某多層房屋RC框架和支撐—鋼框架抗震性能分析

楊濤

【摘 要】采用結構設計軟件SATWE 2010計算某建筑采用RC框架體系和支撐-鋼框架結構的抗震性能，對兩種結構體系在多遇地震下的參數進行比較分析。結果表明：支撐-鋼框架體系側移剛度要大過RC框架體系，位移限值較小；合理布置支撐的鋼框架體系能有效抑制結構的扭轉效應；支撐-鋼框架體系的整體穩定性和RC框架體系相當。

【關鍵詞】RC框架；支撐-鋼框架；抗震性能

【Abstract】Using the structure design software SATWE 2010 to calculate a building by the seismic performance of RC frame system and a steel braced frame structure， the two kind of structure system in frequently occurred earthquake parameters are compared and analyzed. The results showed that： braced steel frame system side shift stiffness is greater than RC frame system， the displacement limit value is small； rational arrangement of supports of the steel frame system can effectively inhibit the structure torsion effect； support - steel frame system of the overall stability and reinforced concrete （RC） system is.

【Key words】RC frame； Steel frame； Seismic performance

1 工程概況

1.1 工程場地概況

項目位于四川省廣元市劍閣縣，屬于河東街棚戶區改造，根據用地規劃，建筑用地近似為一個上底為4.86m，下底長為11.30m，高為42.440m的一個梯形，建筑用地面積為342.59m2。

1.2 工程建筑概況

由于建筑用地的不規則性，框架左側會采用大量的懸挑梁，建筑平面布置不規則，結構樓層平面剛度分布不對稱和結構的剛心與質心位置的偏移，在水平作用下結構承受較大的扭矩。建筑豎向布置沿高度并未發生過大變化。

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立鋼筋混凝土框架結構模型和帶支撐-鋼框架結構體系模型。

2.1 結構設計基本參數

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。

2.2 RC框架材料信息

RC結構框架度混凝土強度等級為C40，框架梁和樓板為C30混凝土。柱、梁縱筋均采用三級鋼（即HRB400），箍筋采用φ8的鋼筋（HPB300）；樓板中的支座負筋和板底分布筋均采用HPB335級鋼筋。

2.3 鋼結構構件布置

支撐-鋼框架結構構件布置：

鋼框架結構中所用柱、梁、支撐（支撐截面尺寸：腹板高度為200mm；厚度為9mm，翼緣寬度200mm，厚度為12mm）采用工字鋼，-材等級為Q235；樓板厚度為100mm，采用壓型鋼板-混凝土澆筑，混凝土強度為C30。

3 結構計算分析

3.1 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0.15g，框架抗震等級為三級，場地土類別為Ⅱ類。

結構設計荷載根據《建筑結構荷載設計規范》[1]GB50009-2012進行布置：樓面活在取值為2.0kN/m2，樓梯活荷載取3.5kN/m2，陽臺和餐廳活載2.5kN/m2；屋面不上人，活載取值0.5kN/m2。地面粗糙度為C類，基本風壓為0.3MPa。

3.2 結果的計算模型

結構整體計算分析采用SATWE（2010版）軟件，分別建立RC框架和支撐-鋼框架計算模型。

3.3 結構振型

模態分析中，取12個計算陣型，結果發現：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-鋼框架能通過在結構中合理布置支撐來調節質心和剛心位置，減小二者的偏移距離，減小結構在水平荷載作用下產生的附加扭矩，有效控制了結構自身的扭轉因素。同時，鋼框架前三階自振周期比RC框架分別減小52%、67%和77%，這主要是因為鋼框架中加入支撐對結構側移剛度提高效果明顯，使得鋼框架具有比RC框架更大的側移剛度，在地震荷載作用下，能夠更好地限制結構位移。

3.4 剪力系數

根據《建筑抗震設計規范》[2]GB50011-2010（下簡稱《抗規》）第5.2.5條規定，設計基本地震加速度為0.15g的七度區的最小剪力系數λ為2.4%。計算發現兩種結構形式的最小剪力系數λ為2.96滿足

3.5 平均位移和最大層間位移

在多遇地震作用下，RC框架X方向最大層間位移角發生于第三層，為1/685，Y方向最大層間位移角發生于第二層，為1/748鋼框架X方向最大層間位移角發生于第二層，為1/680，Y方向發生于第三層，為1/1040。層間位移角根據《抗規》第5.5.1條規定：多遇地震作用下，RC框架的層間位移角限值為1/550，多、高層鋼框架層間位移角限值為1/250。支撐-鋼框架體系結構抗側剛度更大，結構平均位移值較小，結構層間位移角也較小，在多遇地震下，其能夠更好地限制結構位移，實現“小震不壞”的抗震要求。

3.6 平面規則性分析

在考慮偶然偏性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最大值出現在RC框架Y方向，該值為1.33，大于規范限值（限值為1.3），應按照《高層建筑混凝土結構技術規程》[3]JGJ3-2010（以下簡稱《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。

3.7 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1.000～1.60，Y向為1.000～1.67。RC框架結構該值X向范圍為0.96～2.31，Y向范圍為1.03～2.37，根據《高規》第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。

3.8 抗剪承載力驗算

鋼框架結構各樓層上一層抗與其抗剪承載力之比X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。

3.9 整體穩定性分析

兩種結構最小剛重比均出現在結構第二層，值分別為：RC框架X向為19.50，Y向為19.34，鋼框架X向為17.66，Y向為76.24，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。

4 結論

通過多遇地震作用下，兩種結構的響應分析，可以得到以下結論：支撐-鋼框架結構避免了RC框架中的混合振型，更有利于抗震；和RC框架相比，支撐-鋼框架結構抗側剛度更大，在多遇地震荷載作用下，能夠更好地控制構件側向位移，保證結構的安全性；支撐-鋼框架體系的整體穩定性和RC框架體系相當。

【參考文獻】

[1]GB50009-2012，建筑結構荷載設計規范[S].

[2]JGJ3-2010， 高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3]GB 50011-2010， 建筑抗震規范[S].

[4]GB 50017-2003， 鋼結構設計規范[S].

[5]GB50010-2011， 混凝土結構設計規范[S].

[責任編輯：湯靜]