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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SATWE 2010計(jì)算某建筑采用RC框架體系和支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)體系在多遇地震下的參數(shù)進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：支撐-鋼框架體系側(cè)移剛度要大過(guò)RC框架體系，位移限值較??；合理布置支撐的鋼框架體系能有效抑制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；支撐-鋼框架體系的整體穩(wěn)定性和RC框架體系相當(dāng)。

【關(guān)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(chǎng)地概況

項(xiàng)目位于四川省廣元市劍閣縣，屬于河?xùn)|街棚戶區(qū)改造，根據(jù)用地規(guī)劃，建筑用地近似為一個(gè)上底為4.86m，下底長(zhǎng)為11.30m，高為42.440m的一個(gè)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(guī)則性，框架左側(cè)會(huì)采用大量的懸挑梁，建筑平面布置不規(guī)則，結(jié)構(gòu)樓層平面剛度分布不對(duì)稱和結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心位置的偏移，在水平作用下結(jié)構(gòu)承受較大的扭矩。建筑豎向布置沿高度并未發(fā)生過(guò)大變化。

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)軟件分別建立鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型和帶支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)體系模型。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本參數(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。

2.2 RC框架材料信息

RC結(jié)構(gòu)框架度混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，框架梁和樓板為C30混凝土。柱、梁縱筋均采用三級(jí)鋼（即HRB400），箍筋采用φ8的鋼筋（HPB300）；樓板中的支座負(fù)筋和板底分布筋均采用HPB335級(jí)鋼筋。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置

支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置：

鋼框架結(jié)構(gòu)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(jí)為Q235；樓板厚度為100mm，采用壓型鋼板-混凝土澆筑，混凝土強(qiáng)度為C30。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 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0.15g，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]GB50009-2012進(jìn)行布置：樓面活在取值為2.0kN/m2，樓梯活荷載取3.5kN/m2，陽(yáng)臺(tái)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(fēng)壓為0.3MPa。

3.2 結(jié)果的計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析采用SATWE（2010版）軟件，分別建立RC框架和支撐-鋼框架計(jì)算模型。

3.3 結(jié)構(gòu)振型

模態(tài)分析中，取12個(gè)計(jì)算陣型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：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-鋼框架能通過(guò)在結(jié)構(gòu)中合理布置支撐來(lái)調(diào)節(jié)質(zhì)心和剛心位置，減小二者的偏移距離，減小結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下產(chǎn)生的附加扭矩，有效控制了結(jié)構(gòu)自身的扭轉(zhuǎn)因素。同時(shí)，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?yàn)殇摽蚣苤屑尤胫螌?duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度提高效果明顯，使得鋼框架具有比RC框架更大的側(cè)移剛度，在地震荷載作用下，能夠更好地限制結(jié)構(gòu)位移。

3.4 剪力系數(shù)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]GB50011-2010（下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）第5.2.5條規(guī)定，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g的七度區(qū)的最小剪力系數(shù)λ為2.4%。計(jì)算發(fā)現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)形式的最小剪力系數(shù)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(fā)生于第三層，為1/685，Y方向最大層間位移角發(fā)生于第二層，為1/748鋼框架X方向最大層間位移角發(fā)生于第二層，為1/680，Y方向發(fā)生于第三層，為1/1040。層間位移角根據(jù)《抗規(guī)》第5.5.1條規(guī)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(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度更大，結(jié)構(gòu)平均位移值較小，結(jié)構(gòu)層間位移角也較小，在多遇地震下，其能夠更好地限制結(jié)構(gòu)位移，實(shí)現(xiàn)“小震不壞”的抗震要求。

3.6 平面規(guī)則性分析

在考慮偶然偏性影響的規(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最大值出現(xiàn)在RC框架Y方向，該值為1.33，大于規(guī)范限值（限值為1.3），應(yīng)按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]JGJ3-2010（以下簡(jiǎn)稱《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。

3.7 豎向規(guī)則性分析

鋼框架結(jié)構(gòu)各層X(jué)向剛度與上一層X(jué)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1.000～1.60，Y向?yàn)?.000～1.67。RC框架結(jié)構(gòu)該值X向范圍為0.96～2.31，Y向范圍為1.03～2.37，根據(jù)《高規(guī)》第4.5.2條規(guī)定，結(jié)構(gòu)2層為薄弱層。分析數(shù)據(jù)說(shuō)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。

3.8 抗剪承載力驗(yàn)算

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

3.9 整體穩(wěn)定性分析

兩種結(jié)構(gòu)最小剛重比均出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)第二層，值分別為：RC框架X向?yàn)?9.50，Y向?yàn)?9.34，鋼框架X向?yàn)?7.66，Y向?yàn)?6.24，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。

4 結(jié)論

通過(guò)多遇地震作用下，兩種結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析，可以得到以下結(jié)論：支撐-鋼框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度更大，在多遇地震荷載作用下，能夠更好地控制構(gòu)件側(cè)向位移，保證結(jié)構(gòu)的安全性；支撐-鋼框架體系的整體穩(wěn)定性和RC框架體系相當(dāng)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：湯靜]