某多层RC框架和支撑—钢框架抗震性能分析★

谢朝阳

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010)

1 工程概况

1.1 工程场地概况

该建筑位于广元市，该建筑面积共计2 283.3 m2，建筑总高度为24.000 m，屋面防水等级为二级，设计合理使用年限为50年。建筑框架墙体采用空心页岩砖砌筑，墙厚200 mm。

1.2 建筑平面布置

该建筑平面尺寸为42 400 mm×9 000 mm，1层～5层为一梯四户，1层～5层有A，B两种户型;6层和跃层布置为C，D两种户型，建筑平面布置不对称。而且由于场地不规则性，在架构设计中会采用大量的悬挑梁。平面布置的不对称性造成了结构楼层平面刚度分布不对称和结构刚心与质心位置的偏移，在水平作用下结构构件承受较大的扭矩(见图1)。

图1 建筑平面布置图

1.3 建筑立面布置

建筑总高度21 m，1层～7层沿高度方向在尺寸上并未出现较大变化，只有屋盖采用了坡屋面和平屋面两种形式，立面尺寸上发生了较大变化。就整体来看，整个建筑的立面布置均匀合理，利于结构设计。

2 主体结构设计

针对同一建筑，采用PKPM结构设计软件分别建了钢筋混凝土框架结构体系模型、钢框架结构体系模型和带支撑—钢框架结构体系模型。

2.1 RC框架构建布置

RC框架柱平面布置图见图2，标准层钢构件平面布置图见图3。

2.2 钢结构构件布置

支撑—钢框架结构构件布置。该钢框架结构中所用构件均采用工字钢(截面尺寸见表1)，钢材等级均为Q2235;楼板厚度为100 mm，采用混凝土浇筑，混凝土强度为C30。布置支撑目的:1)中震或大震作用下，支撑首先屈服，耗散部分地震能量，保护其他结构构件;2)在框架外围合理布置支撑(见图4)，能有效地抑制结构在水平作用下的扭转效应;3)由于地形限制，结构中出现大量悬挑构件，使得某些柱承受轴力很大，支撑能分担同节点的部分柱轴力。

图2 RC框架柱平面布置图

图3 标准层钢构件平面布置图

图4 支撑布置平面图

表1 钢框架支撑截面尺寸 mm

3 结构计算分析

3.1 地震作用下整体计算分析

3.1.1 结构计算参数

该建筑设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，基础设计等级为丙级。本工程抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值为0.05g，框架抗震等级为三级，场地土类别为Ⅱ类，地震最大影响系数为 0.08。楼面恒载 2.0 kN/m2，卫生间和楼梯恒载6.0 kN/m2，取活荷载为 2.0 kN/m2;楼面活载取值为 2.0 kN/m2，楼梯活荷载取3.5 kN/m2，阳台和餐厅活载2.5 kN/m2;屋面不上人，恒载取值 4.0 kN/m2，活载取值 0.5 kN/m2。地面粗糙度为C 类，基本风压为0.3 MPa。

3.1.2 结果的计算模型

结构整体计算分析采用SATWE软件，模型见图5。

3.2 结构参数分析

3.2.1 结构振型与周期比

图5 结构计算模型图

表2列出了RC框架和带支撑—钢框架结构前三个振型的各项参数。根据JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程(以下简称《高规》)［3］中5.1.13条中第二款规定对 B及建筑高度的高层建筑和复杂高层建筑，“计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%”。钢筋混凝土框架的第一振型和第二振型主要是平动，第三振型主要是扭转，但是结构第二、三振型均为平动扭转混合振型，在地震作用下可能会发生平扭耦合现象，不利于结构抗震。钢框架第一、二振型均为平动，第三振型为扭转，各振型质量参与系数均大于0.9，尽量避免结构在水平荷载作用下产生附加扭矩。支撑—钢框架体系周期比满足《高规》第3.4.5条的规定，而钢筋混凝土框架体系的周期比超过限值。

表2 结构振型参数

3.2.2 最小剪力系数λ

由SATWE计算得出两种结构体系的最小剪力系数如表3所示，由此可见两种结构体系的最小剪力系数λ均满足《抗规》［4］第5.2.5 条规定。

表3 结构最小剪力系数λ %

3.2.3 平均位移和最大层间位移

两类结构在地震荷载下层间位移角均满足《抗规》5.5.1条规定。支撑—钢框架结构抗侧刚度更大，能够更好地限制结构位移，保证结构安全性(见表4，图6)。

表4 地震荷载作用下的最大层间位移角

图6 最大层间位移角

3.2.4 平面规则性分析

在考虑偶然偏心影响的规定水平地震荷载作用下，两类结构竖向构件最大弹性层间位移和平均层间位移之比见表5。RC框架Y向该值大于规范限值(1.3)，应按照《高规》第3.4.5条进行调整。两类结构比较，钢框架平面规则性好于RC框架。

表5 最大层间位移与层间平均位移的比值

3.2.5 竖向规则性分析

钢框架结构各层X向刚度与上一层X向侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者的范围为1.000～1.604 6，Y 向为 1.000 ～1.664 9。RC 框架结构该值 X 向范围为0.969 7 ～2.307 8，Y 向范围为 1.032 6 ～2.360 4，根据《高规》4.5.2条规定，结构2层为薄弱层。分析数据说明，钢框架结构竖向布置更加规则，避免了结构薄弱层的出现，在地震荷载作用下更不易出现局部楼层的严重破坏。

3.2.6 抗剪承载力验算

钢框架结构各楼层上一层抗剪承载力与其抗剪承载力之比X向范围0.81～1.34，Y 向范围 0.95 ～1.16。RC 框架该比值 X 向范围0.88 ～1.30，Y 向范围1.08 ～1.30。两类结构均满足《高规》第5.1.14 条规定。

3.2.7 整体稳定性分析

结构最小刚重比见表6，均满足《高规》第5.4.4条规定，两类结构的结构稳定性相当。之所以带支撑—钢框架结构Y方向刚重比比X方向刚重比大很多，是因为结构中支撑大多横向布置，大大提高了结构Y方向的刚度。

表6 最小刚重比

综上所述，支撑—钢框架结构抗侧刚度更大，在多遇地震作用下，能够更好地控制构件侧向位移。

3.3 结构时程分析

结构时程反应分析应用软件SAP2000非线性时程分析，考虑几何P—Δ效应，采用EL-centro地震波(峰值加速度为341.7 cm/s2，波谱见图7)。

图7 EL-centro地震波谱图

两类结构在地震荷载作用下，结构顶层峰值位移大致相等，见表7。由于RC框架结构在前期地震荷载作用下出现大量塑性铰，结构抗侧刚度比钢框架结构下降得快，顶层平均位移比钢框架结构大。

表7 地震荷载作用下结构顶层最大位移 mm

4 结语

在地震荷载作用下，和RC框架结构相比，支撑—钢框架结构具有以下特点:

1)支撑结构侧移刚度较大，能够更好地限制其侧向位移，避免结构的非构件破坏;

2)结构竖向布置更规则，避免出现薄弱层，防止结构在多遇地震作用下产生局部楼层破坏。

［1］GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［2］GB 50010-2011，混凝土结构设计规范［S］.

［3］JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［4］GB 50011-2010，建筑抗震规范［S］.

［5］杨聪武，冯 铭，曹志丹，等.碧罗雪山大酒店结构设计［J］.建筑结构，2013，21(43):42-46.

［6］张辉东，王元丰.基于能量指标的高层钢结构动力弹塑性抗震能力研究［J］.土木工程学报，2012，6(45):65-73.