鋼支撐—RC框架結構在醫療建筑中的運用

劉 琳 劉文吉

(長沙職業技術學院，湖南 長沙 410000)

1 概述

RC框架結構是現在運用的比較廣泛的結構體系，但是這種結構體系也有一定的弊端，比如受體系布置不合理，填充墻對結構抗側剛度等因素的影響，很多的RC框架結構比較難實現理想中的強柱弱梁破壞模式，即使通過合理設計與施工，框架結構仍然存在抗震防線單一，缺乏足夠冗余度等問題，于是新的建筑設計抗震規范GB 50010—2010中增加了關于鋼支撐—混凝土框架結構的設計，一種由鋼支撐和框架共同作用組成抗側力體系的結構。

2 結構布置形式

鋼支撐框架應在結構的兩個主軸方向同時設置；宜上下連續布置，當受建筑方案影響無法連續布置時，宜在相鄰跨延續布置；底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩應大于結構總地震傾覆力矩的50%；鋼支撐在平面內的布置應避免導致扭轉效應，鋼支撐之間無大洞口的樓蓋屋蓋的長寬比宜符合建筑抗震設計規范6.1.6條對抗震墻間距的要求，樓梯間宜布置鋼支撐；鋼支撐宜采用交叉支撐，也可采用人字形支撐或V形支撐，采用單支撐時兩方向的斜桿應基本對稱布置。事實上支撐已經很好的運用到工程實例中。

本文的目的就是對鋼支撐框架結構體系和RC框架結構進行對比研究，得出鋼支撐框架結構體系的優劣。

3 工程實例

本文選用湖南某醫院綜合樓作為案例，醫院的設計空間布置靈活，層高較高，體塊較大等特點，由于醫院是重點設防類建筑，是生命線工程，不適宜采用抗震防線單一的純RC框架結構，而由于其空間布置靈活的要求，不適于采用框架剪力墻結構，于是在前期概念設計，我們考慮采用鋼斜撐框架結構，在保證空間布置靈活性的同時增加抗震性能。

3.1 工程概況

某醫院綜合樓A塔樓，框架結構，下部土質較差，多為填土，場地類別為三類，建筑總高18.80 m，4層層高分別為5.4 m,4.2 m,4.2 m,4.8 m，抗震設防烈度為7度，乙類建筑，重點設防類建筑抗震等級提高一級，框架抗震等級為二級。柱采用C40混凝土，梁板采用C35混凝土，受力主筋采用HRB400級鋼筋，鋼支撐采用Q345鋼，支撐截面采用方形截面，結構平面布置圖見圖1。

3.2 不同截面尺寸鋼支撐的對比分析

首先選用了三種不同截面大小的支撐與原純RC框架結構進行比較，鋼支撐的位置和形式如圖1所示，布置原則：從上到下連續布置，兩個主軸方向基本對稱布置，樓梯間布置。為了方便比較我們使用代號表示，Model0：原RC框架結構；Model1:支撐截面大小為150 mm×150 mm,厚度12 mm；Model2:支撐截面大小為200 mm×200 mm,厚度15 mm；Model3:支撐截面大小為240 mm×240 mm,厚度18 mm。

結構分析設計采用SATWE軟件完成。

經過計算分析，對比Model0～Model3的基底剪力、底層剛度、傾覆力矩、抗傾覆力矩、規定水平力鋼支撐地震傾覆力矩占總地震傾覆力矩百分比數據(見表1)。

表1 Model0～Model3數據對比

通過表1數據可以看出，設置鋼支撐會使結構地震力加大，剛度也會增加，而且隨著支撐面積的增加，支撐對整個結構的剛度貢獻會遞增，地震力也會遞增，而基地剪力的增加引起傾覆力矩的加大，但從數據上看，地震力的增幅小于剛度的增幅，且抗傾覆力矩與傾覆力矩比值很大足以抵抗傾覆力矩的作用，由此推測增加鋼支撐將有效控制原結構的位移。另一方面規定水平力鋼支撐地震傾覆力矩占總地震傾覆力矩百分比隨著支撐截面的加大而增加，Model3按剛度分配的地震傾覆力矩已大于結構總地震傾覆力矩的50%，進一步驗證了規范的規定。接下來比較Model0～Model3的周期和位移情況(見表2)。

表2 Model0～Model3周期和位移

從表2中可以看出，增加支撐會使結構的周期變短，結構從柔變剛，并且結構的最大層間位移和最大位移角也越來越小，這個結果證實了增加支撐對控制結構的最大位移有顯著的作用，Model3的抵抗結構變形能力最強。另一方面，規定水平力鋼支撐地震傾覆力矩占總地震傾覆力矩百分比隨著支撐截面的加大而增加，Model3按剛度分配的地震傾覆力矩已大于結構總地震傾覆力矩的50%，進一步驗證了抗震規范提出鋼支撐按剛度分配的地震傾覆力矩以大于結構總地震傾覆力矩的50%的規定。在這里鋼支撐起到了類似于剪力墻的作用，能明顯改變結構的受力性能，與框架一起形成一種桁架受力體系，有效防止柱子出現剪切壓彎和彎曲破壞，從而防止了結構因為變形過大而引發倒塌。

再來對比增加支撐和不加支撐的框架梁柱配筋，通過計算結構我們可以發現，與支撐相連的框架柱配筋增大，其余的框架柱配筋減小，而增加支撐對于框架梁的配筋影響不大。這是因為與支撐相連的框架柱吸收了一部分的地震力，導致其配筋增加，而使得其余框架柱地震力減小，配筋減小。

3.3 不同類型和位置鋼支撐的對比分析

增設Model4：將Model3的人字形支撐改為交叉型。Model5：將支撐布置位置改變，數量不變，截面尺寸也同Model3(支撐布置位置見圖2)。分析不同形式和不同位置的支撐對結構的影響。

表3 Model3～Model5數據對比

從表3可以看出Model3，Model4，Model5的基底剪力、底層剛度和周期都相差無幾，但是Model4的最大位移角明顯比Model3要小，而Model5的最大位移角和最大層間位移則大于Model3，所以可以得出交叉型鋼支撐對結構體系的抗側力能力要更強，將斜撐對稱、均勻的布置在建筑物外周對控制結構變形更有效的結論。

4 結語

RC框架結構中加入少量鋼支撐有兩個主要目標：1)改變純框架結構的受力模式及破壞次序，使得支撐先屈服，提高結構的延性和抗震防倒塌能力；2)增設鋼支撐后結構的抗側剛度增加，導致基底水平剪力增加，所以設置支撐后框架結構的抗側剛度不能過度增加。

本文基于以上計算研究，主要得到以下結論：

1)在醫院、學校等內部空間布置相對靈活的大體塊建筑物中設置少量鋼結構支撐，對重點設防類建筑布置兩道抗側力防線，達到提高結構延性和抗震防倒塌的能力。

2)鋼支撐RC框架結構，相比純框架結構，對減少結構的變形和位移有比較大的貢獻，并且隨著鋼支撐的截面尺寸的增加而作用更明顯，但是研究表明鋼支撐會吸收更多的地震力，隨著鋼支撐的增加會使得地震力加劇，這對結構是一個不利的影響，通過分析提出了鋼支撐RC框架結構在規定的水平力作用下，底層的鋼支撐部分所承擔的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的50%但不宜超過70%。

3)與鋼支撐相連的框架會吸收很大一部分地震力，而其余框架柱的地震力大大減小，所以設計時可以加強與鋼支撐相連的框架柱，而減小其余的框架柱，以達到節約成本，擴大可用空間的目的。

4)規范規定鋼支撐以外建筑物周邊均勻對稱布置，上下宜連續布置，但通過計算對比研究，在建筑物外墻布置鋼支撐對建筑物立面有影響的時候，則可考慮利用內部隔墻做鋼支撐，其抵抗變形的能力雖然比在外部布置有所減弱，但是比純框架結構還是有很大的提高。

5)采用交叉支撐比人字形支撐更利于抗震。

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