鋼支撐對單跨框架結構的抗震影響

唐永清

（馬鋼集團設計研究院有限責任公司，安徽 馬鞍山 243000）

我國的建筑行業抗震設計依據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010文件。文件中第6.1.5條明確的指出，我國甲乙類建筑在進行設計施工時要嚴格杜絕采用單跨框架。但是，由于多種原因，我國實際的建筑施工中存在很多漏洞。震驚世界的汶川大地震不僅讓人們反思人與自然的關系，更讓人們把目光轉向了建筑行業的施工質量上。災后重建中，上級要求對全地的中小學校舍進行全面的之質檢分析，并對一些采用單框架結構的建筑進行架設鋼支撐或建立剪力墻等用以鞏固單純從結構構件上加固達不到效果的建筑的承重結構。經過眾多實踐和理論證明，鋼結構的維穩和加固效果是最經濟有效的。

1 鋼支撐加固力學概念

框架結構支撐體系的動力性能主要受支撐性能的影響。支撐結構的性能關鍵在于鋼材的長細比例。結構的動力反應取決于支撐的抗側力分配率及支撐的長細比。當分配率較大，支撐又為大長細比時，結構的側向變形往往集中在某一層。為改變這一情況，支撐應選用小長細比的。采用強支撐不是好的設計，因為支撐過強（長細比較小）會導致對梁、柱等構件過高的延性要求。

描述支撐所受軸向力與所產生軸向變形滯回關系的數學模型為支撐的恢復力模型，該模型是確定支撐軸向剛度的基礎。試驗研究表明，鋼支撐的滯回關系具有以下特征：(1)支撐在軸向往復荷載作用下，其抗拉和抗壓承載力均有不同程度下降。(2)支撐在受壓屈曲后，再受壓屈曲的荷載顯著降低。(3)支撐受壓屈曲后，將發生彎曲，再反向加載時，在沒有重新拉直以前支撐不能完全工作，發生剛度收縮現象。(4)支撐的滯回特性與桿件的長細比、截面形式、板件的寬厚比、端部的支撐條件、桿件的初始缺陷、鋼材的性能等因素有關，其中支撐桿件長細比是影響其性能的重要因素。小長細比桿件滯回圖形豐滿，耗能性能較好，大長細比桿件則相反。(5)支撐桿件的縱向殘余伸長和局部塑性折曲殘余變形、鋼材的包辛格效應是引起支撐滯回性能退化的主要因素。

通過近80個算例的彈塑性動力反應分析，可得如下結論：

1.1 框架——支撐結構的動力特性受許多因素的影響，如支撐體系的布置形式、支撐桿件的滯回性能、支撐與框架部分的剛度比和地面運動特征等。對某一特定的場地條件和框架幾何尺寸，可能有一種最優的支撐匹配，使結構的動力反應最小，而不是支撐的長細比越小越好。

1.2 當支撐長細比為120，而支撐在彈性分析中承擔的剪力占層剪力70%以上時，結構容易在某一層形成變形集中，從而引起柱子剪力突變。為保證結構的安全工作，對此情況支撐的長細比限制在80%以下。

1.3 當支撐在彈性分析中承擔的剪力占層剪力的70%以下時，支撐的長細比限值可取為120。但應進行彈塑性時程反應分析，使其在罕遇地震作用下滿足設計要求。

2 工程實例

建筑解析：某中學實驗樓建立在II類的地段上，所采用的框架結構是三層鋼筋混凝土所做的，抗震性能測試為7度，在房頂的樓梯之間有塔樓，房子的高度為10.5米，層高度為3.3米。梁板柱所用的是C30混凝土，主要的受力筋所用的為HRB335級鋼筋，概況解析結構圖所設如下。

在經過抗震性能測試后，得出了相關問題總結。甲、乙類型工程建筑所應用的框架結構不對，該框架結構屬于單跨式的，對抗震性能較差，要想加強抗震性能，就必須進行加固，同時此刻澆樓的時候會增加其剛硬度，不能形成利于防震的強柱弱梁的結構模式。

在此項建筑中，應運用鋼筋來增加其結構性能，從而其增強抗震性。因框架結構中所引起的相關問題，大多是因為結構框架的強度及延展性能不夠，一般在在震的嚴重程度上，柱的嚴重程度要大過梁的，角柱的嚴重程度要大過其他柱的，在同等物質下，柱的上半部分的嚴重程度要大過下半部分。單跨式框架結構在地震時常常會出現絞機動體制，萬一破毀的話極易造成建筑坍塌。

在進行運用鋼筋對框架進行加固后，在地震時所產生的震波將增加，因此在沒有進行鋼筋加固時，所設的支撐數量越少越有利于提高抗震。此項建筑支撐的設立方法是由鋼筋支撐在梁主軸上進行雙向設置，鋼筋支撐在縱向是在底部同向頂部。樓梯往往是結構最弱的環節，極易造成變形被拉伸，所以在應在樓梯兩邊加上支撐。總體的設置是：豎向在工程的③、④、⑤軸線上，橫向的位置應該設置在每個樓梯間兩邊。其中支撐的形狀是八字型和X型。

結語

鋼支撐的設立從很大程度上解決了單跨框架的結構薄弱問題。通過鋼架來加設結構的承載力和結構穩定性。使單跨框架結構的受力明顯加強，建筑的豎向結構剛度能夠承擔一般性震力。通過精確的計算對結構外柱的長度進行確定，保證建筑力學結構的傳遞力的暢通，避免因無法承擔負荷而使柱彎折，改變建筑承重結構，進而形成建筑坍塌事故。

[1]GB50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[2]GB50011-2010，混建筑抗震設計規范[S].

[3]GB50367-2006，混凝土結構加固設計規范[S].

[4]鄧雪松，張耀春.鋼支撐性能對高層鋼結構動力反應的影響[J].地震工程與工程震動，1997.