前言 

由于钢结构造价较高的原因，火电厂主厂房允许采用钢结构的条件被限制在一个很小的范围内，即必须是地震烈度为8度并Ⅱ类场地以上的地区。限于电厂建筑的特点，现在没有适用的规范可依，因此，钢结构的抗震设计基本上是套用适于民用建筑的规范和规定。目前反映出的问题是，设计差异很大，制造难度愈来愈大，钢材用量愈来愈多。对支撑—框架体系的研究课题，可以很好的解决上述问题，本文将从该项目的立项过程、支撑—框架体系的概念、课题研究和工程应用等几个方面进行简要地介绍。
1 问题的提出
我国《建筑抗震规范》GB 50011-2001虽已广泛应用于工业与民用建筑设计，但对解决电厂主厂房这样的建筑存在一些问题，例如：
1）以铰接连接为主的支撑——框架体系没有包括在规范所列举的3种结构类型中。
2）节点连接构造比较复杂，现场焊缝多，特别是要求柱的拼接应采用全熔透焊缝，给制造和安装增加了难度。
3）以12层作为抗震构造要求（如柱和支撑的长细比、板件的宽厚比、设置地下室等）的分界线，这个重要分界线对层高很大且不均匀的工业建筑不好执行。
2 支撑—框架体系简介
所谓“支撑—框架”如图1所示，即文献〔5〕中的“中心支撑框架”，相当于美国抗震规定〔2〕中的“特殊中心支撑框架(SCBF)”。支撑—框架实际上就是由竖向桁架组成的结构体系，构件连接采用铰接，构件的工作线均汇交于工作点。

2.1 支撑—框架的优点
（1）屈曲后能力高。大震中框架仍保持其整体性，而不丧失其实际的承载能力。
（2）延性好。结构在地震中承受多次弹塑性循环变形不断裂。
（3）耗能能力强。构件的弹塑性延性变形，增加了阻尼，减小了结构的刚度，导致能量的耗散，并且减小了作用于结构上的地震力。
（4）经济效益好。这是地震力减小后的必然结果。我国规范采用增大系数提高支撑杆件的设计内力，是一种“硬抗”的办法，因此必然影响其经济性。
（5）制造简单，安装方便。这是采用铰接连接和高强螺栓的结果。
2.2 支撑—框架设计要点
支撑—框架的上述性能是通过概念设计和一系列的设计手段来实现的：
（1）结构整体的合理布置。应使结构刚度均匀，传力路径明确，垂直支撑的数量应足够，并有冗余。
（2）新的抗震设计概念—严格控制构件和连接的破坏模式（或极限状态），并按分等级次序安排破坏模式。延性的和合意的破坏模式（如屈服），应在脆性和不合意的破坏模式之前发生。
（3）严谨和细致的细部设计。除了进行弹性设计外，弹塑性阶段的计算是不可缺少的。以一个节点板的计算为例，主要计算项目包括：节点板的W区屈服；螺栓孔壁承压破坏；在组合应力作用下节点板的临界截面屈服；节点板屈曲；节点板边缘屈曲；节点板的块状剪切破坏以及节点板净面积断裂。上述破坏模式正是按合意性次序排列的，前2项是延性破坏模式，是设计希求的，后2种属于脆性破坏模式，是设计必须避免的。此外，还应验算节点板与支撑的连接，节点板与梁和柱的连接，连接的力按均力法求得。
（4）严格的构造措施规定。包括构件的长细比、板件的宽厚比（截面应该是“厚实型”的，按此要求，轧制H型钢是不能用作支撑构件的）、与人字（或V型）支撑连接的梁的侧向支承的设置，节点板在支撑杆件末端的“2t”（t为节点板厚度）规定等。 

3 试验和研究 

3.1 试验模型的选定
取长山发电厂六期工程（1×660MW机组）主厂房一组（两榀）典型的横向框架，按1:12缩尺比例制作试验模型。见图2。

3.2 试验内容
试验项目包括：模拟地震振动台试验、支撑节点板试验、整体伪静力试验。地震条件选取长山发电厂的数据：8度(0.2g)、Ⅲ类场地、设计地震分组为第一组。
3.3 模拟地震振动试验
3.3.1 输入地震动
输入3种地震波，有关参数见下表1。

表1 输入的地震波参数

3.3.2 试验步骤和加载方案
按8度多遇、8度基本、8度罕遇、8.5度罕遇地震烈度的顺序分四个阶段进行加载。用白噪声扫频测得模型结构在不同试验阶段的自振频率、阻尼比、振型的变化，了解模型结构的工作状态。
3.3.3 试验结果与结论
（1）支撑表现出了较好的延性，某些支撑虽进入了塑性，且在平面外产生了一定程度的失稳变形，但均未发生低周疲劳破坏或其它脆性破坏现象；所采用的节点板式连接在地震反应中充分发挥了预想的抗震屈服和变形机制，成功实现了绕2t作用线的塑性转动，表现出了良好的抗震性能。
（2）多遇地震作用前后，试验模型的自振频率和阻尼比特性并未发生改变。经过罕遇地震后，第一阶频率有所减小，第二阶频率的变化不明显，阻尼比则明显增大，这些变化是由于少数支撑和节点板进入塑性，产生一定程度的损伤所致。
（3）同一工况下，1～5层加速度放大系数沿楼层高度变化平缓，6、7层加速度放大系数有比较明显的增大，表明模型结构顶部存在一定的鞭梢效应。
（4）在三种地震动常遇烈度以及人工地震动的罕遇烈度下，层间侧移角均满足我国抗震规范的要求，说明本结构能够满足“小震不坏”和“大震不倒”的抗震设防标准。
（5）有限元计算值与试验结果基本吻合。
（6）层间位移最大值发生在底层，底层是结构的最薄弱部位，三层和顶层的层间位移在大震时也有明显变大的趋势，设计时应予以注意。

4 工程应用概况 

4.1 主厂房结构概况
本期只建一台机的厂房，共12个轴线，11个柱距，柱距均为10m，总长110m。汽机房（包括除氧间）跨度36m，煤仓间跨度13.5m。
结构分析采用MIDAS软件，同时哈工大采用ABAQUS软件进行有限元时程分析。

4.2 构件的选择与布置
钢材的选用：支撑杆件和部分梁采用Q235，其他构件及连接件采用Q345；钢材的质量等级均采用B级；柱仅个别部位采用Z向性能钢板；未采用高层钢结构钢材；楼面次梁基本采用轧制H型钢，其他梁、柱以及支撑采用焊接H型钢，满足截面的“厚实”性要求。
垂直支撑的设置：横向支撑在煤仓间每个轴线全高程设置，另在汽机房部分轴线设置反向支撑；纵向支撑在3个主要轴线设置，3道。人字形撑和V型撑尽量成组布置，以减小不平衡力。
水平支撑的设置：在汽机房运转层楼面和屋面、煤仓间给煤机层、煤斗支承梁层和屋面设置水平支撑。
钢梁的侧向水平支撑：在人字形撑和V型撑与梁相交处的梁侧设置。

5 结语 

（1）电厂主厂房钢结构采用支撑-框架体系是可行的，在8度地震区使用是安全的。
（2）支撑—框架体系具有节省钢材，制造简单，安装方便的特点，值得推广。
参考文献
[1] GB 50011-2001《建筑抗震规范》，北京，中国建筑工业出版社，2001
[2] ANSI/AISC 341-05《Seismic Provisions for Structural Steel Buildings》, Chicago, AISC Board of Directors, 2005
[3] 《Seismic Design of Special Concentrically Braced Steel Frames》, Roy Beker, S.E, Structural Steel Educational Concil, U.S.A.1995.11
[4] 《Seismic Behavior and Design of Gusset Plats》, Abolhassan Astaneh-Asl, Structural Steel Educational Concil, U.S.A.1998.12
[5] CECS 160: 2004 《建筑工程抗震性态设计通则（试用）》，北京，中国计划出版社，2004