鋼筋混凝土斜支撐-框架結構抗震設計分析

魏毅，鄭恒祥

（華北水利水電大學，鄭州 450045）

1 引言

鋼筋混凝土框架結構具有柱網布置靈活，可提供較大的使用空間；結構延性大，耗能能力好；造價較低且施工方便的特點，而成為一種被廣泛應用的抗震結構體系，多用于多層及小高層建筑。然而，當框架結構的建筑豎向高度過大或者場地位于高烈度地震區時，在水平地震力作用下很難滿足結構抗震規范的設計要求。以往通常選擇框架剪力墻結構來代替純框架結構。增加剪力墻后，框架結構的側向剛度雖然可以得到顯著提高，但也使得其延性降低，自振周期減小，結構吸收的地震能量明顯增大。因此，在既能滿足抗震設計規范要求，又能降低工程造價的同時，選擇一種經濟合理的結構體系是至關重要的。鋼筋混凝土斜支撐框架結構是一種介于框架結構和框架剪力墻結構的組合結構體系，具有良好的抗震性能，并滿足結構的安全性和經濟性[1]。對鋼筋混凝土斜支撐框架結構的研究具有一定的工程經濟實用價值。

本文通過一個工程實例，運用PKPM中SATWE計算軟件，分別對采用純框架結構、框架剪力墻結構和增設有不同型式的鋼筋混凝土斜支撐（X型、人字型、單向型）的框架結構的不同結構體系進行計算結果的對比分析，進而研究分析鋼筋混凝土斜支撐框架結構的抗震性能。

2 抗震性能分析

2.1 工程概況

本工程為某醫院醫療綜合辦公樓項目，總建筑面積約1.5×105m2。其中，地上建筑面積為9 285m2，地下建筑面積為 5 661m2。地上 8 層，地下 1 層。其中，1、2 層層高為 4.2m，3～8層層高為3.6m。建筑總高度為33.0m。

抗震設防烈度為7度（0.15g），設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類。基本風壓為0.45kN/m2，基本雪壓為0.35kN/m2。

2.2 設計方案

本項目采用3種不同的結構方案，即：純框架結構、框架剪力墻結構和鋼筋混凝土斜支撐框架結構。其中，斜撐型式分別采用常見的X型斜支撐、人字型斜支撐、單向型斜支撐。框架結構柱網布置見圖1，支撐類型見圖2。混凝土強度等級：1、2層墻柱支撐采用C40，梁板采用C35；3、4層墻柱支撐采用C35，梁板采用C30；5～8層墻柱梁板支撐均采用C30。墻柱梁板斜撐縱向受力鋼筋均采用HRB400，箍筋采用HRB400。框架梁柱截面：地下1層主樓范圍內為柱700mm×700mm，其余為柱600mm×600mm；一層柱為700mm×700mm，車庫頂板梁為 350mm×850mm 主樓梁為 300mm×750mm；3、4 層柱為650mm×650mm，梁為 300mm×750mm；5～8層柱為 600mm×600mm，梁為300mm×750mm；板：1層主樓范圍內為180mm，車庫頂板為250mm；2～8層板為110mm，屋頂層板為120mm。斜支撐截面為300mm×350mm。剪力墻寬為300mm。

圖1 標準層框架結構柱網平面布置圖

圖2 框架結構支撐類型

2.3 計算結果與分析

結構計算分析軟件采用PKPM4.3中的SATWE計算程序。分別對3種不同的結構方案進行計算。在多遇地震作用下的整體結構計算結果見表1～表3。

表1 自振周期計算結果s

表2 最大層間位移角計算結果rad

表3 基底剪力計算結果kN

從表1、表2、表3中可以得出：純框架結構、框架剪力墻結構和3種不同型式（X型、人字型、單向型）的斜支撐框架的自振周期比值分別為第一周期T1（1∶0.564∶0.687∶0.684∶0.766）、第二周期T2（1∶0.517∶0.646∶0.649∶0.736）、第三周期（扭轉周期）T3(1∶0.445∶0.545∶0.550∶0.649)。

最大位移角θ比值為：X方向地震作用下的θX（1∶0.425∶0.531∶0.542∶0.662），Y方向地震作用下θ（Y1∶0.404∶0.508∶0.537∶0.649）。

基底剪力比值為：X方向地震作用下的θX（1∶1.949∶1.442∶1.340∶1.187)，Y方向地震作用下θY(1∶2.560∶1.597∶1.576∶1.381）。

從以上計算結果的比值得知，純框架結構、框架剪力墻結構和3種不同型式斜支撐結構的最大層間均滿足小于1/550的限值要求。多遇地震作用下,純框架結構、框架剪力墻結構和斜支撐框架結構（X型、人字型、單向型）的自振周期、最大層間位移角和基底層剪力相比：斜向支撐結構自振周期和最大層間位移角均小于框架結構、大于框架剪力墻結構，3種不同類型的斜支撐的最大層間位移角單向斜支撐大于X型斜支撐和人字型，X型斜支撐和人字型框架結構的自振周期相差不大；斜向支撐結構的基底層剪力大于框架結構、小于框架剪力墻結構，3種不同類型的斜支撐的基底層間力單向斜支撐小于X型斜支撐和人字型，X型斜支撐和人字型框架結構的自振周期相差不大。

綜上，添加斜支撐可以較顯著地提高框架結構的側向剛度，降低其最大層間位移角。框架剪力墻結構整體剛度偏大，周期較短，同樣地震作用下吸收的水平地震力過多，一定程度上造成建筑材料的浪費。斜支撐框架結構的整體抗震性能介于框架結構和框架剪力墻之間，既能很好地滿足抗震設防要求，又能兼具框架結構的優點，是一種經濟合理的結構體系。從3種不同類型的鋼筋混凝土斜支撐的計算結果中可以發現，不同型式的斜支撐的抗震性能也不相同，對于通常選用的斜支撐型式：X型、人字型斜支撐結構體系的側向剛度相差不大，約相當于框架剪力墻結構的60%～70%；單向斜的結構體系的側向剛度約相當于剪力墻的30%～40%。處于高烈度地震區和豎向高度較大的建筑，可以優先選擇X型、人字型斜支撐；單向斜支撐多適用于建筑超過純框架結構限值高度不大的范圍內。

3 斜支撐框架結構的設計要點

斜支撐框架結構體系是一種組合結構體系。GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[2]中提出，當抗震設防烈度為6～8度且建筑物高度超過規定限值時可以使用鋼支撐框架結構。隨著對鋼筋混凝土斜支撐框架結構的不斷研究，其在實際工程中也得到了一定程度的應用和發展。

根據以往的研究總結，鋼筋混凝土斜支撐框架結構的設計過程中應注意以下幾點：

1）斜支撐框架結構的建筑最大高度不宜超過框架結構和框架剪力墻結構高度限值的平均值。

2）斜支撐的布置宜在結構兩主軸方向同時設置，且宜上下連續，平面上宜對稱布置。

3）斜支撐框架結構進行計算分析時，斜撐端部宜按鉸接。實際上，斜支撐主要以拉壓受力方式為主，斜撐通過節點將一部分豎向和水平力傳遞到相連接的梁柱，造成梁端、跨中彎矩的減小和柱軸力的增加。斜支撐框架結構的軸壓比可適當增大。因此，框架結體系宜實現“強柱-中梁-弱腹桿”的抗震設計原則，使斜支撐成為第一道抗震防線[3]。

4）水平地震作用下，框架部分承擔的地震作用應按純框架和帶有斜支撐框架結構2種模型計算，取二者的最大值。

5）斜支撐框架結構的最大位移角限值宜按框架結構和框架剪力墻限值的平均值計算。

4 結語

鋼筋混凝土斜支撐框架結構是一種介于框架結構和框架剪力墻結構的組合結構體系。其相比框架結構，側向剛度得到了顯著提高，又具有較強的延性，結構布置上也可以充分發揮框架結構的優點；相比框架剪力墻結構，其避免了框架剪力墻剛度過大、吸收地震作用較大的缺點，并能在一定程度上降低工程造價。鋼筋混凝土斜支撐框架結構將成為一種具有良好的側向剛度、延性以及多道抗震防線的抗震結構體系。

此外，隨著我國裝配式建筑結構的發展[4]，在框架結構中增設斜支撐，對于提高裝配式框架結構的抗震效果也將起到很大的作用。