沈慧青
中国电子系统工程第四建设有限公司华东分公司，上海200235
【摘要】框排架是化工厂厂房的一种结构形式，为了满足工艺使用要求，经常采用下层混凝土框架、上层钢结构排架的结构形式，分析了主厂房框排架结构抗震的薄弱环节，优化结构布置，增强结构的抗震性能。
【关键词】下层混凝土框架、上层钢结构排架的框排架抗震优化设计
一、工程概况
某化工厂过滤机主厂房采用钢筋混凝土框排架结构体系 (见图1)，底部三层钢筋混凝土框架，柱距6、6.5、7mx 8m，过滤机布置在标高EL16.450三层楼层上，层高分别为7，6，3.5m；上部为单跨排架结构，跨度24m，柱距6，6.5，7m，设有一台A5级20t／5t桥式 吊车，轨顶标高27.000m，屋架下弦标高29.600m。排架钢柱脚与钢筋混凝土框架采用刚接连接形成整体框排架结构。主厂房总建筑面积1900m2，建筑占地面积948m2。
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二、荷载和作用
结构设计使用年限为50年，重点设防类，安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g。场地土类别为Ⅱ类，特征周期为 0.40s；建筑结构阻尼比混凝土取0.05，钢结构取0.04。50年一遇的基本风压取0.40kN/m2，地面粗糙度为B类。50年一遇的基本雪压 0.65kN/m2。屋面活荷载取0.50kN/m2。楼面活荷载根据工艺要求取值10kN/m2。竖向框排架的抗震等级按框架的高度分界降低4m,确定，按框架部分高度16.45m，混凝土框架抗震等级三级，抗震构造措施抬高到二级，钢结构抗震等级三级。
三、结构构件的布置
化工厂过滤机主厂房属于行业有特殊要求的工业建筑，因工艺要求及设备布置要求，一层压滤机设备楼层楼板厚度取200厚，室外的离心机基础采用大块式基础，并与厂房基础及上部平台完全脱开，二层楼板厚度取150mm，屋面采用轻钢屋面，设两道纵向排架柱柱间支撑和屋面水平支撑，同时在屋面南北两边设两道东西通长屋架下弦水平支撑；因屋面雪荷载较大，同时为增强屋面整体刚度，屋面采用在1.5m间距的C20a槽钢檩条，同时每隔3米设双檩组合檩条，间距600，横向C10a槽钢间距1m拉接。上部排架钢柱柱脚刚接，考虑可施工性，第一步浇筑EL16.450第三层楼面，排架柱下框架柱顶预留1.25米柱主筋；第二步浇筑钢柱下柱墩到标高EL17.700，预留抗剪键留孔及地脚螺栓，混凝土柱墩钢筋露出150mm；第三步安装排架柱，待二次灌浆达到强度要求后焊接连接原露出钢筋，箍筋间距100，混凝土第三次浇筑，外包钢柱到EL19.700，形成刚接柱脚。
排架柱间支撑设置在第二跨和倒数第二跨，此两跨楼盖不设楼梯间或开洞，边跨屋面最顶层处也拉结柱间支撑，但不到排架底，增强房屋的整体刚度；柱间支撑所在第三楼板层两跨均设计为混凝土现浇楼板，楼板厚度200mm，此跨也是动力设备的支撑楼板，最后实际投产后设备运行情况良好，平台没有发生振动过大的情况。
四、计算分析
主厂房框排架结构计算分析采用PKPM工程部之SATWE(2010网络版V5.2)和钢结构二维对结构进行三维空间和二维计算分析。三维计算取偶然偏心和双向水平地震作用取大值。由于本工程工艺布局的特殊要求，计算时SATWE建筑结构的总信息中因出现排架结构和柱间支撑，所以无法计算薄弱层；标高11．000m层为结构薄弱层，该层x、y两个方向侧向刚度，强刚模型下X向最大位移为第三层框架层1/2617，Y向偶然偏心地震作用下的楼层最大位移出现在第四层排架层1/1399，X方向最大层间位移与平均层间位移的比值1.22，Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值1.44。
经初步平面布置后的不规则判断如下：
1）平面不规则判断：
1.二层为混凝土楼板，开洞率37%>30%；三层原设计为混凝土楼板，开动率3%，属于楼板局部不连续。
2.按初步布置，计算结果为：二、三层的最大弹性层间位移与层间位移的平均值的比值为1.2<1.44<1.5,属于扭转不规则；
3.结构平面方正，无凹凸不规则。
2）竖向不规则判断：
1.一层与二层X、Y向的侧向刚度比为1.05、1.06、二层与三层X、Y向的侧向刚度比为1.52、1.44，均大于0.7，侧向刚度比满足规则性要求。
2.二层与三层楼层抗侧力构件的层间受剪承载力比值为0.59<0.8,属于结构层承载力突变。
3.竖向抗侧力构件连续。
综上所述，初步布置有三项不规则，属于特别不规则构筑物。考虑通过布置的优化，增强结构的薄弱部位，使之具有合理的刚度分布，使三项不规则至少减到两项不规则，避免出现特殊不规则。
分析此厂房的设备布置情况，由于第三层层高较小，同时二层楼板大开洞，削弱了二层的抗侧力承载力，需要减小三层、增大二层才能使二层与三层抗侧力承载力之比大于等于0.8。经过分析，第三层楼面仅中间南北通长一跨上支撑动力设备，其他区域可以设计为混凝土柱加钢梁、钢格栅楼板，在征得上游专业同意后，将不承受动力设备的第三层楼面区域由混凝土框架楼板改为混凝土柱加钢梁、钢格栅楼面，格栅板计算软件中厚度取为0，只传递荷载，不产生刚度，来减少第三层抗侧力受剪承载力；支撑动力设备的一跨仍保持混凝土框架，楼板厚度取200，提供足够的刚度，按照《GB 51006-2014 石油化工建（构）筑物结构荷载规范》，根据动力设备电机功率小于100kW，采用“替代静力计算” 方法，动力系数取4.0折算成静荷载，同时将三层混凝土框架柱的截面全部减少200。二层大开洞之间的轴线在满足管道布置、设备吊装的前提下，能拉通的几处轴线都拉通框架梁，经过这样的调整，二层与三层抗侧力构件的受剪承载力比值最终调整为0.87>0.80，避免了此车间属于特别不规则构筑物。
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通过调整角柱的布置，使扭转位移比降为1.4以下，程序默认会楼层钢框架梁柱和混凝土框架一样的二级，需要在SATWE特殊梁柱中调整楼层钢柱和钢框架梁的抗震等级为三级。因第三层楼层存在钢框架柱，所以楼层屈服强度系数PKPM没法计算，导致薄弱层验算结果无法给出；为此另建一个模型，将第三层局部范围的钢柱钢梁删除后，根据PKPM计算得出了第一层为薄弱层，楼层屈服强度系数为0.78，弹塑性层间位移角为1/228，满足规范要求。
第四层屋面轻钢结构的计算：采用与混凝土框架联合建模后取多个典型立面计算上部排架，上部轻钢排架风荷载按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》，因外维护不是全封闭式，立柱的风荷载需要手工计算修改。在特殊构件中定义门式钢架梁和门式钢架柱，PK计算时门钢柱平面外计算长度应取联系梁间距，阻尼比取0.04，屋面梁平面外计算长度应取两跨檩条的间距和，计算结果显示排架下三层混凝土框架最大层间位移角非常小；钢排架柱脚又为刚接，所以每一榀排架结构的柱顶整体位移也非常小，其中边榀排架柱顶位移仅1/4200，中间榀排架柱顶位移仅1/1400，满足门钢规范要求的桥式吊车由地面操作时位移h/180的要求，同时门钢梁、柱的应力、长细比计算结果也满足了规范的要求。
排架纵向柱列和下部的三层混凝土也形成PK，以计算柱间钢支撑的应力及稳定性，柱间支撑采用型钢，形式为交叉式，斜撑角度60度，下柱支撑的连接节点实际浇筑在第三步型钢混凝土支墩当中，斜撑长细比控制在150以内。
山墙抗风柱柱脚同样外包了两米的钢筋混凝土，所以计算模型为下部固结，上部水平向铰接，竖向自由，抗风柱与屋面梁相交处设置组合檩条和水平撑。
钢结构楼梯间布置在车间东西双侧，采用钢结构框架，钢梁与混凝土铰接连接，不参与整体计算。
混凝土框架和排架结构的抗震构造要求：
按框排架结构厂房抗震要求，上部排架柱相连的下部框架柱纵筋应满足框支柱的要求，箍筋应全高加密，混凝土柱的轴压比控制在了0.5以内，柱配筋率按二级框支柱要求需大于0.95%。
屋面檩条应相互拉接。双脊檩条在每隔一米用槽钢C10a相互拉接。彩钢板屋面设置多道组合檩条以增强屋面整体性，檩条与檩托连接牢固，檩托与屋面梁应焊牢，保证屋盖具有足够的水平刚度。
五、结语
综上所述，针对化工厂框排架结构这种平面及竖向不规则的建筑物，需要在满足设备布置的前提下，可以优化结构的构件布置，选用不同的梁柱板材料，来调整楼层的受剪承载力比值和位移比比值，同时通过柱间支撑、屋面水平撑、双檩条拉结来增强排架结构的整体性，使排架与框架的位移协调，完善此类建筑的抗震性能。
主要参考文献：
《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010
《构筑物抗震设计规范》50191-2012
谭丰，赖海斌，刘蓉蓉.火力发电厂主厂房采用单跨框排架结构抗震设计实例
尹龙星，韦孙印，王洪臣.框排架主厂房抗震设计研究
张丽.钢结构厂房框排架结构设计