某多层房屋RC框架和支撑—钢框架抗震性能分析

杨涛

【摘 要】采用结构设计软件SATWE 2010计算某建筑采用RC框架体系和支撑-钢框架结构的抗震性能，对两种结构体系在多遇地震下的参数进行比较分析。结果表明：支撑-钢框架体系侧移刚度要大过RC框架体系，位移限值较小；合理布置支撑的钢框架体系能有效抑制结构的扭转效应；支撑-钢框架体系的整体稳定性和RC框架体系相当。

【关键词】RC框架；支撑-钢框架；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 工程概况

1.1 工程场地概况

项目位于四川省广元市剑阁县，属于河东街棚户区改造，根据用地规划，建筑用地近似为一个上底为4.86m，下底长为11.30m，高为42.440m的一个梯形，建筑用地面积为342.59m2。

1.2 工程建筑概况

由于建筑用地的不规则性，框架左侧会采用大量的悬挑梁，建筑平面布置不规则，结构楼层平面刚度分布不对称和结构的刚心与质心位置的偏移，在水平作用下结构承受较大的扭矩。建筑竖向布置沿高度并未发生过大变化。

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立钢筋混凝土框架结构模型和带支撑-钢框架结构体系模型。

2.1 结构设计基本参数

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。

2.2 RC框架材料信息

RC结构框架度混凝土强度等级为C40，框架梁和楼板为C30混凝土。柱、梁纵筋均采用三级钢（即HRB400），箍筋采用φ8的钢筋（HPB300）；楼板中的支座负筋和板底分布筋均采用HPB335级钢筋。

2.3 钢结构构件布置

支撑-钢框架结构构件布置：

钢框架结构中所用柱、梁、支撑（支撑截面尺寸：腹板高度为200mm；厚度为9mm，翼缘宽度200mm，厚度为12mm）采用工字钢，-材等级为Q235；楼板厚度为100mm，采用压型钢板-混凝土浇筑，混凝土强度为C30。

3 结构计算分析

3.1 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0.15g，框架抗震等级为三级，场地土类别为Ⅱ类。

结构设计荷载根据《建筑结构荷载设计规范》[1]GB50009-2012进行布置：楼面活在取值为2.0kN/m2，楼梯活荷载取3.5kN/m2，阳台和餐厅活载2.5kN/m2；屋面不上人，活载取值0.5kN/m2。地面粗糙度为C类，基本风压为0.3MPa。

3.2 结果的计算模型

结构整体计算分析采用SATWE（2010版）软件，分别建立RC框架和支撑-钢框架计算模型。

3.3 结构振型

模态分析中，取12个计算阵型，结果发现：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-钢框架能通过在结构中合理布置支撑来调节质心和刚心位置，减小二者的偏移距离，减小结构在水平荷载作用下产生的附加扭矩，有效控制了结构自身的扭转因素。同时，钢框架前三阶自振周期比RC框架分别减小52%、67%和77%，这主要是因为钢框架中加入支撑对结构侧移刚度提高效果明显，使得钢框架具有比RC框架更大的侧移刚度，在地震荷载作用下，能够更好地限制结构位移。

3.4 剪力系数

根据《建筑抗震设计规范》[2]GB50011-2010（下简称《抗规》）第5.2.5条规定，设计基本地震加速度为0.15g的七度区的最小剪力系数λ为2.4%。计算发现两种结构形式的最小剪力系数λ为2.96满足

3.5 平均位移和最大层间位移

在多遇地震作用下，RC框架X方向最大层间位移角发生于第三层，为1/685，Y方向最大层间位移角发生于第二层，为1/748钢框架X方向最大层间位移角发生于第二层，为1/680，Y方向发生于第三层，为1/1040。层间位移角根据《抗规》第5.5.1条规定：多遇地震作用下，RC框架的层间位移角限值为1/550，多、高层钢框架层间位移角限值为1/250。支撑-钢框架体系结构抗侧刚度更大，结构平均位移值较小，结构层间位移角也较小，在多遇地震下，其能够更好地限制结构位移，实现“小震不坏”的抗震要求。

3.6 平面规则性分析

在考虑偶然偏性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最大值出现在RC框架Y方向，该值为1.33，大于规范限值（限值为1.3），应按照《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]JGJ3-2010（以下简称《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。

3.7 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1.000～1.60，Y向为1.000～1.67。RC框架结构该值X向范围为0.96～2.31，Y向范围为1.03～2.37，根据《高规》第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。

3.8 抗剪承载力验算

钢框架结构各楼层上一层抗与其抗剪承载力之比X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。

3.9 整体稳定性分析

两种结构最小刚重比均出现在结构第二层，值分别为：RC框架X向为19.50，Y向为19.34，钢框架X向为17.66，Y向为76.24，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。

4 结论

通过多遇地震作用下，两种结构的响应分析，可以得到以下结论：支撑-钢框架结构避免了RC框架中的混合振型，更有利于抗震；和RC框架相比，支撑-钢框架结构抗侧刚度更大，在多遇地震荷载作用下，能够更好地控制构件侧向位移，保证结构的安全性；支撑-钢框架体系的整体稳定性和RC框架体系相当。

【参考文献】

[1]GB50009-2012，建筑结构荷载设计规范[S].

[2]JGJ3-2010， 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]GB 50011-2010， 建筑抗震规范[S].

[4]GB 50017-2003， 钢结构设计规范[S].

[5]GB50010-2011， 混凝土结构设计规范[S].

[责任编辑：汤静]