某多層RC框架和支撐—鋼框架抗震性能分析★

謝朝陽(yáng)

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010)

1 工程概況

1.1 工程場(chǎng)地概況

該建筑位于廣元市，該建筑面積共計(jì)2 283.3 m2，建筑總高度為24.000 m，屋面防水等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)合理使用年限為50年。建筑框架墻體采用空心頁(yè)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(duì)稱。而且由于場(chǎng)地不規(guī)則性，在架構(gòu)設(shè)計(jì)中會(huì)采用大量的懸挑梁。平面布置的不對(duì)稱性造成了結(jié)構(gòu)樓層平面剛度分布不對(duì)稱和結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心位置的偏移，在水平作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)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(xiàn)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(fā)生了較大變化。就整體來看，整個(gè)建筑的立面布置均勻合理，利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)同一建筑，采用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件分別建了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系模型、鋼框架結(jié)構(gòu)體系模型和帶支撐—鋼框架結(jié)構(gòu)體系模型。

2.1 RC框架構(gòu)建布置

RC框架柱平面布置圖見圖2，標(biāo)準(zhǔn)層鋼構(gòu)件平面布置圖見圖3。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置

支撐—鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置。該鋼框架結(jié)構(gòu)中所用構(gòu)件均采用工字鋼(截面尺寸見表1)，鋼材等級(jí)均為Q2235;樓板厚度為100 mm，采用混凝土澆筑，混凝土強(qiáng)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(hù)其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件;2)在框架外圍合理布置支撐(見圖4)，能有效地抑制結(jié)構(gòu)在水平作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng);3)由于地形限制，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)大量懸挑構(gòu)件，使得某些柱承受軸力很大，支撐能分擔(dān)同節(jié)點(diǎn)的部分柱軸力。

圖2 RC框架柱平面布置圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層鋼構(gòu)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(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 地震作用下整體計(jì)算分析

3.1.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

該建筑設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為丙級(jí)。本工程抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度值為0.05g，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類，地震最大影響系數(shù)為 0.08。樓面恒載 2.0 kN/m2，衛(wèi)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(yáng)臺(tái)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(fēng)壓為0.3 MPa。

3.1.2 結(jié)果的計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析采用SATWE軟件，模型見圖5。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)振型與周期比

圖5 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖

表2列出了RC框架和帶支撐—鋼框架結(jié)構(gòu)前三個(gè)振型的各項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》)［3］中5.1.13條中第二款規(guī)定對(duì) B及建筑高度的高層建筑和復(fù)雜高層建筑，“計(jì)算振型數(shù)應(yīng)使振型參與質(zhì)量不小于總質(zhì)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(dòng)，第三振型主要是扭轉(zhuǎn)，但是結(jié)構(gòu)第二、三振型均為平動(dòng)扭轉(zhuǎn)混合振型，在地震作用下可能會(huì)發(fā)生平扭耦合現(xiàn)象，不利于結(jié)構(gòu)抗震。鋼框架第一、二振型均為平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)，各振型質(zhì)量參與系數(shù)均大于0.9，盡量避免結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下產(chǎn)生附加扭矩。支撐—鋼框架體系周期比滿足《高規(guī)》第3.4.5條的規(guī)定，而鋼筋混凝土框架體系的周期比超過限值。

表2 結(jié)構(gòu)振型參數(shù)

3.2.2 最小剪力系數(shù)λ

由SATWE計(jì)算得出兩種結(jié)構(gòu)體系的最小剪力系數(shù)如表3所示，由此可見兩種結(jié)構(gòu)體系的最小剪力系數(shù)λ均滿足《抗規(guī)》［4］第5.2.5 條規(guī)定。

表3 結(jié)構(gòu)最小剪力系數(shù)λ %

3.2.3 平均位移和最大層間位移

兩類結(jié)構(gòu)在地震荷載下層間位移角均滿足《抗規(guī)》5.5.1條規(guī)定。支撐—鋼框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度更大，能夠更好地限制結(jié)構(gòu)位移，保證結(jié)構(gòu)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(guī)則性分析

在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震荷載作用下，兩類結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)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(guī)范限值(1.3)，應(yīng)按照《高規(guī)》第3.4.5條進(jìn)行調(diào)整。兩類結(jié)構(gòu)比較，鋼框架平面規(guī)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(guī)則性分析

鋼框架結(jié)構(gòu)各層X向剛度與上一層X向側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者的范圍為1.000～1.604 6，Y 向?yàn)?1.000 ～1.664 9。RC 框架結(jié)構(gòu)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(jù)《高規(guī)》4.5.2條規(guī)定，結(jié)構(gòu)2層為薄弱層。分析數(shù)據(jù)說明，鋼框架結(jié)構(gòu)豎向布置更加規(guī)則，避免了結(jié)構(gòu)薄弱層的出現(xiàn)，在地震荷載作用下更不易出現(xiàn)局部樓層的嚴(yán)重破壞。

3.2.6 抗剪承載力驗(yàn)算

鋼框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)均滿足《高規(guī)》第5.1.14 條規(guī)定。

3.2.7 整體穩(wěn)定性分析

結(jié)構(gòu)最小剛重比見表6，均滿足《高規(guī)》第5.4.4條規(guī)定，兩類結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相當(dāng)。之所以帶支撐—鋼框架結(jié)構(gòu)Y方向剛重比比X方向剛重比大很多，是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中支撐大多橫向布置，大大提高了結(jié)構(gòu)Y方向的剛度。

表6 最小剛重比

綜上所述，支撐—鋼框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度更大，在多遇地震作用下，能夠更好地控制構(gòu)件側(cè)向位移。

3.3 結(jié)構(gòu)時(shí)程分析

結(jié)構(gòu)時(shí)程反應(yīng)分析應(yīng)用軟件SAP2000非線性時(shí)程分析，考慮幾何P—Δ效應(yīng)，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(jié)構(gòu)在地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)頂層峰值位移大致相等，見表7。由于RC框架結(jié)構(gòu)在前期地震荷載作用下出現(xiàn)大量塑性鉸，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度比鋼框架結(jié)構(gòu)下降得快，頂層平均位移比鋼框架結(jié)構(gòu)大。

表7 地震荷載作用下結(jié)構(gòu)頂層最大位移 mm

4 結(jié)語

在地震荷載作用下，和RC框架結(jié)構(gòu)相比，支撐—鋼框架結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):

1)支撐結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度較大，能夠更好地限制其側(cè)向位移，避免結(jié)構(gòu)的非構(gòu)件破壞;

2)結(jié)構(gòu)豎向布置更規(guī)則，避免出現(xiàn)薄弱層，防止結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下產(chǎn)生局部樓層破壞。

［1］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB 50010-2011，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］GB 50011-2010，建筑抗震規(guī)范［S］.

［5］楊聰武，馮 銘，曹志丹，等.碧羅雪山大酒店結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2013，21(43):42-46.

［6］張輝東，王元豐.基于能量指標(biāo)的高層鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性抗震能力研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2012，6(45):65-73.