钢框架—支撑结构化工装置常见设计问题浅析
刘国强 姜圣洁
摘 要：目前钢框架—支撑结构体系是钢结构化工装置中广泛采用的结构受力体系。本文对钢框架—支撑结构设计中遇到的一些问题进行了深刻的剖析，同时针对问题给出建议和解决方法。
关键词：钢框架—支撑结构；钢楼梯布置；刚性楼板假定；有效质量系数；性能化设计
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.09.086
0 前言
随着经济发展，具有结构自重轻、抗震性能好、工业化生产程度高、施工速度快、有利环境环保、空间大等优点的钢结构逐渐成为化工装置常见结构形式。钢框架—支撑结构是设计中的常用结构体系：钢柱一般都采用H 型钢；钢柱的强轴与钢梁刚接，形成纯框架抗侧力体系；钢柱的弱轴与钢梁铰接，并在适当的位置增加竖向柱间支撑，形成支撑结构抗侧力体系。设备及楼面荷载基本上都通过次梁传递到柱强轴的刚接主梁上，组成横向承重结构体系。
1 钢楼梯布置
化工装置内布置基于生产工艺和造价的考虑，习惯将钢楼梯布置在框架两端甚至局部突出部位，该部位钢楼梯通常采用截面较小钢柱作为框架柱。框架的整体计算中，端部及突出部位承担较大的地震力再加上钢梯柱较小的截面刚度，楼层最大位移比常常出现在框架周边楼梯钢柱处。鉴于楼梯部位高弹性和钢结构高延性的特点，当楼层最大位移比出现在此处时，最大位移比可采用规范允许的较大限值。当楼层最大位移比无法满足规范要求的限值时，建议将钢楼梯布置在钢框架内部或者采用较大截面楼梯钢柱。钢楼梯布置除满足抗震要求外也应考虑中震承载力、变形验算和大震变形验算。
2 刚性楼板假定
化工装置一般采用花纹钢板或钢格栅板作为楼面板。设计及施工中花纹钢板与钢梁焊缝非完全焊缝，钢格栅板与钢梁之间仅靠连接件固定，楼板对各柱的变形协调相对较弱，也无法满足规范要求的刚性楼板假定。由于设备吊装预留安装孔等各方面的制约， 楼面常常有大范围的开洞， 甚至局部为了达到某种要求连楼面板都没有，刚性楼板假定更难以满足。规范中所指的刚性楼板假定，按国外的相关规定，楼盖周边两端最大位移不超过平均位移2倍的情况均称为刚性楼板，超过则属于柔性楼板。因此当在不考虑楼板刚性假定时，楼层最大位移与平均位移之比大于2，就可按照抗震规范采用刚性楼板假定核算位移比、周期比等参数。花纹钢板或钢格栅板楼板较弱的变形协调造成不足，不考虑刚性板假定的结构计算很难满足位移比不大于2的要求。为达到刚性板假定要求，实际工程设计中应设置水平支撑作为构造措施，保证结构平面刚度及水平荷载有效传递。
3 有效质量系数
有效质量系数是指每个质点质量与其在某一振型中相应坐标乘积之和与该振型的主质量（或者说该模态质量）之比，即为该振型的有效质量系数。为使地震作用计算更加精确，规范对有效质量系数均有控制要要求。《建筑抗震设计规范》条文说明“5.2.2振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数”。《高层建筑混凝土结构技术规程》“5.1.3计算振型数应使各振型参与质量之和不小于总质量的90%”。
当采用侧刚模型计算时，每个楼层均只有三个自由度，相当于采用了刚性板假定。通常结构有效质量系数能够满足规范要求。当采用总刚模型计算时，正如前述的楼面刚度不足（设计中通常取楼板厚度为0）缺少对构件的约束，再加上局部较重设备引起钢梁局部振动，使结构自由度增加。当采用3倍楼层的振型数进行总刚模型计算，钢结构的有效质量系数常小于规范规定的0.9。此时对模型进行如下调整：（1）总刚模型计算时扩大振型数保证振型参与质量达到总质量90%。（2）对低阶振型中的局部振动进行构件加强。（3）楼面设水平支撑保证结构平面刚度。
4 性能化设计
化工装置布置复杂不规则且具有较高的危险性，以抗震设防作为单一的评价目标是不全面的。结构除满足基本抗震设防要求外，结构构件上应适当开展性能化设计，以保证设防地震甚至大震下的结构安全。随着规范更新，新版《钢结构设计标准》中增加了钢结构性能化设计，从一定程度上给出了复核计算的新方法。性能化设计的核心思想是在结构延性和承载力之间找到平衡点达到最优设计结果。性能化设计应遵循三个设计步骤：（1）验算设防烈度下多遇地震作用的结构承载力和结构侧移（小震不坏）。（2）依据抗震设防类别选择塑性耗能区的承载性能等级并进行设防地震下的承载力验算，承载力满足要求的前提下针对不同延性等级确定抗震措施（中震可修）。（3）验算罕遇地震作用下的弹塑性变形，保证延性水平的合理利用防止结构刚度过小（大震不倒）。
按新版《钢结构设计标准》中第3.5.1条进行受弯和压弯构件计算时，发现截面板件宽厚比与应力梯度相关。应力梯度随荷载不断变化，导致钢结构梁柱的宽厚比随之发生调整。实际工程中的化工装置技改升级，布置荷载调整难以避免，可能出现构件宽厚比不满足要求。为避免升级改造中可能发生的问题，建议当计算宽厚比接近性能限值时，设计中应选择更高要求的宽厚比等级。
钢框架—支撑结构体系中，柱间支撑以及主梁主柱是结构关键构件，设计时应多类型复核。结构构件除应满足《建筑抗震设计规范》的构造措施外尚应满足性能化设计下中震承载力和变形要求、大震弹塑性变形要求。抗规与新钢标两本规范不是传统认知的一本规范包络另一本规范，抗震等级与宽厚比等级也不对应，我们应依据各自规范控制条件去控制。
5 结语
（1）石油化工钢框架的设计因工艺布置的特殊要求和结构自身特点，在诸多方面不满足抗震规范要求的基本假设，设计人员应充分理解并严格遵守相关设计规范规定。工程设计中合理调整布置，在适当情况下进行多性能验算，保证结构安全。
（2）注意钢楼梯布置对结构计算的影响；分析振型，避免局部振動；钢结构楼层宜设置水平支撑，增强水平刚度，有效传递水平荷载；针对结构形式自身特点，合理利用性能化设计。
参考文献：
[1]建筑抗震设计规范：GB50011-2010（2016版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.
[2]高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]钢结构设计标准：GB50017-2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.
作者简介：刘国强（1987-），男，山东泰安人，本科，助理工程师，从事石油化工结构设计。
