钢结构房屋抗震设计中板件宽厚比控制方法

王　厂, 殷素芳

(1.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司, 陕西西安 710000;2.西北电力设计院有限公司, 陕西西安 710000)



钢结构房屋抗震设计中板件宽厚比控制方法

王厂1, 殷素芳2

(1.信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司, 陕西西安 710000;2.西北电力设计院有限公司, 陕西西安 710000)

【摘要】抗震规范对多层钢结构房屋和单层钢结构厂房钢构件(梁、柱、支撑)的板件宽厚比有明确的规定，但在工程设计中往往会被忽视或者理解不深。文章针对钢结构多层房屋和单层厂房总结了抗震设计中构件板件宽厚比控制方法。

【关键词】钢结构;多层房屋;单层厂房;抗震设计;板件宽厚比

1问题的提出

钢结构设计规范中对钢构件板件的宽厚比有限制，本文从抗震设计的角度考虑，主要适用于在地震作用下构件端部可能出现塑性铰的范围，非塑性铰范围的板件宽厚比可放宽即满足钢结构设计规范[1]。抗震规范对多层钢结构房屋按照不同抗震等级和不同类型构件(梁、柱、支撑)规定不同的板件宽厚比限值，对单层钢结构厂房区分为重屋盖厂房和轻屋盖厂房。重屋盖厂房同多层钢结构房屋按抗震等级区别规定限值，轻屋盖厂房按照性能设计方法分成A、B、C3个类别控制板件宽厚比。

2相关设计问题的分析

2.1多层钢结构房屋板件宽厚比控制方法

多层钢结构房屋板件宽厚比控制(抗震规范中规定的限值)是以满足强柱弱梁为前提，考虑到塑性铰大部分出现在梁端，梁的翼缘宽厚比限值严于柱的翼缘宽厚比限值。柱子腹板的压应力高于梁腹板，其腹板宽厚比限值严于梁。应注意到梁的腹板宽厚比控制限值与梁的轴压力有关，在结构进入塑性阶段，楼板开裂，梁承受轴力。但弹性分析得不出轴力，因此对梁的腹板宽厚比规定了上限限值[2]。钢结构中心支撑按受压构件设计时，是主要的抗侧力构件，承受很大的轴力，大震下反复拉压屈服，因此板件宽厚比均严于梁和柱。表1是抗震规范规定的H形截面构件板件宽厚比限值。

表1　多层钢结构房屋H形板件宽厚比限值

2.2单层钢结构房屋板件宽厚比控制方法

应当指出，抗震规范第9章第9.2.1条“单层的轻型钢结构厂房的抗震设计，应符合专门的规定。”轻钢门刚房屋荷载轻，7度及以下一般不受地震控制。抗震规范所指的轻屋盖厂房区别于轻钢厂房，目前轻型钢结构房屋遵循的设计标准是CECS102:2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》,该规程第1.0.2条指出“本规范适用于主要承重结构为单跨或多跨实腹门式刚架、具有轻型屋盖和轻型外墙、无桥式吊车或有起重量不大于20t的A1～A5工作级别桥式吊车或3t悬挂式起重机的单层房屋钢结构的设计、制作和安装[3]。”轻钢厂房的设计高度一般不高于12m(无吊车)或18m(有吊车)，因此，轻钢规范对吊车吨位和房屋高度有限制，有其适用范围，设计控制指标松于一般钢结构房屋。

重屋盖厂房屋面一般带有混凝土层，荷载较大，相当于多层钢房屋楼面，因此采用等同于多层框架的方法提高构件的延性即控制板件宽厚比。

目前单层钢结构厂房广泛采用轻型维护材料，抗震规范指出，对于设防烈度8度(0.20g)及以下情况，即使按照抗震设防烈度的地震动参数进行弹性计算，也经常出现由非地震组合控制厂房框架受力的情况，因此，具备了采用性能设计方法的条件，而且板件宽厚比影响耗钢量，采用性能设计有时会大大节省钢材。板件宽厚比是构件抗震设计延性要求，按照“高延性，低弹性承载力”或“低延性，高弹性承载力”的抗震思路来确定板件宽厚比，可将板件宽厚比的控制分成3类A、B、C。抗震规范在条文说明中给出了性能设计方法的具体操作，比较隐蔽，因此广大设计人员应注意此方法，以节省钢量取得较好的经济效益。

STS软件对单层钢结构厂房有参数设置选项，将轻屋盖厂房按“低延性、高弹性承载力”性能化设计分成1.5倍地震力作用和2倍地震力作用，就是按照抗震规范条文说明的思路。表2是常用H形截面板件宽厚比限值。

表2　单层轻屋盖厂房H形截面构件板件宽厚比限值

对比表1和表2，可知:A类截面相当于抗震等级为一级和二级板件宽厚比限值，按抗规解释可达全截面塑性，且塑性铰在转动过程中承载力不降低；B类截面相当于三级和四级板件宽厚比限值，可达全截面塑性，在应力强化开始前足以抵抗局部屈曲发生，但由于局部屈曲塑性铰的转动能力有限；C类就是弹性设计的板件宽厚比限值，满足钢结构设计规范要求。从此可以看出，如不采用性能设计的方法，单层钢结构厂房的板件宽厚比还是很严格的，这大大提高了用钢量，这是因为一般单层厂房吊车高度较大，比多层楼层高度高的多，与抗震不利，所以控制严格一些。这点是设计者容易忽视的。

单层厂房潜在塑性铰区域一般出现在上柱梁底，不同于多层的强柱弱梁，因跨度大，梁一般设计的比较高抗弯能力强于柱，往往是强梁弱柱，因此对柱板件宽厚比控制严格，梁在大震下不出现塑性铰时可按C类截面弹性设计来控制板件宽厚比。

3工程应用

3.1工程概况

某单层钢厂房带20t(A6级) 抓斗桥式起重机，厂房檐口高度20.0m，纵向柱距为7.50m(图1)。屋面采用轻质材料(双层压型钢板中加保温棉)，屋面恒荷载取0.20kN/m2,外加0.20kN/m2(灯具吊挂等)的附加荷载，屋面活载取0.30(对刚架)/0.50(对檩条)kN/m2。该地区抗震设防烈度为8度(0.20g)，场地分类为Ⅱ类场地，设计地震分组为第二组。基本风压0.35kN/m2，地面粗糙度类别为B类，基本雪压0.20kN/m2(按荷载规范对雪敏感的轻钢建筑房屋取100年雪压)。柱和梁钢材均采用Q345B。

图1　厂房横向框架立面

3.2建立模型及选取参数

采用PKPM系列软件STS模块进行建模分析，该单层厂房高度超过18m且采用A6级吊车。虽然是轻钢屋面，但已不能按轻钢门规设计。模型参数选取：结构类型选单层钢结构厂房，结构设计规范选钢结构设计规范，因轻质屋面符合性能设计的要求，抗震设计采用2倍地震作用，板件宽厚比按C类。柱顶位移按照在风荷载作用下限值为1/400控制，钢柱的长细比按照150限值(轴压比小于0.20)。

因单层房屋高度很高为20m，为了控制侧移和柱子平面内稳定性，将柱子截面高度做大；大跨度30m，将梁做成适应弯矩图的变截面，以控制挠度和提高抗弯强度。为了取得较好的经济效果，梁柱腹板取得较薄，在具体设计中考虑腹板屈曲后强度。

3.3计算及结果分析

经计算分析，如果不按性能设计方法中的“低延性高承载力”设计，而按抗震规范的A类或B类控制板件宽厚比，钢量将大大提高。设计中如不选取性能设计2倍地震，按图1计算模型将出现如下构件宽厚比超限信息(表3)。

表3　构件计算超限信息

采用2倍地震作用，板件宽厚比按C类，此时由于可以按照钢结构规范考虑腹板屈曲后强度[4]，将大大节省钢量，取得较好的经济效益，单榀钢架钢量仅为17t，且柱顶位移为1/434，满足钢规，地震位移为1/300，位移控制也取得了较好的效果。构件的强度和稳定承载力均控制在应力比0.90以下，钢梁挠度最大1/250，也满足要求。

4结束语

钢结构构件板件的宽厚比既是抗震延性的要求，也是影响钢量的关键指标。在钢结构房屋设计中应掌握其设计方法。对于多层钢结构房屋，在出现塑性铰的构件端部区域，应按抗震规范区分不同抗震等级控制板件宽厚比，还应注意抗震规范是在强柱弱梁的前提下，梁端出现塑性铰先于柱端，梁翼缘板件宽厚比限值严于柱，如果是层数少房屋，例如轻钢厂房内部的单层办公夹层或者单层工业平台，往往柱先于梁端部出现塑性铰，则应适当比抗规从严控制柱子板件宽厚比，单层重屋面厂房也应遵循按抗震等级控制板件宽厚比。对于工程中常见的轻质屋面厂房，应判断是否超出轻钢规范的设计范围，如果符合轻钢门范的要求，就按照轻钢门规设计，各种设计控制指标松于抗震规范。超出轻钢门规规定的设计范围，就按照抗震规范中的性能设计方法“低延性，高承载力”设计，往往能取得较好的经济效益。

参考文献

[1]GB50011-2010 建筑抗震设计规范应用与分析[S]. 中国建筑工业出版社, 2011.

[2]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].

[3]CECS102:2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012年版)[S].

[4]GB50017-2003 钢结构设计规范[S].

【中图分类号】TU392.1; TU352.11

【文献标志码】A

[定稿日期]2016-01-20