基于抗震性能化的单层钢结构厂房设计思路对比

李显峰

(中冶南方工程技术有限公司，湖北 武汉 430223)

0 引言

单层钢结构厂房是指层数为一层的钢结构厂房，广泛应用于冶金、电力、机械制造、化工等行业。这类钢结构厂房的特点是生产设备体积大、重量重、厂房内以水平运输为主。在钢结构厂房设计中，板件宽厚比是保证厂房刚架延性的关键指标，也是影响单位面积耗钢量的关键指标。板件宽厚比应满足《钢结构设计标准》[1]3.5.1条的要求，抗震设防地区的结构还应满足《建筑抗震设计规范》[2]9.2.14条的要求。结构的抗震性能化设计，立足于承载力和变形能力(延性)的综合考虑，其做法常常是通过提高承载力推迟结构进入塑性工作阶段并减少塑性变形。因此，根据抗震性能化的设计理念，对于同一抗震性能目标的结构或构件，可通过设计不同的抗震承载力进而对应不同的变形能力，从而确定不同的板件宽厚比限值。

在实际工程中，采用何种板件宽厚比既能满足规范要求，又更经济，是设计人员经常要面对的问题。现以某炼钢厂的炉渣间单层钢结构厂房为例，对于不同基本风压和抗震设防烈度的设计条件，采用抗震性能化设计方法分别计算，得到厂房刚架计算的控制组合和耗钢量，对其进行对比分析，以期为同类型钢结构厂房设计提供借鉴。

1 工程概况及荷载取值

炉渣间厂房为单跨结构，跨度为33.0 m，平均柱距为24.0 m，檐口标高为28.0 m。屋面及墙皮均采用单层压型钢板封闭。厂房内设单层吊车，吊车轨面标高为18.0 m。

吊车参数如表1所示。

表1 吊车参数表

基本雪压：0.45 kN/m2。

积灰荷载：0.30 kN/m2。

屋面活荷载[3]：0.30 kN/m2。

设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。本厂房结构抗震设防类别为丙类。

抗震设防烈度和基本地震加速度如表2所示。

表2 地震参数表

基本风压(距地面10 m处)：0.30 kN/m2，0.40 kN/m2，0.50 kN/m2，0.60 kN/m2，0.70 kN/m2，0.80 kN/m2。

地面粗糙度B类。

2 结构选型

本厂房横向采用刚接框架(刚架)受力体系，纵向采用由柱、柱间支撑、系杆及吊车梁组成的铰接排架受力体系。厂房柱采用单阶柱，在吊车梁标高处变阶。下柱采用双H型钢格构式柱，上柱采用H型钢实腹式柱。屋架上下弦采用热轧剖分T型钢，腹杆采用热轧钢管。屋架与柱顶刚接。刚架结构立面如图1所示。

3 刚架计算与对比

3.1 规范规定

《建筑抗震设计规范》9.2.14条第2款规定：“轻屋盖厂房，塑性耗能区板件宽厚比限值可根据其承载力的高低按性能目标确定。” 9.2.14条条文说明规定：“……如果采用性能化设计的方法，可以分别按高延性、低弹性承载力或低延性、高弹性承载力的抗震设计思路来确定板件宽厚比。即通过厂房框架承受的地震力与其具有的弹性抗力进行比较来选择板件宽厚比。”当构件的强度和稳定承载力均满足高承载力——2倍多遇地震作用下的要求即式(1)时，可直接采用《钢结构设计标准》弹性设计阶段的板件宽厚比限值，即C类；当强度和稳定承载力均满足中等承载力——1.5倍多遇地震作用下的要求即式(2)时，板件宽厚比限值按B类；当强度和稳定承载力均满足低承载力——1倍多遇地震作用下的要求即式(3)时，板件宽厚比限值按A类。

γG·SGE+γEh·2SE≤R/γRE

(1)

γG·SGE+γEh·1.5SE≤R/γRE

(2)

γG·SGE+γEh·SE≤R/γRE

(3)

H型截面柱的板件宽厚比限值如表3所示。

表3 H型截面柱的板件宽厚比限值

3.2 刚架计算控制组合的对比与分析

将不同地震设防烈度和基本风压分为36种情况，每种情况均按高延性、低弹性承载力(1倍多遇地震组合，简称1E地震组合)和低延性、高弹性承载力(2倍多遇地震组合，简称2E地震组合)两种抗震性能化设计思路分别计算。通过计算，得到各种情况下的刚架内力控制组合如表4所示。

表4 不同基本地震加速度及基本风压下内力控制组合表

表4中，非震组合为控制组合的含义为：非地震组合内力>2E地震组合内力>1E地震组合内力；2E震组合为控制组合的含义为：2E地震组合内力>非地震组合内力>1E地震组合内力；1E地震组合为控制组合的含义为：2E地震组合内力>1E地震组合内力>非地震组合内力。

由表4可知，对于轻型屋盖的单层钢结构厂房[4-5]，在地震烈度不大于7度(0.15g)的地区，非地震组合为控制组合，此种情况可直接采用低延性、高弹性承载力的性能化设计思路，既不增大组合内力，又可放松板件宽厚比限值。

在地震烈度为8度(0.20g)的地区，当基本风压较大时(≥0.50 kN/m2)，非地震组合为控制组合，此种情况可直接采用低延性、高弹性承载力的性能化设计思路，既不增大组合内力，又可放松板件宽厚比限值。当基本风压较小时(≤0.40 kN/m2)，2E地震组合为控制组合，若采用高延性、低弹性承载力的设计思路，板件宽厚比限值应满足《建筑抗震设计规范》的要求，要求较高；若采用低延性、高弹性承载力的设计思路，会得到较大的组合内力，但可放松板件宽厚比限值，此种情况，应对两种性能化设计思路的刚架分别进行计算，根据耗钢量对比最终确定采用哪种设计思路。

在地震烈度为8度(0.30g)的地区，2E地震组合为控制组合，若采用高延性、低弹性承载力的设计思路，板件宽厚比限值应满足《建筑抗震设计规范》的要求，要求较高；若采用低延性、高弹性承载力的设计思路，会得到较大的组合内力，但可放松板件宽厚比限值，此种情况，应对两种性能化设计思路的刚架分别进行计算，根据耗钢量对比最终确定采用哪种设计思路。

在地震烈度为9度(0.40g)的地区，当基本风压较小时(≤0.40 kN/m2)，1E地震组合为控制组合，若采用高延性、低弹性承载力的设计思路，板件宽厚比限值应满足《建筑抗震设计规范》的要求，要求较高；若采用低延性、高弹性承载力的设计思路，虽然可放松板件宽厚比限值，但控制组合内力会大大增加，一般难以降低耗钢量，此种情况宜采用高延性、低弹性承载力的性能化设计思路。当基本风压较较大时(≥0.50 kN/m2) 2E地震组合为控制组合，若采用高延性、低弹性承载力的性能化设计思路，板件宽厚比限值应满足《建筑抗震设计规范》的要求，要求较高；若采用低延性、高弹性承载力的设计思路，会得到较大的组合内力，但可放松板件宽厚比限值，此种情况，应对两种设计思路的刚架分别进行计算，根据耗钢量对比最终确定采用哪种设计思路。

3.3 满足强度要求的刚架位移对比与分析

刚架强度计算满足后，还必须对位移进行验算，根据《钢结构设计标准》B.2.1条，将风荷载作用下的柱顶位移控制在H/400以内。

不同基本地震加速度和基本风压状况下，按强度计算确定的刚架截面，水平位移验算结果如表5所示。

表5 不同基本地震加速度及基本风压下刚架水平位移验算表

由表5可知，当基本风压较小(≤0.50 kN/m2)时，满足强度要求的刚架水平位移满足限值要求；当基本风压较大(≥0.60 kN/m2)时，满足强度要求的刚架水平位移超限，需要额外增大构件截面直至位移满足限值要求。水平位移是否满足要求一般只与基本风压大小有关，与抗震设防烈度和基本地震加速度无关。

3.4 采用两种抗震性能化设计思路的刚架耗钢量对比与分析

对不同地震设防烈度和基本风压的情况，按高延性、低弹性承载力(1倍地震)和低延性、高弹性承载力(2倍地震)两种性能化设计思路分别计算[6-7]，同时满足强度和位移要求的每榀刚架耗钢量如表6所示。

由表6可知，对于基本地震加速度不大于0.15g的情况，风荷载起控制作用，采用低延性、高弹性承载力的性能化设计思路刚架耗钢量更低，并且刚架耗钢量仅与基本风压有关，与基本地震加速度完全无关。

表6 两种抗震性能化设计思路的刚架耗钢量表

对于基本地震加速度为0.20g的情况，风荷载起控制作用，采用低延性、高弹性承载力的性能化设计思路刚架耗钢量更低。并且仅当基本风压较小时(≤0.40 kN/m2)与基本地震加速度有关；当基本风压较大时(≥0.50 kN/m2)刚架耗钢量仅与基本风压有关，与基本地震加速度完全无关。

对于基本地震加速度为0.30g的情况，当基本风压较小时(≤0.50 kN/m2)，地震作用起控制作用，采用高延性、低弹性承载力的性能化设计思路刚架耗钢量更低；当基本风压较大时(≥0.60 kN/m2)，风荷载起控制作用，采用低延性、高弹性承载力的性能化设计思路刚架耗钢量更低。

对于基本地震加速度为0.40g的情况，在常见的基本风压条件下，地震作用起控制作用，采用高延性、低弹性承载力的抗震设计思路刚架耗钢量更低；仅当基本风压很大时(≥0.80 kN/m2)，风荷载起控制作用，采用低延性、高弹性承载力的性能化设计思路刚架耗钢量更低。

3.5 不同基本地震加速度和基本风压对刚架耗钢量的影响对比

在表7中，选用耗钢量低的性能化设计思路，确定最终的耗钢量，并将各种情况下的耗钢量与设防烈度为6度(0.05g)且基本风压为0.30 kN/m2的耗钢量进行对比，如表7所示。

表7 不同基本地震加速度和基本风压下刚架耗钢量对比

由表7可知，对于轻型屋盖单层钢结构厂房，当基本地震加速度不大于0.20g时，不同的基本地震加速度对刚架耗钢量基本没有影响；仅当基本地震加速度不小于0.30g时，地震作用才会引起刚架耗钢量的明显增加，耗钢量增加约2%～8%，在基本风压较小的地区，基本地震加速度的增加引起耗钢量增加更明显。

基本风压是影响轻型屋盖单层钢结构厂房刚架耗钢量的重要因素，耗钢量随着基本风压的增加明显增加，随着基本风压由0.30 kN/m2增加到0.80 kN/m2，耗钢量增加了39%～44%。特别是当基本风压不小于0.60 kN/m2时，刚架计算由变形控制，刚架耗钢量对风荷载更加敏感，基本风压每增加0.10 kN/m2，耗钢量增加约10%～15%。

4 结语

抗震性能化设计是以结构抗震性能目标为基准的结构设计方法，近年来成为工程界解决抗震设计问题的基本方法。抗震性能化设计的基本思路是“高延性、低弹性承载力”或“低延性、高弹性承载力”，通过提高承载力可以推迟结构进入塑性工作阶段并减小塑性变形，由此放松对板件宽厚比的限值。《建筑抗震设计规范》9.2.14条关于轻型屋盖单层钢结构厂房划分A类、B类、C类截面对板件宽厚比限值的规定，是抗震性能化设计的简化处理方法，应用起来简便易行。通过计算对比可知，在不同基本地震加速度和基本风压的情况下，采用不同的性能化设计思路经济性是不同的。

对于轻型屋盖单层钢结构厂房，风荷载是影响刚架耗钢量的重要因素。当基本风压不小于0.60 kN/m2时，刚架计算由水平位移控制，基本风压对耗钢量的影响更加明显。在基本地震加速度不大于0.20g的地区，采用低延性、高弹性承载力的性能化设计思路刚架耗钢量更低。在基本地震加速度为0.30g的地区，当基本风压较小时，采用高延性、低弹性承载力的性能化设计思路刚架耗钢量更低；当基本风压较大时，采用低延性、高弹性承载力的性能化设计思路刚架耗钢量更低。在基本地震加速度为0.40g的地区，除基本风压不小于0.80 kN/m2外，采用高延性、低弹性承载力的性能化设计思路刚架耗钢量更低。

值得注意的是，抗震性能化设计寻求结构和构件的承载力与变形能力的合理平衡点。《建筑抗震设计规范》9.2.14条 关于结构构件抗震承载力和对应的宽厚比限值，是根据抗震性能化设计的基本原则，结合工程设计的可操作性而人为规定的具体限值。实际工程中应综合考虑抗震设防类别、设防烈度、结构复杂程度及规则性、建造费用、震后修复难易程度等因素，对于关键部位应合理加强其承载力和变形能力，不可片面追求耗钢量的降低，而忽视了性能化设计的初衷。