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1、 第 40 卷 增刊 建 筑 结 构 2010 年 4 月带高塔设备转换结构的设计与分析 陈 春，李志业，孙宝平，梁绍强（中国石化工程建设公司，北京 100101）摘要 在石油化工设计中，常会出现设备高度高于或等于支撑框架的情况。通过工程实例，介绍了柱子直接落在转换梁上的转换结构的设计；讨论了判断转换结构侧向刚度的公式；阐述了如何采用逐级放大地震作用的方法推断结构的抗震性能，可为类似工程的设计作参考。关键词 转换层；转换梁；抗震性能 Design and analysis of transfer story with higher tower Chen Chun,Li Zhiye,Sun Ba
2、oping,Liang Shaoqiang(China Petrochemical Engineering Construction Incorporation,Beijing 100101,China)Abstract:In the petrochemical project design,it is usually found that the equipments height is higher or equal than the height of the frame which is supporting the equipment.As the actual project ex
3、ample,how to design the columns,which are directly settled on the transfer beam,and the design parameter of the transfer storey are introduced.The difference of the formula which is calculated the side stiffness of the transfer storey is discussed.And it is discussed how to gradually amplify the eff
4、ect of the earthquake to confirm the earthquake-resistant behavior of the structure.It may be referred to the similar project.Keywords:transfer storey;transfer beam;earthquake-resistant behavior 1 工程概况 随着石化工业向大型化、综合化发展，工业结构也越来越复杂。文中主要介绍了二效浓缩框架结构设计，该框架位于镇海炼化 100 万 t/年乙烯工程东区的中西部。根据生产工艺布置，框架为钢筋混凝土结构，横向
5、四跨长度为 22.9m，纵向三跨长度为 19.5m，高度为 21.50m。标高 7.000m 为第一层，设备位号：D-10211、SP-10217，操做重分别为 118.6t，13.7t，设钢筋混凝土楼板。标高 13.000m 为第二层，仅布置了框架梁，该层作为结构层，主要支撑一些设备管线，无楼板。标高 17.000m 为第三层，为主要设备支撑 层，设 备 位 号：E-10220A/B/C/D，操做重均为 154.3t，设备位号：E-10211/10212，操做重分别为 29.6t，5.3t，该层设钢筋混凝土楼板。标高 21.500m 为第四层，设备位号：T-10220，操作重为 665.9t
6、，设备外型尺寸高 30.175m，直径 10m，附加管道荷载操作重为 100t，设备支座采用地脚螺栓与钢筋混凝土梁连接，设备顶标高为 46.5m。2 结构分析 2.1 结构布置方案 各层平面布置见图 25。从各层平面布置看，柱网布置比较规则，层高相对均匀，第四层的 8 根柱子不能直接落地，其中 6 根柱子可以直接落在第三层的框架梁上。为了满足第四层结构梁支撑大型设备的需要，有 2 根柱子不能布置到框架梁上，柱中心与相邻框架梁中心相差 615mm，可在此 2 根柱子下设次梁。第三层为结构转换层，采用厚板，并用厚板支撑该层的设备，这样既可解决设备支撑的形式，还可以解决梁侧向稳定及传递水平力。从荷载
7、分布上看，主要荷载集中在第三层及第四层，整个结构外加荷载呈现上部重，下部轻。图 1 框架三维图 每层平面虽然有凹凸部分，但平面布置最大突出部分长度与该方向的总长度之比为 6/19.5=0.308，突出部分长宽之比为 5.725/7.5=0.76，结构总长宽之比-35 22.9/19.5=1.17，属于凹凸平面规则结构；第一层楼板开孔面积超过 30%，第二层为结构层，无楼板且框架梁不连续，属平面布置不规则。平面不规则，这里主要是平面开孔大，对此设计中主要是适当加大梁断面，使其具有一定的延性。计算模型中按弹性板设计，考虑板平面内、外刚度。结构整个立面呈现收进不规则，上部楼层收进部位 到 室 外 地
8、 面 的 高 度 与 结 构 总 高 度 之 比 为：17.4/21.5=0.8，大于 0.2，且上部楼层收进后的水平尺寸与下部楼层水平尺寸之比纵向和横向分别为10.22/19.5=0.52，10.22/22.9=0.45，均小于 0.75。2000200057255725572557256000750060002000 6000750060005725572557255725 图 2 标高 7.000m 平面布置 图 3 标高 13.000m 平面布置 5725572557255725600075006000 16391639572557257500347134716156155110511
9、0 图 4 标高 17.000m 平面布置 图 5 标高 21.500m 平面布置 2.2 主要设计参数及计算程序 根据地质报告1，场地土类别类，场地特征周期 0.65s，地震设防烈度 7 度，设计地震分组为第一组，基本加速度 0.1g。基本风压 0.70kN/m2，地面粗糙度类别A类，基本雪压 0.30kN/m2。主体结构为钢筋混凝土框架结构，混凝土强度等级为C40，主筋采用HRB400。虽然框架结构高度为 21.500m，但从T-10220设备中心质点到地面，约为 32.455m高，因此，框架抗震等级为二级。落地柱截面为 10001000，第四层柱截面为 9001000，各层梁截面见各层平
10、面图。与第四层柱连接的梁按转换梁设计，与转换梁连接的柱按框支柱设计，抗震等级为一级。采用 2005 版SATWE分析软件计算。2.3 水平地震作用下设备 T-10220 对支撑梁产生的力 结构分析中，支撑 T-10220 设备的梁不仅承担T-10220 的自重，还有地震作用产生的附加力。附加力由水平地震作用对支撑梁产生的弯矩换算得到：M=FVHn （1）其中：M为水平地震作用对支撑梁产生的弯矩；FV为地震产生的水平荷载，其值取水平地震影响系数最大值与设备重力荷载代表值的乘积；Hn为设备重心到支撑构件的距离。附加力为拉、压力，作用在支撑梁上，则有：N拉、压=M/D （2）其中：N拉、压为地震作用
11、产生的附加力；D为取地脚螺栓的最大距离。最终，把设备 T-10220 自重及地震作用产生的附加力一起输入到框架梁上，参与振型分解反应谱分析。2.4 主要计算结果分析 首先对结构进行抗扭效应的计算。有效控制结构扭转的影响，就可避免诱发在大地震作用下结构产生未知的扭转分量，不容易使结构受到扭转脆性破坏，计算中考虑偶然偏心影响。先看扭转变形指标，从表1 中可知，层间最大位移与层间平均位移之比均小于1.2；再看扭转周期指标，表 2 中的计算考虑了扭转耦联时的振动周期，表中只截取了主要振型，由平动系数及扭转系数可以知，结构扭转为主的第 1 自振周期为：Tt=0.775，平动为主的第 1 自振周期为：T1
12、=0.9304，且Tt/T1=0.83，从以上两个指标可以推断结构为扭转规则结构。地震作用下主要扭转变形指标 表 1 层号 1 2 3 4 X向层间最大位移Xmax/mm 4.62 6.46 3.000.61X向层间平均位移Xave/mm 4.35 6.03 2.820.56Xmax/Xave1.06 1.07 1.061.09Y向层间最大位移Ymax/mm 4.51 5.98 2.750.68Y向层间平均位移Yave/mm 4.27 5.70 2.600.62Ymax/Yave1.06 1.05 1.061.10地震作用下主要扭转周期指标 表 2 振型号 周期/s 平动系数(X+Y)扭转系数
13、 1 0.9304 1.00(1.00+0.00)0 2 0.8735 1.00(0.00+1.00)0 3 0.775 0.01(0.00+0.00)0.99 4 0.1605 0.93(0.93+0.00)0.07 其次，对结构抗侧刚度的计算。表 3 可以看出第一、二层有侧移刚度小于与上一层相应侧移刚度 70%的比值或上三层平均侧移刚度 80%的比值，且第四层的竖向构件不连续，第三层设有转换梁，结构属于竖向不规则结构；表 4 表明，剪重比大于 0.016，刚重比大于 20，满足要求，说明在水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，结构稳定具有适宜的安全储备。36 地震作用下主要结构侧
14、向刚度指标 表 3 层号 X 向刚度/105 kN/m Y 向刚度/105 kN/m X 向侧移 刚度比 Y 向侧移 刚度比 1 5.41 6.14 0.85 0.33 2 3.72 4.27 0.42 0.49 3 7.43 8.52 0.73 0.89 4 12.70 12.00 1.25 1.25 注：X、Y 向侧移刚度比指该方向本层侧移刚度与上一层相应侧移刚度 70%的比值或上三层平均侧移刚度 80%的比值中之较小者。地震作用下结构稳定计算指标 表 4 层号 1 2 3 4 上部重量/kN 45688 37412 3390610545X 向地震作用下的楼层剪力/kN 2443.08 2
15、264.05 2098.63 705.78Y 向地震作用标准值/kN 2584.29 2395.84 2220.31 747.15X 向剪重比 0.054 0.061 0.0620.067Y 向剪重比 0.057 0.064 0.0660.071X 向刚重比 82.9 59.7 96.4 494.0Y 向刚重比 94.0 68.4 110.5465.0注：剪重比按文3第 3.3.12 条计算；刚重比按文3第 5.4.1 条计算。对于竖向不规则结构，即楼层出现抗侧刚度小于其上一层的70%或小于其相邻三层侧向刚度平均值的80%，或楼层竖向抗侧力构件不连续有转换层，其薄弱层对应于地震作用标准值的地震
16、剪力应乘以1.15的增大系数；同时仅对每层框支柱承受剪力进行调整，取其剪力之和不小于基底剪力的 30%，柱的轴压比也进行了控制，使其不大于 0.35。第三，对转换层上、下结构侧向刚度的计算。第三层设转换结构。根据文3附录 E.0.2 提供的公式，下部三层结构高度为 17.4m，上部一层结构高度为4.1m，由 SATWE 分析软件计算出的数据见表 5。其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比大于 1.3，不满足文3的要求。分析原因，其一，转换层上、下结构高度相差太大，下部结构高度是上部结构的 4 倍多，不满足公式的计算条件，即转换层上部若干层结构的高度应等于或接近转换层下部结构高度，而上部设备高出
17、第四层 25m，设备对侧向刚度的影响没有考虑进去；其二，公式主要针对带有剪力墙的转换层，其目的是通过控制转换层上、下部分结构的等效刚度比，减小转换层上、下层间位移角及内力突变的情况发生，使整个结构的刚度均匀变化，要求设计者应限制等效刚度比，使其尽量接近 1，且不大于 1.3。由于本工程是纯框架结构，采用的转换构件是梁托柱，通过梁、柱传递竖向力，传力路径明确。因此，可以采用层间剪力比层间位移算法计算侧向刚度，并控制转换楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的 60%。地震作用下转换层上部与下部结构等效侧向刚度比 表 5 转换层下部结构刚度/kN/m 转换层上部结构刚度/kN/m 等效侧向刚度比X
18、 向 Y 向 X 向 Y 向 X 向Y 向1.7011051.9431051.2711061.1961061.761.45采用层间剪力比层间位移算法计算侧向刚度，计算结果见表 6。从表 6 可知，转换层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的 60%，说明转换层设置及柱子截面比较适合。表 3 及表 6 中都能判断出第二层出现了明显的刚度变化，设计中对三层以下进行了薄弱层计算。地震作用下层间剪力与层间位移之比 表 6 层号 1 2 3 4 X 向水平地震总剪力/kN 2676.57 2325.65 2144.21705.78X 向层间水平位移/mm 4.35 6.03 2.82 0.56 Y 向水平
19、地震总剪力/kN 2807.72 2456.31 2266.93747.15Y 向层间水平位移/mm 4.27 5.7 2.6 0.62 X 向侧向刚度比 1.60 0.51 0.60 Y 向侧向刚度比 1.53 0.49 0.72 说明：X、Y 向侧移刚度比等于该方向本层层间剪力与层间位移比值除以上层层间剪力与层间位移比值。对于上部柱直接落在梁的这种转换结构，因其传力途径直接，可以认为上部仅作用柱的转换梁结构，柱宽相对于转换梁跨度一般均很小，转换梁与上部结构柱的共同作用不大，根据文4的研究结果及分析，这种转换梁的受力性能很接近于普通的上部作用集中荷载梁的受力性能，按框架法计算转换梁内力，结果
20、是偏于安全的。工程中按框架法计算转换梁，框支柱，框架柱、梁的内力，与这些构件对应的配筋计算及构造措施均按文2，3的规定执行。3 抗震性能的目标及对应的方法 结构抗震设计性能目标要求达到大震下少量破坏较易修复。具体体现为“三个水准”，即：在弹性反应谱小震作用下，满足结构完好、无损伤，结构处于弹性状态，取单向偶然偏心地震作用下不利重力荷载效应，构件承载力和最大位移满足文2要求；在弹性反应谱中震作用下，结构重要构件柱及转换梁、三、四层框架梁完好、无损伤，其他构件允许出现裂缝，修理后可安全使用，结构基本处于弹性状态，取单向偶然偏心地震作用下不利重力荷载效应，计算构件承载力满足组合效应要求，最大位移满足
21、相应要求；在静力弹塑性大震作用下，结构重要构件可轻微损坏及轻微裂缝，其他部位的构件可发生中等破坏，出现明显的裂缝，进入屈服阶段，这些构件需要采取一些安全措施方可继续使用，位移控制在文2的要求内。针对上述目标，通过下面两种方法提高结构总体承载能力。第一，将小震作用通过中震作用放大后，控制结构构件的承载力和与之对应的位移；第二，采用逐步放大地震作用并调整构件截面，当放大地震作用与罕遇地震相匹配后，才允许重要构件逐步出现超筋，相对应的薄弱层的弹塑性变形满足文2的要求，37 最后，还要控制全部超筋到弹塑性变形不满足要求的地震作用增加量，以此判断结构抗罕遇地震的能力。首先计算地震作用提高的幅度。有关提高
22、幅度的具体推导过程见文5。本工程中，中震作用等效组合效应与小震作用等效组合效应之比为中：中=（0.9SG+2.80SEs）/（0.9SG+0.975SEs）（3）大震作用等效组合效应与小震作用等效组合效应之比为大：大=（0.9SG+6.09SEs）/（0.9SG+0.975SEs）（4）设小震地震作用效应标准值与重力荷载效应标准值之比为=SEs/SG，则有：中=（0.9+2.80）/（0.9+0.975）（5）大=（0.9+6.09）/（0.9+0.975）（6）可计算出=0.06，代入式（5），（6），则有中1.17，大=1.32。当地震作用效应再增加 17%，相当于中震，结构重要构件也要满
23、足承载力要求，以保证这些重要构件具有一定的承载力。同时，位移也要满足与中震对应的要求。在弹性结构状态下，结构水平位移与地震作用大小成线性关系，建议中震作用下的层间位移角限值：钢筋混凝土框架为 1.17/（1.05550）=1/494，钢筋混凝土框支为 1.17/（1.051000）=1/897。计算结果见表 7，满足小、中震要求。这样中震作用下结构基本处于弹性状态，进入弹塑性大震阶段就可能实现上述构件达到屈服阶段，整体结构仍具有一定的刚度和承载力。小震、中震作用下最大弹性层间位移角 表 7 小震作用下 中震作用下 最大框架 最大框支 最大框架 最大框支 1/873 1/1378 1/754 1
24、/1189 其次，对结构是否能经受罕遇地震进行判断。结构在弹性阶段，构件截面的计算配筋满足要求，假设随着地震作用的加大，结构变形及计算配筋也加大；结构进入弹塑性阶段，随着力和变形的加大，就会发生计算配筋的加大因不能与截面相匹配而出现超筋，当出现变形不满足要求时，则结构发生倒塌。变形最大的地方是在薄弱层，由前面的分析可知，薄弱层在二、三层。分别计算地震作用不放大（小震作用）和地震作用系数分别放大 1.15，1.25，1.30，1.35，1.60这几种情况下弹塑性层间位移角，见表 8。由表 8 可见，随着地震作用放大，二层的弹塑性层间位移角变化最明显。从计算数据看，地震作用系数放大到1.001.2
25、5 之间，薄弱层的弹塑性层间位移角在 1/83到 1/63 之间，重要构件无超筋；地震作用系数放大到1.301.35 之间，薄弱层的弹塑性层间位移角在 1/61到 1/58 之间，开始由局部超筋到全部超筋；当地震作用系数放大到 1.60 时，薄弱层的弹塑性层间位移角在1/49，结构倒塌。通过这种现象，可认为地震放大系数在 1.001.25 之间时，结构基本上是处于弹性阶段；地震放大系数在 1.301.35 之间，结构进入弹塑性阶段，直到地震放大系数到 1.60，弹塑性阶段结束。由前面的推导可知：中震作用时，相当地震作用放大到1.17 时，结构应处于弹性阶段；大震作用时，相当地震作用系数放大 1
26、.32 时，结构进入了弹塑性阶段，结构多处出现了塑性铰，只有随着地震作用加大，结构才会出现倒塌。从结构全部出现塑性铰到结构倒塌，预估变形量有 18%，地震作用再需要提高 21%，因此，结构可经受罕遇地震。通过 SAP2000 程序对结构进行的时程分析，也证明了结构可经受罕遇地震。放大地震作用所对应的弹塑性层间位移角 表 8 地震作用放大系数 楼层1.00 1.15 1.25 1.30 1.35 1.60 1 1/191 1/166 1/153 1/147 1/141 1/1192 1/83 1/69 1/63 1/61 1/58 1/49 3 1/188 1/163 1/150 1/144 1
27、/139 1/1174 1/951 1/773 1/681 1/644 1/611 1/4794 结论（1）转换层为梁托柱的转换结构，设计首先要控制扭转的两个指标，即：扭转变形和扭转周期，使其满足规范要求，对于纯框架结构的侧向刚度，可采用层间剪力比层间位移算法计算侧向刚度，当转换层设在 3 层时，转换层楼层侧向刚度不小于相邻上部楼层侧向刚度的 60%。（2）基于薄弱层层间位移角及构件计算配筋变化判断结构的抗震性能，只对这种纯框架结构的判断比较适合。参 考 文 献 1 岩土工程勘察报告 镇海炼化 100 万吨/年乙烯工程东区R.2 GB500112001 建筑抗震设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，2008.3 JGJ32002 高层建筑混凝土技术规范S.北京：中国建筑工业出版社，2002.4 魏琏，王森，韦承基.高层建筑转换梁结构类型及计算方法的研究J.建筑结构，2001，31（11）：7-12.5 徐培福.复杂高层建筑结构设计M.北京：中国建筑工业出版社，2005.作者简介：陈春，高级工程师，一级注册结构工程师，Email:。38