钢支撑—RC框架结构在医疗建筑中的运用

刘 琳 刘文吉

(长沙职业技术学院，湖南 长沙 410000)

1 概述

RC框架结构是现在运用的比较广泛的结构体系，但是这种结构体系也有一定的弊端，比如受体系布置不合理，填充墙对结构抗侧刚度等因素的影响，很多的RC框架结构比较难实现理想中的强柱弱梁破坏模式，即使通过合理设计与施工，框架结构仍然存在抗震防线单一，缺乏足够冗余度等问题，于是新的建筑设计抗震规范GB 50010—2010中增加了关于钢支撑—混凝土框架结构的设计，一种由钢支撑和框架共同作用组成抗侧力体系的结构。

2 结构布置形式

钢支撑框架应在结构的两个主轴方向同时设置；宜上下连续布置，当受建筑方案影响无法连续布置时，宜在相邻跨延续布置；底层的钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩应大于结构总地震倾覆力矩的50%；钢支撑在平面内的布置应避免导致扭转效应，钢支撑之间无大洞口的楼盖屋盖的长宽比宜符合建筑抗震设计规范6.1.6条对抗震墙间距的要求，楼梯间宜布置钢支撑；钢支撑宜采用交叉支撑，也可采用人字形支撑或V形支撑，采用单支撑时两方向的斜杆应基本对称布置。事实上支撑已经很好的运用到工程实例中。

本文的目的就是对钢支撑框架结构体系和RC框架结构进行对比研究，得出钢支撑框架结构体系的优劣。

3 工程实例

本文选用湖南某医院综合楼作为案例，医院的设计空间布置灵活，层高较高，体块较大等特点，由于医院是重点设防类建筑，是生命线工程，不适宜采用抗震防线单一的纯RC框架结构，而由于其空间布置灵活的要求，不适于采用框架剪力墙结构，于是在前期概念设计，我们考虑采用钢斜撑框架结构，在保证空间布置灵活性的同时增加抗震性能。

3.1 工程概况

某医院综合楼A塔楼，框架结构，下部土质较差，多为填土，场地类别为三类，建筑总高18.80 m，4层层高分别为5.4 m,4.2 m,4.2 m,4.8 m，抗震设防烈度为7度，乙类建筑，重点设防类建筑抗震等级提高一级，框架抗震等级为二级。柱采用C40混凝土，梁板采用C35混凝土，受力主筋采用HRB400级钢筋，钢支撑采用Q345钢，支撑截面采用方形截面，结构平面布置图见图1。

3.2 不同截面尺寸钢支撑的对比分析

首先选用了三种不同截面大小的支撑与原纯RC框架结构进行比较，钢支撑的位置和形式如图1所示，布置原则：从上到下连续布置，两个主轴方向基本对称布置，楼梯间布置。为了方便比较我们使用代号表示，Model0：原RC框架结构；Model1:支撑截面大小为150 mm×150 mm,厚度12 mm；Model2:支撑截面大小为200 mm×200 mm,厚度15 mm；Model3:支撑截面大小为240 mm×240 mm,厚度18 mm。

结构分析设计采用SATWE软件完成。

经过计算分析，对比Model0～Model3的基底剪力、底层刚度、倾覆力矩、抗倾覆力矩、规定水平力钢支撑地震倾覆力矩占总地震倾覆力矩百分比数据(见表1)。

表1 Model0～Model3数据对比

通过表1数据可以看出，设置钢支撑会使结构地震力加大，刚度也会增加，而且随着支撑面积的增加，支撑对整个结构的刚度贡献会递增，地震力也会递增，而基地剪力的增加引起倾覆力矩的加大，但从数据上看，地震力的增幅小于刚度的增幅，且抗倾覆力矩与倾覆力矩比值很大足以抵抗倾覆力矩的作用，由此推测增加钢支撑将有效控制原结构的位移。另一方面规定水平力钢支撑地震倾覆力矩占总地震倾覆力矩百分比随着支撑截面的加大而增加，Model3按刚度分配的地震倾覆力矩已大于结构总地震倾覆力矩的50%，进一步验证了规范的规定。接下来比较Model0～Model3的周期和位移情况(见表2)。

表2 Model0～Model3周期和位移

从表2中可以看出，增加支撑会使结构的周期变短，结构从柔变刚，并且结构的最大层间位移和最大位移角也越来越小，这个结果证实了增加支撑对控制结构的最大位移有显著的作用，Model3的抵抗结构变形能力最强。另一方面，规定水平力钢支撑地震倾覆力矩占总地震倾覆力矩百分比随着支撑截面的加大而增加，Model3按刚度分配的地震倾覆力矩已大于结构总地震倾覆力矩的50%，进一步验证了抗震规范提出钢支撑按刚度分配的地震倾覆力矩以大于结构总地震倾覆力矩的50%的规定。在这里钢支撑起到了类似于剪力墙的作用，能明显改变结构的受力性能，与框架一起形成一种桁架受力体系，有效防止柱子出现剪切压弯和弯曲破坏，从而防止了结构因为变形过大而引发倒塌。

再来对比增加支撑和不加支撑的框架梁柱配筋，通过计算结构我们可以发现，与支撑相连的框架柱配筋增大，其余的框架柱配筋减小，而增加支撑对于框架梁的配筋影响不大。这是因为与支撑相连的框架柱吸收了一部分的地震力，导致其配筋增加，而使得其余框架柱地震力减小，配筋减小。

3.3 不同类型和位置钢支撑的对比分析

增设Model4：将Model3的人字形支撑改为交叉型。Model5：将支撑布置位置改变，数量不变，截面尺寸也同Model3(支撑布置位置见图2)。分析不同形式和不同位置的支撑对结构的影响。

表3 Model3～Model5数据对比

从表3可以看出Model3，Model4，Model5的基底剪力、底层刚度和周期都相差无几，但是Model4的最大位移角明显比Model3要小，而Model5的最大位移角和最大层间位移则大于Model3，所以可以得出交叉型钢支撑对结构体系的抗侧力能力要更强，将斜撑对称、均匀的布置在建筑物外周对控制结构变形更有效的结论。

4 结语

RC框架结构中加入少量钢支撑有两个主要目标：1)改变纯框架结构的受力模式及破坏次序，使得支撑先屈服，提高结构的延性和抗震防倒塌能力；2)增设钢支撑后结构的抗侧刚度增加，导致基底水平剪力增加，所以设置支撑后框架结构的抗侧刚度不能过度增加。

本文基于以上计算研究，主要得到以下结论：

1)在医院、学校等内部空间布置相对灵活的大体块建筑物中设置少量钢结构支撑，对重点设防类建筑布置两道抗侧力防线，达到提高结构延性和抗震防倒塌的能力。

2)钢支撑RC框架结构，相比纯框架结构，对减少结构的变形和位移有比较大的贡献，并且随着钢支撑的截面尺寸的增加而作用更明显，但是研究表明钢支撑会吸收更多的地震力，随着钢支撑的增加会使得地震力加剧，这对结构是一个不利的影响，通过分析提出了钢支撑RC框架结构在规定的水平力作用下，底层的钢支撑部分所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%但不宜超过70%。

3)与钢支撑相连的框架会吸收很大一部分地震力，而其余框架柱的地震力大大减小，所以设计时可以加强与钢支撑相连的框架柱，而减小其余的框架柱，以达到节约成本，扩大可用空间的目的。

4)规范规定钢支撑以外建筑物周边均匀对称布置，上下宜连续布置，但通过计算对比研究，在建筑物外墙布置钢支撑对建筑物立面有影响的时候，则可考虑利用内部隔墙做钢支撑，其抵抗变形的能力虽然比在外部布置有所减弱，但是比纯框架结构还是有很大的提高。

5)采用交叉支撑比人字形支撑更利于抗震。

参考文献:

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