工业钢平台水平支撑设计问题探讨

张国斌

（天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，兰州730060）

1 引言

现阶段我国大部分工业项目结构承重结构体系，主要以钢框架结构体系、钢框架-支撑结构体系为主[1]。室外露天钢框架、钢平台楼面铺设钢格栅板相对较多。大多数承重钢平台体系具有承担支撑化工设备和楼面设备检修双重作用。格栅板楼面本身平面内外刚度较弱，达不到刚性横隔板的要求，且大型重型设备布置框架局部楼层，导致结构上下质量极不均匀，框架体系整体抗震性能和变形不能满足SH 3147—2014《石油化工构筑物抗震设计规范》的要求。大多数设计人员通过改变竖向构件截面、加大楼层梁截面来增强抗侧刚度，忽略楼层设置水平支撑来调整钢平台刚度，改善水平传力的途径，达到各抗侧力构件变形协调的作用。因此，通过采取加强楼层水平力传递构件的刚度，即对此类化工设备承重钢平台结构体系设置水平支撑；楼面设备支、吊、墩等部位设置水平斜支撑和合理布置楼面次梁等措施，加强楼层面刚度，对抗侧力刚度较弱的竖向框架，提高了其结构体系的整体刚度和内力变形协调，达到减小构件截面，节约材料，降低工程成本的目的。

2 模拟分析

2.1 工程概况

某工业项目丙烯精制单元重型钢框架平台，项目场地烈度8度，地震加速度0.2g，框架高度15 m，单台设备重120 t，支撑点标高7.00 m，钢平台不同部位和形式的水平支撑布置模型见如图1、图2所示。

图1 楼面梁上翼缘对称单斜支撑形式

图2 框架梁下翼缘水平十字交叉支撑形式

对结构周期和楼层刚度及位移角对比如图3、图4和表1所示。

图3 结构周期对比图

图4 楼层刚重比

表1 楼层位移角对比表

2.2 分析结果

在钢平台楼面梁上翼缘设置水平斜支撑，次梁与次梁之间布置斜支撑，使每个钢平台形成类似平面整体桁架形式，相当于楼面形成钢隔板，增强楼面的次梁整体刚度，使得竖向各抗侧力框架构件整体变形协调一致，有利于楼面局部集中荷载水平力的传递。从位移变形模型可以看出，楼层承重梁上翼缘设置斜支撑的钢平台相对变形明显减小，结构整体变形趋于均匀，突变减少；特别是跃层的塔式设备支撑点布置在上翼缘的钢平台，在地震作用下，相对变形减少，起到整体变形一致的效果。

在钢平台框架梁间设置梁下翼缘十字水平支撑，各楼面次梁未与水平斜撑相连，未形成平面次梁间之绗架形式，楼面梁间的侧向刚度并未增强，没有提高楼面集中水平力传递路径处构件的刚度；该水平支撑只增强了各竖向抗侧力构件整体抗侧刚度，楼面集中力处的承重构件扭转效应明显，特别是承重设备的平台梁，从模拟楼层变形来看，承重梁的侧向刚度并未改变，相对变形比未设置水平支撑的楼面水平变形更大。承重楼面梁局部变形突变明显；其他非承重楼层楼层变形更趋于均匀。这说明，对非承重的操作层，设置钢平台框架梁下翼缘水平斜支撑，增强框架体系的整体刚度比较明显，而承重设备楼层梁则不利，并未增强承重质点支撑处的侧移刚度。对于承重设备的楼层，外荷载引起各构件内力形式更为复杂，简化外荷载内力的传递路径，加强路径构件的侧移刚度，宜在钢平台设备的支、吊、墩等部位设置水平支撑，改善钢平台的刚度一致性，使框架体系整体变形更趋于均匀。

综上所述，在钢平台梁上翼缘或下翼缘设置不同形式的水平支撑，均能增强结构体系的整体刚度，平面内刚度较弱的钢平台（钢格栅板平台），相邻钢框架之间的楼层约束机制较弱，使得框架结构整体体系的刚度较弱，这点从无水平支撑体系框架模型0各振型周期与设置水平支撑结构体系的周期的大小可以看出，结构周期大的，整体刚度低。在结构质量不变的情况下，通过设置钢平台的不同形式和部位的水平支撑体系相应来调节框架梁楼层面或楼面次梁平面刚度，协调不同竖向抗侧力体系的抗侧力能力，提高结构体系楼层位移角限值，增强结构的抗侧刚度和整体刚度，做到节约材料并优化结构方案。

3 钢平台水平支撑的设置形式部位及构造要求

抗震设防要求钢结构构筑物依据工业项目钢结构体系的受力形式的不同和方案的优化特点，参照SH 3147—2014《石油化工构筑物抗震设计规范》第9.1.5条要求[2]，区分水平支撑的设置部位及形式。分具体情况设置不同水平支撑，即当平台铺板采用钢格栅板时，有无支撑设备均宜每层设置水平支撑；当钢结构构筑物各榀框架侧移刚度相差较大，宜在中间层和顶层设置水平支撑，且设备支撑部位也宜设置水平支撑；当钢结构竖向支撑布置不规则时，宜在竖向构件侧向刚度薄弱的相应部位设置水平支撑；承担楼层面均匀面荷载的钢平台，宜在框架梁下翼缘设置十字水平支撑；承担集中载荷的钢平台，宜根据钢平台设备支、吊、墩的部位，相应设置承重梁上下翼缘的水平支撑形式。

非地震作用的钢结构构筑物，承担设备自身水平荷载较大的钢平台部位，宜设水平支撑体系，有利于水平力的约束和楼层刚度的增强。

水平支撑的形式有X形支撑，通常设置在梁下翼缘；单斜杆支撑，通常设置在梁上翼缘，下翼缘承担水平荷载的，宜设置在下翼缘[3]。

水平支撑的连接构造要求，即下翼缘水平支撑的端部宜与相应楼面梁的下翼缘和腹板同时连接；上翼缘水平支撑的端部宜与相应楼面梁的上翼缘和腹板同时连接；水平支撑应与框架竖向支撑相协调；水平支撑应与承重梁的设备支、吊、墩等部位相协调；框架楼或楼面梁可作为水平支撑系统的弦杆，斜杆与弦杆的夹角宜为30°～60°。水平支撑可与楼面梁翼缘用节点板连接或直接与梁翼缘焊接连接[4]，上下翼缘水平支撑连接如图5所示。

图5 上下翼缘水平支撑连接

4 结语

在城市工业化发展过程中，工业钢平台是工业项目中的主要承重构筑物，合理应用钢平台水平面支撑技术具有重要意义。工业设计行业中灵活应用先进的技术方案，能够降低成本，提高行业的技术水平，促进行业稳步发展。目前，我国正处于科学技术高速发展阶段，需要对工业技术开展深入的研究，针对工业项目工艺流程特殊技术条件、钢结构的自身特点，及绿色建筑技术等进行系统分析和应用，可有效提高我国工业化发展的技术水平，促进建筑行业稳步发展。