魏毅，鄭恒祥

（華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045）

1 引言

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有柱網(wǎng)布置靈活，可提供較大的使用空間；結(jié)構(gòu)延性大，耗能能力好；造價(jià)較低且施工方便的特點(diǎn)，而成為一種被廣泛應(yīng)用的抗震結(jié)構(gòu)體系，多用于多層及小高層建筑。然而，當(dāng)框架結(jié)構(gòu)的建筑豎向高度過(guò)大或者場(chǎng)地位于高烈度地震區(qū)時(shí)，在水平地震力作用下很難滿足結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。以往通常選擇框架剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)代替純框架結(jié)構(gòu)。增加剪力墻后，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)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(jié)構(gòu)吸收的地震能量明顯增大。因此，在既能滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，又能降低工程造價(jià)的同時(shí)，選擇一種經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系是至關(guān)重要的。鋼筋混凝土斜支撐框架結(jié)構(gòu)是一種介于框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)體系，具有良好的抗震性能，并滿足結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。對(duì)鋼筋混凝土斜支撐框架結(jié)構(gòu)的研究具有一定的工程經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。

本文通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例，運(yùn)用PKPM中SATWE計(jì)算軟件，分別對(duì)采用純框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和增設(shè)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(jié)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，進(jìn)而研究分析鋼筋混凝土斜支撐框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2 抗震性能分析

2.1 工程概況

本工程為某醫(yī)院醫(yī)療綜合辦公樓項(xiàng)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(shè)防烈度為7度（0.15g），設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類?；撅L(fēng)壓為0.45kN/m2，基本雪壓為0.35kN/m2。

2.2 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目采用3種不同的結(jié)構(gòu)方案，即：純框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土斜支撐框架結(jié)構(gòu)。其中，斜撐型式分別采用常見(jiàn)的X型斜支撐、人字型斜支撐、單向型斜支撐。框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置見(jiàn)圖1，支撐類型見(jiàn)圖2?；炷翉?qiáng)度等級(jí)：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(nèi)為柱700mm×700mm，其余為柱600mm×600mm；一層柱為700mm×700mm，車庫(kù)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(nèi)為180mm，車庫(kù)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(biāo)準(zhǔn)層框架結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)平面布置圖

圖2 框架結(jié)構(gòu)支撐類型

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算分析軟件采用PKPM4.3中的SATWE計(jì)算程序。分別對(duì)3種不同的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行計(jì)算。在多遇地震作用下的整體結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

表1 自振周期計(jì)算結(jié)果s

表2 最大層間位移角計(jì)算結(jié)果rad

表3 基底剪力計(jì)算結(jié)果kN

從表1、表2、表3中可以得出：純框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jì)算結(jié)果的比值得知，純框架結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和3種不同型式斜支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)和斜支撐框架結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)自振周期和最大層間位移角均小于框架結(jié)構(gòu)、大于框架剪力墻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的自振周期相差不大；斜向支撐結(jié)構(gòu)的基底層剪力大于框架結(jié)構(gòu)、小于框架剪力墻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，降低其最大層間位移角。框架剪力墻結(jié)構(gòu)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(guò)多，一定程度上造成建筑材料的浪費(fèi)。斜支撐框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能介于框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻之間，既能很好地滿足抗震設(shè)防要求，又能兼具框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系。從3種不同類型的鋼筋混凝土斜支撐的計(jì)算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，不同型式的斜支撐的抗震性能也不相同，對(duì)于通常選用的斜支撐型式：X型、人字型斜支撐結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度相差不大，約相當(dāng)于框架剪力墻結(jié)構(gòu)的60%～70%；單向斜的結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度約相當(dāng)于剪力墻的30%～40%。處于高烈度地震區(qū)和豎向高度較大的建筑，可以優(yōu)先選擇X型、人字型斜支撐；單向斜支撐多適用于建筑超過(guò)純框架結(jié)構(gòu)限值高度不大的范圍內(nèi)。

3 斜支撐框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

斜支撐框架結(jié)構(gòu)體系是一種組合結(jié)構(gòu)體系。GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中提出，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6～8度且建筑物高度超過(guò)規(guī)定限值時(shí)可以使用鋼支撐框架結(jié)構(gòu)。隨著對(duì)鋼筋混凝土斜支撐框架結(jié)構(gòu)的不斷研究，其在實(shí)際工程中也得到了一定程度的應(yīng)用和發(fā)展。

根據(jù)以往的研究總結(jié)，鋼筋混凝土斜支撐框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）斜支撐框架結(jié)構(gòu)的建筑最大高度不宜超過(guò)框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)高度限值的平均值。

2）斜支撐的布置宜在結(jié)構(gòu)兩主軸方向同時(shí)設(shè)置，且宜上下連續(xù)，平面上宜對(duì)稱布置。

3）斜支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，斜撐端部宜按鉸接。實(shí)際上，斜支撐主要以拉壓受力方式為主，斜撐通過(guò)節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)的軸壓比可適當(dāng)增大。因此，框架結(jié)體系宜實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱-中梁-弱腹桿”的抗震設(shè)計(jì)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(dān)的地震作用應(yīng)按純框架和帶有斜支撐框架結(jié)構(gòu)2種模型計(jì)算，取二者的最大值。

5）斜支撐框架結(jié)構(gòu)的最大位移角限值宜按框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻限值的平均值計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼筋混凝土斜支撐框架結(jié)構(gòu)是一種介于框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)體系。其相比框架結(jié)構(gòu)，側(cè)向剛度得到了顯著提高，又具有較強(qiáng)的延性，結(jié)構(gòu)布置上也可以充分發(fā)揮框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)；相比框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其避免了框架剪力墻剛度過(guò)大、吸收地震作用較大的缺點(diǎn)，并能在一定程度上降低工程造價(jià)。鋼筋混凝土斜支撐框架結(jié)構(gòu)將成為一種具有良好的側(cè)向剛度、延性以及多道抗震防線的抗震結(jié)構(gòu)體系。

此外，隨著我國(guó)裝配式建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展[4]，在框架結(jié)構(gòu)中增設(shè)斜支撐，對(duì)于提高裝配式框架結(jié)構(gòu)的抗震效果也將起到很大的作用。