某多層RC框架和支撐—鋼框架抗震性能分析★

謝朝陽

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010)

1 工程概況

1.1 工程場地概況

該建筑位于廣元市，該建筑面積共計2 283.3 m2，建筑總高度為24.000 m，屋面防水等級為二級，設計合理使用年限為50年。建筑框架墻體采用空心頁巖磚砌筑，墻厚200 mm。

1.2 建筑平面布置

該建筑平面尺寸為42 400 mm×9 000 mm，1層～5層為一梯四戶，1層～5層有A，B兩種戶型;6層和躍層布置為C，D兩種戶型，建筑平面布置不對稱。而且由于場地不規則性，在架構設計中會采用大量的懸挑梁。平面布置的不對稱性造成了結構樓層平面剛度分布不對稱和結構剛心與質心位置的偏移，在水平作用下結構構件承受較大的扭矩(見圖1)。

圖1 建筑平面布置圖

1.3 建筑立面布置

建筑總高度21 m，1層～7層沿高度方向在尺寸上并未出現較大變化，只有屋蓋采用了坡屋面和平屋面兩種形式，立面尺寸上發生了較大變化。就整體來看，整個建筑的立面布置均勻合理，利于結構設計。

2 主體結構設計

針對同一建筑，采用PKPM結構設計軟件分別建了鋼筋混凝土框架結構體系模型、鋼框架結構體系模型和帶支撐—鋼框架結構體系模型。

2.1 RC框架構建布置

RC框架柱平面布置圖見圖2，標準層鋼構件平面布置圖見圖3。

2.2 鋼結構構件布置

支撐—鋼框架結構構件布置。該鋼框架結構中所用構件均采用工字鋼(截面尺寸見表1)，鋼材等級均為Q2235;樓板厚度為100 mm，采用混凝土澆筑，混凝土強度為C30。布置支撐目的:1)中震或大震作用下，支撐首先屈服，耗散部分地震能量，保護其他結構構件;2)在框架外圍合理布置支撐(見圖4)，能有效地抑制結構在水平作用下的扭轉效應;3)由于地形限制，結構中出現大量懸挑構件，使得某些柱承受軸力很大，支撐能分擔同節點的部分柱軸力。

圖2 RC框架柱平面布置圖

圖3 標準層鋼構件平面布置圖

圖4 支撐布置平面圖

表1 鋼框架支撐截面尺寸 mm

3 結構計算分析

3.1 地震作用下整體計算分析

3.1.1 結構計算參數

該建筑設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，基礎設計等級為丙級。本工程抗震設防烈度為7度，基本地震加速度值為0.05g，框架抗震等級為三級，場地土類別為Ⅱ類，地震最大影響系數為 0.08。樓面恒載 2.0 kN/m2，衛生間和樓梯恒載6.0 kN/m2，取活荷載為 2.0 kN/m2;樓面活載取值為 2.0 kN/m2，樓梯活荷載取3.5 kN/m2，陽臺和餐廳活載2.5 kN/m2;屋面不上人，恒載取值 4.0 kN/m2，活載取值 0.5 kN/m2。地面粗糙度為C 類，基本風壓為0.3 MPa。

3.1.2 結果的計算模型

結構整體計算分析采用SATWE軟件，模型見圖5。

3.2 結構參數分析

3.2.1 結構振型與周期比

圖5 結構計算模型圖

表2列出了RC框架和帶支撐—鋼框架結構前三個振型的各項參數。根據JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程(以下簡稱《高規》)［3］中5.1.13條中第二款規定對 B及建筑高度的高層建筑和復雜高層建筑，“計算振型數應使振型參與質量不小于總質量的90%”。鋼筋混凝土框架的第一振型和第二振型主要是平動，第三振型主要是扭轉，但是結構第二、三振型均為平動扭轉混合振型，在地震作用下可能會發生平扭耦合現象，不利于結構抗震。鋼框架第一、二振型均為平動，第三振型為扭轉，各振型質量參與系數均大于0.9，盡量避免結構在水平荷載作用下產生附加扭矩。支撐—鋼框架體系周期比滿足《高規》第3.4.5條的規定，而鋼筋混凝土框架體系的周期比超過限值。

表2 結構振型參數

3.2.2 最小剪力系數λ

由SATWE計算得出兩種結構體系的最小剪力系數如表3所示，由此可見兩種結構體系的最小剪力系數λ均滿足《抗規》［4］第5.2.5 條規定。

表3 結構最小剪力系數λ %

3.2.3 平均位移和最大層間位移

兩類結構在地震荷載下層間位移角均滿足《抗規》5.5.1條規定。支撐—鋼框架結構抗側剛度更大，能夠更好地限制結構位移，保證結構安全性(見表4，圖6)。

表4 地震荷載作用下的最大層間位移角

圖6 最大層間位移角

3.2.4 平面規則性分析

在考慮偶然偏心影響的規定水平地震荷載作用下，兩類結構豎向構件最大彈性層間位移和平均層間位移之比見表5。RC框架Y向該值大于規范限值(1.3)，應按照《高規》第3.4.5條進行調整。兩類結構比較，鋼框架平面規則性好于RC框架。

表5 最大層間位移與層間平均位移的比值

3.2.5 豎向規則性分析

鋼框架結構各層X向剛度與上一層X向側移剛度70%的比值或上三層平均側移剛度80%的比值中之較小者的范圍為1.000～1.604 6，Y 向為 1.000 ～1.664 9。RC 框架結構該值 X 向范圍為0.969 7 ～2.307 8，Y 向范圍為 1.032 6 ～2.360 4，根據《高規》4.5.2條規定，結構2層為薄弱層。分析數據說明，鋼框架結構豎向布置更加規則，避免了結構薄弱層的出現，在地震荷載作用下更不易出現局部樓層的嚴重破壞。

3.2.6 抗剪承載力驗算

鋼框架結構各樓層上一層抗剪承載力與其抗剪承載力之比X向范圍0.81～1.34，Y 向范圍 0.95 ～1.16。RC 框架該比值 X 向范圍0.88 ～1.30，Y 向范圍1.08 ～1.30。兩類結構均滿足《高規》第5.1.14 條規定。

3.2.7 整體穩定性分析

結構最小剛重比見表6，均滿足《高規》第5.4.4條規定，兩類結構的結構穩定性相當。之所以帶支撐—鋼框架結構Y方向剛重比比X方向剛重比大很多，是因為結構中支撐大多橫向布置，大大提高了結構Y方向的剛度。

表6 最小剛重比

綜上所述，支撐—鋼框架結構抗側剛度更大，在多遇地震作用下，能夠更好地控制構件側向位移。

3.3 結構時程分析

結構時程反應分析應用軟件SAP2000非線性時程分析，考慮幾何P—Δ效應，采用EL-centro地震波(峰值加速度為341.7 cm/s2，波譜見圖7)。

圖7 EL-centro地震波譜圖

兩類結構在地震荷載作用下，結構頂層峰值位移大致相等，見表7。由于RC框架結構在前期地震荷載作用下出現大量塑性鉸，結構抗側剛度比鋼框架結構下降得快，頂層平均位移比鋼框架結構大。

表7 地震荷載作用下結構頂層最大位移 mm

4 結語

在地震荷載作用下，和RC框架結構相比，支撐—鋼框架結構具有以下特點:

1)支撐結構側移剛度較大，能夠更好地限制其側向位移，避免結構的非構件破壞;

2)結構豎向布置更規則，避免出現薄弱層，防止結構在多遇地震作用下產生局部樓層破壞。

［1］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］.

［2］GB 50010-2011，混凝土結構設計規范［S］.

［3］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.

［4］GB 50011-2010，建筑抗震規范［S］.

［5］楊聰武，馮 銘，曹志丹，等.碧羅雪山大酒店結構設計［J］.建筑結構，2013，21(43):42-46.

［6］張輝東，王元豐.基于能量指標的高層鋼結構動力彈塑性抗震能力研究［J］.土木工程學報，2012，6(45):65-73.