斜撑对混凝土框架抗震性能影响的分析

曹建兴，唐天国

(四川大学建筑与环境学院，四川成都610065)

建筑结构的抗震性能日益引起人们的重视，目前常用的抗震方法有隔震、耗能、多道设防[2]。在传统框架结构中增设斜撑可以提高结构的刚度及受力性能，同时相当于增加一道抗震设防，在地震作用中可优先破坏达到耗能的目的，提高结构的防倒塌能力。增设斜撑也可作为建筑加固的措施，增加原有结构的可靠度，以及改善梁柱节点的受力性能[3],但同时也会对小部分构件产生不利影响，进行加固时应考虑到所有构件的受力情况。斜撑结构对建筑的空间布置有一定的影响，需根据建筑设计决定是否采用斜撑。

1 结构分析模型、分析方法以及地震波的选择

本文采用一简单的5层建筑作为纯框架分析模型，在外层框架的边跨增设斜撑作为斜撑框架分析模型，具体结构简图见图1,ANSYS模型图见图2，模型参数见表1。利用ANSYS对两个模型进行模态分析及地震弹性时程分析。为更好的论证斜撑对框架抗震性能的影响，本文选择天津波、迁安波两组实际地震记录作地震模拟[4](见表2)。

表1 模型计算参数

表2 地震波主要参数

(a)平面布置图

(b)南立面

(c)东立面图1 斜撑框架布置

(a)传统框架结构模型

(b)增设斜撑后结构模型图2 ANSYS模型

2 结构分析结果

2.1 模态分析

两种结构通过模态分析所得的前六阶自振周期如表3所示。由表中数据可知增设斜撑后结构的自振周期大幅减小。以扭转为主的第一自振周期Tt与以平动为主的第一周期T1之比为框架：Tt/T1=0.5274/0.6101=0.86；斜撑：Tt/T1=0.2323/0.3996=0.58。由此可知在建筑四角设置斜撑对增加建筑抗扭转刚度效果显著。

表3 结构自振周期 s

2.2 弹性时程分析

2.2.1 楼层位移

在正常使用条件下限制建筑结构层间位移的主要目的有两点：(1)保证主结构基本处于弹性受力状态；(2)保证填充墙、隔墙和幕墙等非结构构件的完好[5]。通过时程分析得出两种模型分别在天津波和迁安波作用下的最大楼层位移(见图3)。通过数据可知天津波作用下框架结构的最大层间位移为14.0 mm(发生在第一层)，斜撑结构的最大层间位移为3.4 mm(发生在第一层)；迁安波作用下框架结构的最大层间位移为1.9 mm(发生在第一层)，斜撑结构的最大层间位移为1.1 mm(发生在第一层)。由分析可知斜撑对减小楼层位移，提高结构可靠性有很明显的作用。

(a)x向楼层位移

(b)y向楼层位移图3 最大楼层位移

2.2.2 构件受力

由于增设了斜撑使得结构刚度增大，所受地震力也会增大，并且斜撑的设置会改变相邻梁柱的受力情况。本文提取两种模型的1-A柱和5-B柱柱底受力情况来进行比较分析(见表4)。由分析结果可以看出增设斜撑后与斜撑相连的柱(1-A)弯矩有大幅的减小，同时剪力和轴力又有大幅的增强，而与斜撑不相邻的柱(5-B)轴力、剪力、弯矩均有大幅的减少。在使用斜撑增强建筑抗震性能时会对与斜撑相连的梁柱受力产生一定的不利影响，设计时应适当增加其尺寸，尤其要重视柱的抗剪设计。

表4 地震作用下构件的受力

3 结论

本文通过对一框架结构及其增设斜撑后的结构进行分析，分析结果表明：

(1)增设斜撑后结构的刚度有很大的增强，并且由于是在建筑四周增加的斜撑，建筑抗扭刚度的增强尤为明显；

(2)增设斜撑后结构的楼层最大位移、层间位移都大幅减小，增加了结构的可靠性；

(3)增设斜撑后与斜撑不相连的柱受力情况有很大改善，但同时对与斜撑相连的构件会有不利影响，在进行设计时应注意对这部分构件进行加强；

(4)增设斜撑后梁柱节点的受力将更为复杂，设计时应特别注意节点的抗震设计； (5)增设斜撑后节点处钢筋布置更加困难，施工时应对节点的质量重点监控。

[1] 林儆，崇燕，张柏林.钢筋混凝土框架斜撑结构体系抗震分析[J].建筑科学,2013,29(5):60-64

[2] 和佳一.浅谈高层建筑结构抗震设计[J].中国新技术新产品，2011，(12)：156

[3] 朱彦鹏，李复炫.钢筋混凝土十字节点斜撑法加固的数值分析[J].低温建筑技术，2012，(5)：38-40

[4] 王博，潘文，崔辉辉，等.弹性时程分析时地震波选用的一种方法[J].河南科学，2010，28(8)：971-974

[5] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S]

[6] 慕欣，吴秀红.某框剪结构的弹性时程分析[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2010，10(1)：7-9