布置方案过程中，应该从本专业和外部专业两方面考虑。结构设计师首先要从思想上重视多防线设计理念。在布置专业允许时，优先考虑做成双向刚接+双向支撑的形式。在布置专业困难时，也应考虑做成双向刚接+双向支撑的形式，此时可以考虑加强楼层刚度的方式来减少强轴方向柱间支撑的设置数量。例如，平面上隔1～2 跨设置柱间支撑，但是柱间支撑要保证竖向连续，增加楼层刚度的理想方式是设置楼面水平支撑、或楼面为混凝土组合楼板。对外，要加强与布置管道等专业的沟通，逐步向外部灌输多道防线的设计理念，从而为本专业优化结构布置带来方便。

2.1 多道抗震防线设计与传统方法的用钢量比较

传统多层钢结构的结构形式为强轴刚接（无柱间支撑）+弱轴铰接（有柱间支撑），多道抗震防线所要求的结构形式为强轴刚接（有柱间支撑）+弱轴刚接（有柱间支撑）。为比较两者在用钢量上的差异，采取了同等条件（地震作用、风荷载、其他荷载等）下的计算模型进行对比，如图1所示。

图1 多层钢结构多防线设计与传统设计模型比较

通过计算统计，传统设计模型用钢量为503t，多抗震防线设计模型用钢量为494t。从两个模型对比可以看出，多道抗震防线所要求的结构形式并没有增加总的用钢量。主要原因是柱强柱方向由于柱间支撑的存在变成无侧移结构，柱截面有所减小。强轴方向框架梁由于支撑的作用，弯矩减小，截面也有所减小，弱轴方向为框架梁，由于刚接原因使梁截面有所减小。

2.2 多道抗震防线设计的若干技术问题

为探讨多道抗震防线结构体系的特点，建立了17 个同等条件下模型。同等条件是指跨度、层高、烈度、风、楼面恒活载、构件材质、构件类型均一致。基本参数为抗震设防烈度7 度(0.15g)、风压0.4kN/m2、楼面恒载1.0kN/m2、楼面活载6.0kN/m2。轴网跨距9m、层高6m，层数4 层(见图1)。柱梁为H 型钢，小次梁为槽钢，柱间支撑与楼面主要水平支撑均为圆钢管(小区格水平支撑采用角钢75x6)，强轴方向隔1～2 跨设置柱间支撑。具体PKPM 计算模型参数如表1 所示，相应的结构布置、首层内力、应力力、水平位移、周期、侧移刚度以及用钢量等对比如图2所示。

表1 计算模型参数信息汇总

图2 计算结果对比

①有无侧移的判断

在应用《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）8.3.1.2 条来进行有无侧移判断时，无论是规范还是PKPM 软件都是建立在楼板有一定刚度的前提下[9]。这个刚度能协调整体楼层的变形，能够让柱间支撑同步发挥作用，当失稳时框架中的所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载。该条文中公式(8.3.1-6、7)考量的是所有支撑和柱子，是对结构整体楼层的考虑，目前计算程序还做不到对单榀的考量。所以，当楼面刚度很弱时不能让程序自动判读有误侧移，例如，D2 模型中程序对轴线2在Y 向有无侧移的判断是错误的。楼面刚度很弱时，程序的判断是没有意义的，还需要人为去指定有无侧移。

②程序中结构体系的选择

工业多层钢结构应选择多层钢结构厂房，而不要选择钢框架-支撑结构。主要因为《抗规》附录H 能够适用于带支撑的框架，钢框架-支撑结构的长细比和板件宽厚比要求都比多层钢结构厂房要严格，PKPM 软件默认所有的钢框架-支撑结构都要执行《高钢规》，这将导致用钢量增加。

③计算信息中的规范选取

PKPM 参数定义中不需要执行的规范不要选取，以免造成内力调整错误。例如，薄弱层调整不要选择《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 99-2015），而是按照《抗规》判断即可。

④楼面水平支撑的布置要求

工业钢结构的楼面大多无法做成混凝土楼板，设置水平支撑则成为加强楼面刚度的常用手段。参考上海市《建筑抗震设计规程》（DGJ 08-2013）9.1.5条关于楼面水平支撑布置的要求，建议楼面水平支撑可以连在梁的腹板或梁底，柱间支撑的跨间应设水平支撑，水平支撑与梁的夹角应控制在30～60°之间，楼面大设备支座底部应设置系杆或水平支撑，将水平力传至支撑节点处。

⑤支撑的截面类型

在没有特殊要求时，柱间支撑和楼面水平支撑可以采用管状截面，从而优化用钢量指标。

⑥楼面水平变形限值

目前各种规范并没有给出楼面在设置水平支撑后的水平变形要求，仅有关于混凝土楼板类长宽比的要求，如《抗规》6.1.6 条、8.1.6 条等。图2 中计算模型C1、C2、C3 按照抗规的要求来设置混凝土楼板，考虑混凝土楼板的水平变形，计算出楼层各个点水平变形，这个变形做为判定楼面水平支撑作用效果的重要参考。

⑦楼面采用跨间交叉水平支撑的作用效果分析

柱强轴每跨都设置柱间支撑的方式必然是稳妥的，但有时候条件不具备实现这一要求，此时应该分析隔1跨或隔2跨设置柱间支撑时楼面水平支撑所起到的效果。为此，采用与混凝土楼板（图2中C1 和C2 模型）进行对比的方式，即对比位移和抗侧刚度。

以B5模型为例，该模型中楼面的水平支撑采用跨间交叉方式，截面型号为Ф121×6。由于风载作用下的楼面水平位移比较小，在此不再考虑，主要对比Y向地震工况下的水平变形，以及Y 向抗侧刚度。从表2、表3 结果能够看出，隔一跨设置柱间支撑时，楼面水平支撑所产生的水平变形与混凝土板非常接近，偏差值极小，水平支撑的作用效果非常可靠。隔两跨设置柱间支撑时，楼面水平支撑所产生的水平变形与混凝土板有较大偏差，当必须采用这种布置形式，需要考虑其他方式对楼面水平刚度进行加强。设置跨间交叉水平支撑后，结构整体的抗侧刚度均能有所保证。

表2 Y向水平变形对比结果

表3 Y向抗侧刚度对比结果

⑧楼面水平支撑截面对其自身内力及楼面水平变形的影响

当楼面水平支撑布置方式和受力类型确定以后，水平支撑的内力及楼面水平变形值基本处于“确定”状态，截面的改变对内力及变形影响很小。以模型B3、B5、B7、B9 中的2 轴线为例，来分析楼面水平支撑截面变化对内力和楼面水平变形的影响，结果如表4所示。

表4 支撑内力及楼层水平位移对比结果

从表4 中的变化规律可以看出，水平支撑本身内力并不是很大，原因是其受力机理与柱间支撑有所不同，柱间支撑要承担本层及以上所有楼层的水平力，同时在相邻跨没有柱间支撑时还要承担一部分相邻跨的水平力，而水平支撑仅承担所属跨间的本层水平力。因为支撑内力不大，所以连接节点也不会变得复杂。当水平支撑稳定计算及长细比均满足后再想通过增大截面的方式来降低楼面水平变形效果是不显著的。

⑨楼面采用小区格水平支撑的作用效果分析

以E1 和E2 模型为例，来分析楼面小区格支撑的作用效果，采用与混凝土板（C1 和C2 模型）作用效果对比的方式，即比较楼面水平变形和侧移刚度，对比结果如表5、表6所示。

表5 不同楼面小区格水平支撑设置对水平变形影响

表6 Y向抗侧刚度对结果

从表5、表6 结果能够看出，从楼面水平变形的角度来看，小区格在水平支撑满布时其效果要优于未满布的情况，但都没有跨间交叉支撑的效果好。在楼面开洞影响时，小区格支撑方式可以作为跨间交叉支撑的替代方案。E2 模型总用钢量为499t，B5 模型总用钢量为495t，小区格楼面水平支撑在满布情况下的用钢量要略微大于跨间交叉支撑的形式。隔两跨设置柱间支撑时，楼面小区格支撑所产生的水平变形与混凝土板有较大偏差，当必须采用这种布置形式时需要考虑其他方式对楼面水平刚度进行加强。抗侧刚度均能满足要求。

2.3 实际工程设计建议

基于《钢通规》的原则性要求，多层工业钢结构设计应采用双抗侧力体系，弱轴方向不应再采用全铰接+支撑的连接形式，因其赘余度太少、无法较好地吸收和耗散地震能量，支撑在变形屈服或破坏以后会迅速向“机构”进行转化，背离多道防线的要求，即抗连续倒塌能力弱。以下几种情况下强轴可采取框架结构，如建构筑物的体量小、高度矮、设备轻，抗震设防烈度为6 度区，框架抗震等级为四级，且能满足高延性要求，采用性能化设计方法，或消能减震技术。除上述情况外均应采用框架+支撑的形式，从而有效达到《抗规》及《钢通规》关于多道抗震防线的预期目标，当设备布置困难时可以采用隔跨设置柱间支撑的方式，加强楼面刚度，按规范控制两个主轴方向的动力特性（周期）。