框架柱截面对结构抗震性能的影响

2012-08-20姜拥军徐勇高嵩

山西建筑 2012年25期

姜拥军徐勇高嵩

(大连市建筑设计研究院有限公司，辽宁大连 116021)

1 概述

框架结构是多层及低烈度的小高层民用建筑中常用的一种结构体系。针对小震不坏，中震可修，大震不倒的抗震设防目标，提出了延性框架的设计要求。柱是框架结构的竖向构件，地震时柱的破坏比梁更容易引起框架的倒塌，因为梁破坏仅是某个区域失效，而柱破坏了将可能导致建筑物整体倾覆。框架柱的破坏形态直接影响柱的延性及耗能性能，由于框架柱有轴力作用，因此，柱的剪跨比、轴压比、箍筋的配置及剪压比都是影响破坏形态的主要因素。

框架结构框架柱截面的尺寸是否合适，直接影响该结构的动力特性和位移特性。因此，在结构设计阶段如何选择经济合理的框架柱截面，保证框架柱的安全，避免结构的连续倒塌，是结构设计的重点。

2 计算模型的建立

两个不同平面布置的多层钢筋混凝土框架结构，采用SATWE对结构进行计算分析，从而了解框架柱截面不同对结构抗震性能的影响。

该工程设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，Ⅱ类场地，设计基本风压0.60 kN/m2。楼、屋盖采用现浇钢筋混凝土楼板，框架柱的混凝土强度等级为C30，框架梁的混凝土强度等级为C20，主筋为HRB335级。结构共5层，层高均为4.8 m。

模型一、模型二(A)～(E)框架结构的平面柱网布置分别如图1，图2所示。框架截面尺寸边梁为350×600，中间梁为350×700。

图1 模型一框架结构平、立面示意图

图2 模型二（A）～（E）框架结构平、立面示意图

3 计算结果的分析

表1 模型一、二(A)框架柱的截面尺寸

表2 基本周期计算结果

表3 地震作用下最大扭转位移比计算结果

模型一、二(A)的框架柱的截面尺寸详见表1。采用SATWE对结构进行计算分析，模型一、二的计算分析结果详如表2，表3所示。

3.1 框架柱截面尺寸与结构抗扭承载力的关系

不规则多高层建筑结构由于质量中心和刚度中心偏离，在水平荷载作用下就会产生扭转耦联。震害表明结构扭转是导致建筑结构破坏的主要因素之一，结构规则性可从结构自振特性中的振型及其相应的振型方向因子来判别。

模型一的第一振型为横向平动，第二振型为纵向平动，第三振型为扭转振动。模型二(A)的第一振型为扭转振动，第二振型为横向平动，第三振型为纵向平动。由于模型二(A)的第一振型出现扭转振型，而模型一的前两个振型均为平动振型，第三振型出现扭转振型，因此模型二(A)结构抗扭转能力不如模型一，长宽比加大不利于结构抗震。

模型二(B)是在模型二(A)的基础上将首层边柱截面尺寸由450×450改为550×550，模型二(B)第一、二振型改为平动振型，第三振型为扭转振型。模型二(D)是在模型二(A)的基础上将四层边柱截面由350×350改为400×400，根据计算结果可以看出第一振型由原扭转振型改为平动振型，第二振型为扭转振型，第三振型为平动振型。

然而，模型二(C)是在模型二(A)的基础上将首层中柱截面由650×650改为750×750，模型二(E)是在模型二(A)的基础上将四层中柱截面由450×450改为550×550，根据计算结果，第一振型同模型二(A)仍为扭转振型，并无根本性改变。

由此可见，适当加大边柱的截面尺寸，尤其是适当增加结构底部边柱截面尺寸，对于增加结构的抗扭刚度，提高结构的抗扭能力是非常有效的。增加结构上部边柱截面，虽也可以一定程度提高结构的抗扭能力，但是其提高程度远没有增加结构底部边柱截面尺寸有效。对于增加结构中柱截面尺寸，无论是下部还是上部，基本效果非常不明显。

3.2 周期比与结构规则性的关系

地震作用对结构的破坏与结构的扭转反应大小有直接关系，扭转反应的大小又与地震的频率、地震扭转振动分量以及结构的自身性能等有关。

结构的自振周期反映了结构自身的性能，其中扭转周期的相对大小反映了结构抗扭刚度的大小。在地震作用下，扭转周期相对较长结构的扭转刚度较小，其扭转反应通常会较大，抗震性能较差。因此，《高层建筑混凝土结构技术规程》规定结构扭转周期与平动周期的比值要求。

模型二(A)的周期比Tt/T1=0.999，模型二(F)是在模型二(A)的基础上，各层的边柱截面尺寸均改为700×700，其结构周期比Tt/T1=0.943，因此，通过加大结构边柱的截面尺寸，可以使结构的抗震性能大大改善。模型二(G)是在模型二(A)的基础上，各层的角柱截面尺寸改为700×700，其结构周期比Tt/T1=0.893，因此，有时仅增加角柱的截面尺寸，对于改善结构的抗震性能效果可能更明显。

由此可见，应在尽量提高抗扭刚度的基础上，减小平移刚度，通过加大建筑周边框架柱的截面，以提高结构的抗扭刚度。抗震设计中应采取措施减小周期比Tt/T1值，并应尽量避免一阶扭转周期Tt接近或超过一阶平动周期T1。建筑结构在地震作用下的扭转振动是难以避免的，这是由于地面的扭转运动，建筑物质量分布的不均匀等因素引起的。周期是结构自身固有的特性，满足规范对周期比的限制，可以采用降低结构的平移刚度，使结构平移周期加长;提高结构的抗扭刚度，改善结构的抗扭性能。

3.3 位移比与结构规则性的关系

根据模型二(A)的计算结果，如果不附加5%的偶然偏心距，其结构X，Y向的最大扭转位移比均为1.0。然而，模型二(A)如果考虑附加5%的偶然偏心距后，Y向位移比为1.29大于1.2，不满足规范要求。

由此可见，一个规则且平面刚度布置均匀的结构也可能位移比不满足要求，其主要原因是由于考虑了5%的偶然偏心距，在地震作用下，规则结构也会出现较大的扭转变形。根据模型二(F)，(G)的计算结果，控制位移比同样可以采取加大结构周边框架柱的截面尺寸，提高结构的抗扭刚度。

在抗震规范中，扭转不规则结构的定义是按刚性楼盖计算“楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)，大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍。”但是，在只考虑单向地震作用和单向水平地震作用附加偶然偏心影响两种情况地震作用下求得的位移比，会出现不同的结果。

在考虑偶然偏心的水平地震作用下，每楼层质心处都存在水平扭矩作用，严格意义上的对称结构，也将会产生扭转作用，当对称结构或接近对称的结构扭转刚度较弱，扭转周期较长时，有可能产生较大的扭转位移，导致楼层最大弹性水平位移(或层间位移)大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍。长宽比大的结构(如模型二(A))，其位移比更容易超过规定限值。因为长宽比愈大的结构，受附加偏心距的影响也愈大，扭转效应也愈大。