多遇地震作用下钢支撑对RC框架结构的影响研究

吴永河，习会峰，穆建春

（广东石油化工学院建筑工程学院，广东茂名525000）

多遇地震作用下钢支撑对RC框架结构的影响研究

吴永河，习会峰，穆建春

（广东石油化工学院建筑工程学院，广东茂名525000）

为揭示钢支撑对RC框架结构的影响规律，在4、8、12层RC框架结构上后加V型、对角型、X型及大型四种钢支撑，通过ETABS建立结构模型并进行多遇地震作用下的分析。结果表明，钢支撑改变了原结构的变形特性，使结构的刚度、楼层剪力及边柱轴力增大，中柱轴力降低。此外，钢支撑作为主要的抗侧力构件，承担了大部分地震作用，改变了原结构的传力路径，使梁端弯矩降低、梁轴力增大，与支撑相连的基础反力也相应增大。

钢支撑；框架结构；刚度；楼层剪力；结构内力；基础反力

1 引言

采用钢支撑加固RC框架结构，具有费用少、自重轻、布置灵活且基础易于处理等优点[1-5]。近年来国内外学者对钢支撑加固RC框架结构展开了系列研究，H.Ghaffarzadeh等人对内嵌钢支撑的RC框架的侧向刚度、抗侧力及延性性能等方面作了研究[6-9]，A.Massumi和A.A.Tasnimi研究了内嵌交叉支撑与RC框架的不同连接方式对加固性能的影响[10]，Viswanath K. G等人利用有限元程序对内嵌支撑加固RC框架结构进行了抗震性能分析[11]。然而，抗震加固的钢支撑属后加构件，且形式多样，目前在小震作用下钢支撑对RC框架结构的影响研究甚少。基于此，本文在RC框架结构的基础上，分别从后加V型、对角型、X型及大型钢支撑，研究加支撑后RC框架结构在小震作用下的变形性能及内力变化规律，得到了一些有益的结论。

2 研究方案

设原结构为RC框架结构，结构层数考虑4、8、12层三种，分别代表低层、多层及中高层结构，其平面轴网尺寸、层高及混凝土强度等级均相同，结构平面见图1所示，层高3m，强度等级C25，结构构件截面尺寸见表1所示。分别在结构的A、F轴（结构的Y向边榀）后加V型、对角型、X型及大型4种类型的钢支撑，每支撑类型考虑两种形式，钢支撑平面位置见图1所示，立面形式见图2所示（仅列出4层结构的支撑形式）。钢支撑均为Q235钢材，截面为热轧宽翼缘工字钢HW100×100×6×8。各材料物理、力学性能等均按现行国家规范取值[12-13]。结构模型各层楼面恒、活荷载标准值分别为2.5kN/m2、2.0kN/m2，各层框架梁恒荷载均为6kN/m。假设结构位于抗震设防烈度为7度、场地类别为Ⅱ类、地震分组为第1组（0.1g）地区，采用ETABS建立原RC结构及加钢支撑后的结构模型（共27个），采用振型分解反应谱法对各结构模型进行多遇地震作用下的计算。为方便表述，将各结构模型编号如表2所示。

图1 结构平面图(mm)

3 计算结果

图2 支撑形式图(a)V1形；(b)V2形；(c)D1形；(d)D2形；(e)X1形；(f)X2形；(g)MX1形；(h)MX2形

图3 楼层刚度(a)4层；(b)8层；(c)12层

图4 楼层位移(a)4层；(b)8层；(c)12层

图5 楼层剪力(a)4层；(b)8层；(c)12层

图6 C2柱轴力(a)4层；(b)8层；(c)12层

3.1 楼层刚度及结构变形曲线

经ETABS分析得各结构模型的楼层刚度如图3所示，各结构模型在水平地震作用下的变形曲线如图4所示。

表1 结构构件截面尺寸(mm)

表2 结构模型编号

由图3可知，后加钢支撑对4、8、12层结构的楼层刚度影响规律相同，加钢支撑后，结构的楼层刚度均有较明显的增大，后加X型钢支撑的结构刚度最大，后加对角型钢支撑的结构刚度最小，后加V型及大型钢支撑的结构刚度相当，处于中间水平，同一支撑类型的两种支撑形式的结构刚度相差不大。

由图4可知，原4、8、12层RC框架结构在水平地震作用下的变形曲线总体呈剪切形，底部斜率大，顶部斜率小，加钢支撑后，结构变形曲线总体上呈弯剪组合形，后加X型钢支撑的结构楼层位移最小，后加对角型钢支撑的结构楼层位移最大，后加V型及大型钢支撑的结构楼层位移相当，处于中间水平。

3.2 楼层剪力

各模型在水平地震作用下的楼层剪力如图5所示。图5显示，加钢支撑后结构的楼层剪力均明显增大。各类型钢支撑的4层结构的楼层剪力相差很小，但各类型钢支撑的8、12层结构的楼层剪力差别明显，其差别表现为，X型钢支的楼层剪力最大，对角型钢支撑的楼层剪力最小，V形及大型钢支撑的楼层剪力相当，处于中间水平，说明支撑截面相同时，钢支撑类型对低层结构的楼层剪力影响较小，对多层及中高层结构的影响差别较大。4、8、12层结构中，同一支撑类型的两种形式的结构楼层剪力相等，说明同一类型的两种形式钢支撑对楼层剪力的影响相同。

图7 C3柱轴力(a)4层；(b)8层；(c)12层

图8 B21梁端负弯矩(a)4层；(b)8层；(c)12层

图9 B21梁轴力(a)4层；(b)8层；(c)12层

3.3 构件内力

3.3.1 柱内力

（1）C2柱轴力

C2柱属加钢支撑榀的边角柱，其位置如图1所示，水平地震作用下的轴力如图6所示。由图6可知，加钢支撑后，4、8、12层结构C2柱轴力明显增大，尤以8、12层结构增大明显，说明钢支撑对多层及中高层结构的轴力影响大于低层结构。C2柱底层的最大轴力，4层结构出现在4V1模型，8、12层结构出现在后加X型钢支撑的结构模型。4、8、12层结构中，均是后加D1形式钢支撑的结构轴力最小，后加D2形及大型支撑的结构的轴力曲线呈锯齿状。

（2）C3柱轴力

C3柱属加钢支撑榀的中柱，其位置如图1所示，水平地震作用下的轴力如图7所示。由图7可知，加钢支撑后4、8、12层结构C3柱轴力变化规律基本相同，即加钢支撑后柱轴力减少，越往结构底部减少幅度越大，各类型钢支撑结构的轴力减少幅度基本相等。

加钢支撑后C2、C3柱在水平地震作用下的剪力及弯矩变化不大，限于篇幅本文未列出。

3.3.2 梁内力

（1）B21梁端负弯矩

B21梁位置如图1所示，水平地震作用下其左端负弯矩如图8所示。图8显示，加钢支撑后4、8、12层结构梁端弯矩均明显减少，后加X型支撑时减少幅度最大，后加对角型支撑时减少幅度最小，后加V型及大型支撑时梁端弯矩减少幅度相当，相同类型不同形式的钢支撑对梁端弯矩的影响规律亦相当。B21梁右端弯矩的变化规律同左端，梁端剪力变化规律同梁端弯矩，限于篇幅本文均未列出。

（2）B21梁轴力

B21梁在水平地震作用下的轴力如图9所示。由图9可知，加钢支撑后4、8、12层结构的梁轴力变化规律基本相同，即后加V型及D1形钢支撑时结构的梁轴力增大明显，尤以后加D1形支撑的轴力最大，后加其他钢支撑时梁轴力变化较小。

加钢支撑对水平地震作用下B22梁（位置见图1）的内力无影响，限于篇幅本文未列出。

3.3.3 支撑内力

单根钢支撑在水平地震作用下的轴力如图10所示。由图10可知，水平地震作用下钢支撑仅承受轴力，4、8、12层结构的支撑轴力曲线形状相同，X型钢支撑的轴力最小，且两种X形式的钢支撑的轴力相等，其他类型钢支撑的轴力相差不大。

3.4 基础反力

（1）基础Y向反力

C2、C3柱基础在水平地震作用下的Y向反力如图11所示。

由图11(a)可知，凡与支撑相连的C2柱基础的Y向反力均明显增大，V1、D2形支撑不与C2基础相连，其反力与原结构基本相等。D1形式钢支撑框架的反力最大，随着结构层数的增加，反力呈递减趋势；X型及大型钢支撑框架的Y向反力基本相等，受结构层数影响不明显。

由图11(b)可知，凡与支撑相连的C3柱基础的Y向反力均明显增大，V1、D1形式钢支撑不与C3柱基础相连，故基础反力与原结构基本相等。D2形式钢支撑框架反力最大，且与结构层数成反比趋势，X型及大型钢支撑框架反力基本相等，且受结构层数影响不明显。

（2）基础竖向反力

C2、C3柱基础在水平地震作用下的竖向反力如图12所示。

由图12(a)可知，加钢支撑后C2柱基础的竖向反力出现较大增加，增加幅度与结构层数成正比。对角型钢支撑的基础的竖向反力最小，X型钢支撑的反力最大，相同支撑类型的不同形式的钢支撑的基础反力相差不大。由图12(b)可知，后加钢支撑后结构C3基础的竖向反力明显降低，其降低幅度与结构层数成正比。

钢支撑对基础其他方向的反力影响不大，限于篇幅本文本列出。

图10 支撑轴力(a)4层结构；(b)8层结构；(c)12层结构

图11 基础Y向反力(a)C2柱基础；(b)C3柱基础

图12 基础竖向反力(a)C2柱基础；(b)C3柱基础

4 支撑对RC框架的影响分析

4.1 楼层刚度和变形性能

加钢支撑后结构转变为框-撑结构，钢支撑与梁、柱组成三角形几何不变体系，有效地限制了节点的位移，框-撑结构刚度高于原框架结构刚度。X型钢支撑对框架节点的约束强度最大，除顶层节点外，其余节点均受两根支撑的约束，故X型框-撑结构的刚度最大；对角型支撑对节点的约束强度最低，故其刚度最小；V形及大型支撑对节点的约束强度虽然与对角型相当，但其支撑较短，线刚度较大，故V型及大型框-撑结构刚处于X型及对角型框-撑之间。

框-撑结构犹如一竖向悬臂的桁架结构，结构柱相当于桁架的弦杆，钢支撑、结构梁相当于桁架的腹杆，在水平地震作用下，柱子的变形使结构趋于弯曲形状，而梁及支撑的变形使结构趋于剪切形状，最终框-撑结构在水平地震作用下的变形呈弯剪形[14]。

4.2 楼层剪力

X型钢支撑框-撑结构重量、刚度最大，故水平地震作用下的楼层剪力最大，对角型钢支撑框-撑结构重量、刚度最小，故其水平地震作用下的楼层剪力最小，V型及大型支撑框-撑结构的重量及刚度适中，故其水平地震作用下的楼层剪力处于上述两种结构之间。

4.3 构件内力

（1）柱轴力

后加钢支撑改变了原结构的变形特性，框-撑结构在水平地震作用下的变形呈弯剪形，使边柱轴力增大，中柱轴力减少。D2形及大型支撑的传力模式相似，均是将水平地震作用隔层传递至边柱，故边柱轴力曲线呈锯齿状。

（2）梁弯矩及轴力

原结构加上钢支撑后，梁柱节点上的地震作用部分沿梁轴线方向传递，表现为梁轴力，故框-撑结构的梁轴力较原框架结构增大，另一部分地震作用由钢支撑承担，故框-撑结构的梁端弯矩低于原框架结构。

（3）支撑内力

原结构转变为框-撑结构体系后，钢支撑作为主要的抗侧力构件，承担了大部分的水平地震作用，由于支撑与原结构节点铰接，故支撑主要以轴力的形式分担地震作用。

4.4 基础反力

后加的钢支撑具有导荷作用，最终将其承担的水平地震作用传导至与之相连的基础，从而使基础的Y向反力增大，不与钢支撑相连的基础的Y向反力仍由原框架柱传递剪力，故该基础的剪力不受影响。水平地震作用下，钢支撑对基础的竖向反力的影响原理与上述柱轴力的影响原理相同，均是因支撑改变了原结构的刚度及变形特性所致。

5 结论

通过上述分析，可知在本文的设计条件下，钢支撑类型对RC框架结构的影响规律如下。

（1）在原RC框架结构加钢支撑后，结构体系转变为框-撑结构体系，框-撑结构体系的刚度及楼层剪力较原结构有较大的增加。在钢支撑截面相同的条件下，X型钢支的撑框-撑结构刚度最大，对角型钢支撑的框-撑结构刚度最小，V型及大型钢支撑框-撑的结构刚度适中。低层结构的楼层剪力受钢支撑的类型影响较小，多层及中高层的楼层剪力受钢支撑类型影响较大。

（2）RC框架结构转变为框-撑结构后，在水平地震作用下的变形特性由剪切形转变为弯剪形，结构底部以弯曲变形为主，顶部以剪切变形为主，该变形方式虽对抗震有利，但该变形特性也导致了加支框榀框架的边柱轴力增大而中柱轴力减少。

（3）各类型钢支撑均改变了原RC框架结构在水平地震作用下的传力路径，水平地震作用下，钢支撑作为第一道防线，承担了大部分的地震作用，使原结构框架梁端弯矩明显降低，但V型及D1形钢支撑框-撑结构的梁轴力增大明显，特别是D1形尤甚，此外，由于钢支撑的导荷作用，D2形及大型钢支撑会造成边柱的轴力沿楼层高度方向发生隔层突变。

（4）在钢支撑截面相同的条件下，单根X型钢支撑承担的水平地震作用最小，其他类型钢支撑承担水平地震作用相当，但均大于X型，故在抗震加固时，X型支撑可比其他类型支撑的截面尺寸小。

（5）在加支框榀的框架中，仅与基础相连的支撑才影响基础的反力，与支撑相连的基础反力会增加，D型支撑对基础反力影响最大，加支撑后，加支撑榀的边柱基础的竖向反力会明显增加，而中柱基础竖向反力会明显减小。

[1]L.Di Sarno，G.Manfredi，Seismic assessment of a RC school building retrofitted with innovative braces[M]. Taylor&Francis Group，London，2009.

[2]Mu jianchun，Wu yonghe.Applied study of section steel-concrete combination strengthening method and externalbracing method in seismic strengthening[C].International Conference on Earthquake Engineering the 1st Anniversary of Wenchuan Earthquake，2009.

[3]吴永河，习会峰，李胜强，等.混凝土框架上钢框架增层的抗震加固设[J].建筑结构，2010：25-29.

[4]李中军，张金库，宋环宇.某高校行政主楼加固设计[J].结构工程师，2010，4（2）：146-149.

[5]吴清波.上海中奥电梯研发中心结构加层设计与施工关键技术研究[J].结构工程师，2010，8(4)：120-124.

[6]H.Ghaffarzadeh，M.R.Maheri，Cyclic Tests on the Internally Braced RC Frames[J].JSEE:Fall 2006，Vol.8，and No.3，177-186.

[7]H.Ghaffarzadeh，Mahmoud R.Maheri，Capacity interaction between the steelbracing and concrete frame[C]. The 7th International Congress on Civil Engineering.Istanbul，Turkey，2006.

[8]M.A.Youssef，H.Ghaffarzadeh，M.Nehdi，Seismic performance of RC frames with concentric internal steel bracing[J].Engineering Structures 29(2007)：1561-1568.

[9]范苏榕.钢支撑加固钢筋混凝土框架结构的试验研究[D].南京：南京工业大学，2002.

[10]A.Massumi，A.A.Tasnimi，Strengthening of low ductile reinforced concrete frames using steel X-bracings with different details[C].The 14th World Conference on Earthquake Engineering，Beijing，China，2008.

[11]Viswanath K.G，Prakash K.B.，Anant Desai，Seismic Analysis of Steel Braced Reinforced Concrete Frames [J].International Journal of Civil and Structure Engineering，2010，1(1):112-114.

[12]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[13]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[14]A.库尔.高层建筑结构分析与设计[M].陈瑜，龚炳年，等，译校.北京：地震出版社.1993.

责任编辑：孙苏，李红

Study on Effectof Steel Brace on RC Frames in Frequently Occurred Earthquake

For the purpose of revealing the effect rule of steelbrace on RC frames，four shapes ofsteelbrace，i.e.V-shape，diagonal-shape，X-shape and large one，are applied in RC frames on the 4F，8F and 12F respectively to build structuralmodeland conducteffectanalysis under frequently occurred earthquake circumstance through ETABS.The results show thatthe steelbrace changes the deformation characteristics of the originalstructure，increases its rigidity，storey shear force and shaft force of the side pillar and decreases shaftforce of the center pillar.Furthermore,as a major lateralresisting element，the steelbrace changes the force-transferring path ofthe originalstructure，lowers the bending momentofbeam end and increases beam's shaft force，thus foundation reaction connecting with brace increases accordingly.

steelbrace;frame;stiffness;storey shearforce;structuralinternalforce;foundation reaction

TU398

A

1671-9107（2013）05-0018-05

基金论文：该文为广东科技计划项目（2011A030200016）论文成果。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.05.018

2013-04-09

吴永河（1975-），男，广东茂名人，研究生，讲师，主要从事工程抗震与加固改造等研究。