吳永河，習(xí)會峰，穆建春

（廣東石油化工學(xué)院建筑工程學(xué)院，廣東茂名525000）

多遇地震作用下鋼支撐對RC框架結(jié)構(gòu)的影響研究

吳永河，習(xí)會峰，穆建春

（廣東石油化工學(xué)院建筑工程學(xué)院，廣東茂名525000）

為揭示鋼支撐對RC框架結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，在4、8、12層RC框架結(jié)構(gòu)上后加V型、對角型、X型及大型四種鋼支撐，通過ETABS建立結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行多遇地震作用下的分析。結(jié)果表明，鋼支撐改變了原結(jié)構(gòu)的變形特性，使結(jié)構(gòu)的剛度、樓層剪力及邊柱軸力增大，中柱軸力降低。此外，鋼支撐作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)了大部分地震作用，改變了原結(jié)構(gòu)的傳力路徑，使梁端彎矩降低、梁軸力增大，與支撐相連的基礎(chǔ)反力也相應(yīng)增大。

鋼支撐；框架結(jié)構(gòu)；剛度；樓層剪力；結(jié)構(gòu)內(nèi)力；基礎(chǔ)反力

1 引言

采用鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)，具有費用少、自重輕、布置靈活且基礎(chǔ)易于處理等優(yōu)點[1-5]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)展開了系列研究，H.Ghaffarzadeh等人對內(nèi)嵌鋼支撐的RC框架的側(cè)向剛度、抗側(cè)力及延性性能等方面作了研究[6-9]，A.Massumi和A.A.Tasnimi研究了內(nèi)嵌交叉支撐與RC框架的不同連接方式對加固性能的影響[10]，Viswanath K. G等人利用有限元程序?qū)?nèi)嵌支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能分析[11]。然而，抗震加固的鋼支撐屬后加構(gòu)件，且形式多樣，目前在小震作用下鋼支撐對RC框架結(jié)構(gòu)的影響研究甚少?；诖?，本文在RC框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別從后加V型、對角型、X型及大型鋼支撐，研究加支撐后RC框架結(jié)構(gòu)在小震作用下的變形性能及內(nèi)力變化規(guī)律，得到了一些有益的結(jié)論。

2 研究方案

設(shè)原結(jié)構(gòu)為RC框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層數(shù)考慮4、8、12層三種，分別代表低層、多層及中高層結(jié)構(gòu)，其平面軸網(wǎng)尺寸、層高及混凝土強度等級均相同，結(jié)構(gòu)平面見圖1所示，層高3m，強度等級C25，結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸見表1所示。分別在結(jié)構(gòu)的A、F軸（結(jié)構(gòu)的Y向邊榀）后加V型、對角型、X型及大型4種類型的鋼支撐，每支撐類型考慮兩種形式，鋼支撐平面位置見圖1所示，立面形式見圖2所示（僅列出4層結(jié)構(gòu)的支撐形式）。鋼支撐均為Q235鋼材，截面為熱軋寬翼緣工字鋼HW100×100×6×8。各材料物理、力學(xué)性能等均按現(xiàn)行國家規(guī)范取值[12-13]。結(jié)構(gòu)模型各層樓面恒、活荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為2.5kN/m2、2.0kN/m2，各層框架梁恒荷載均為6kN/m。假設(shè)結(jié)構(gòu)位于抗震設(shè)防烈度為7度、場地類別為Ⅱ類、地震分組為第1組（0.1g）地區(qū)，采用ETABS建立原RC結(jié)構(gòu)及加鋼支撐后的結(jié)構(gòu)模型（共27個），采用振型分解反應(yīng)譜法對各結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行多遇地震作用下的計算。為方便表述，將各結(jié)構(gòu)模型編號如表2所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖(mm)

3 計算結(jié)果

圖2 支撐形式圖(a)V1形；(b)V2形；(c)D1形；(d)D2形；(e)X1形；(f)X2形；(g)MX1形；(h)MX2形

圖3 樓層剛度(a)4層；(b)8層；(c)12層

圖4 樓層位移(a)4層；(b)8層；(c)12層

圖5 樓層剪力(a)4層；(b)8層；(c)12層

圖6 C2柱軸力(a)4層；(b)8層；(c)12層

3.1 樓層剛度及結(jié)構(gòu)變形曲線

經(jīng)ETABS分析得各結(jié)構(gòu)模型的樓層剛度如圖3所示，各結(jié)構(gòu)模型在水平地震作用下的變形曲線如圖4所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸(mm)

表2 結(jié)構(gòu)模型編號

由圖3可知，后加鋼支撐對4、8、12層結(jié)構(gòu)的樓層剛度影響規(guī)律相同，加鋼支撐后，結(jié)構(gòu)的樓層剛度均有較明顯的增大，后加X型鋼支撐的結(jié)構(gòu)剛度最大，后加對角型鋼支撐的結(jié)構(gòu)剛度最小，后加V型及大型鋼支撐的結(jié)構(gòu)剛度相當(dāng)，處于中間水平，同一支撐類型的兩種支撐形式的結(jié)構(gòu)剛度相差不大。

由圖4可知，原4、8、12層RC框架結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的變形曲線總體呈剪切形，底部斜率大，頂部斜率小，加鋼支撐后，結(jié)構(gòu)變形曲線總體上呈彎剪組合形，后加X型鋼支撐的結(jié)構(gòu)樓層位移最小，后加對角型鋼支撐的結(jié)構(gòu)樓層位移最大，后加V型及大型鋼支撐的結(jié)構(gòu)樓層位移相當(dāng)，處于中間水平。

3.2 樓層剪力

各模型在水平地震作用下的樓層剪力如圖5所示。圖5顯示，加鋼支撐后結(jié)構(gòu)的樓層剪力均明顯增大。各類型鋼支撐的4層結(jié)構(gòu)的樓層剪力相差很小，但各類型鋼支撐的8、12層結(jié)構(gòu)的樓層剪力差別明顯，其差別表現(xiàn)為，X型鋼支的樓層剪力最大，對角型鋼支撐的樓層剪力最小，V形及大型鋼支撐的樓層剪力相當(dāng)，處于中間水平，說明支撐截面相同時，鋼支撐類型對低層結(jié)構(gòu)的樓層剪力影響較小，對多層及中高層結(jié)構(gòu)的影響差別較大。4、8、12層結(jié)構(gòu)中，同一支撐類型的兩種形式的結(jié)構(gòu)樓層剪力相等，說明同一類型的兩種形式鋼支撐對樓層剪力的影響相同。

圖7 C3柱軸力(a)4層；(b)8層；(c)12層

圖8 B21梁端負(fù)彎矩(a)4層；(b)8層；(c)12層

圖9 B21梁軸力(a)4層；(b)8層；(c)12層

3.3 構(gòu)件內(nèi)力

3.3.1 柱內(nèi)力

（1）C2柱軸力

C2柱屬加鋼支撐榀的邊角柱，其位置如圖1所示，水平地震作用下的軸力如圖6所示。由圖6可知，加鋼支撐后，4、8、12層結(jié)構(gòu)C2柱軸力明顯增大，尤以8、12層結(jié)構(gòu)增大明顯，說明鋼支撐對多層及中高層結(jié)構(gòu)的軸力影響大于低層結(jié)構(gòu)。C2柱底層的最大軸力，4層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在4V1模型，8、12層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在后加X型鋼支撐的結(jié)構(gòu)模型。4、8、12層結(jié)構(gòu)中，均是后加D1形式鋼支撐的結(jié)構(gòu)軸力最小，后加D2形及大型支撐的結(jié)構(gòu)的軸力曲線呈鋸齒狀。

（2）C3柱軸力

C3柱屬加鋼支撐榀的中柱，其位置如圖1所示，水平地震作用下的軸力如圖7所示。由圖7可知，加鋼支撐后4、8、12層結(jié)構(gòu)C3柱軸力變化規(guī)律基本相同，即加鋼支撐后柱軸力減少，越往結(jié)構(gòu)底部減少幅度越大，各類型鋼支撐結(jié)構(gòu)的軸力減少幅度基本相等。

加鋼支撐后C2、C3柱在水平地震作用下的剪力及彎矩變化不大，限于篇幅本文未列出。

3.3.2 梁內(nèi)力

（1）B21梁端負(fù)彎矩

B21梁位置如圖1所示，水平地震作用下其左端負(fù)彎矩如圖8所示。圖8顯示，加鋼支撐后4、8、12層結(jié)構(gòu)梁端彎矩均明顯減少，后加X型支撐時減少幅度最大，后加對角型支撐時減少幅度最小，后加V型及大型支撐時梁端彎矩減少幅度相當(dāng)，相同類型不同形式的鋼支撐對梁端彎矩的影響規(guī)律亦相當(dāng)。B21梁右端彎矩的變化規(guī)律同左端，梁端剪力變化規(guī)律同梁端彎矩，限于篇幅本文均未列出。

（2）B21梁軸力

B21梁在水平地震作用下的軸力如圖9所示。由圖9可知，加鋼支撐后4、8、12層結(jié)構(gòu)的梁軸力變化規(guī)律基本相同，即后加V型及D1形鋼支撐時結(jié)構(gòu)的梁軸力增大明顯，尤以后加D1形支撐的軸力最大，后加其他鋼支撐時梁軸力變化較小。

加鋼支撐對水平地震作用下B22梁（位置見圖1）的內(nèi)力無影響，限于篇幅本文未列出。

3.3.3 支撐內(nèi)力

單根鋼支撐在水平地震作用下的軸力如圖10所示。由圖10可知，水平地震作用下鋼支撐僅承受軸力，4、8、12層結(jié)構(gòu)的支撐軸力曲線形狀相同，X型鋼支撐的軸力最小，且兩種X形式的鋼支撐的軸力相等，其他類型鋼支撐的軸力相差不大。

3.4 基礎(chǔ)反力

（1）基礎(chǔ)Y向反力

C2、C3柱基礎(chǔ)在水平地震作用下的Y向反力如圖11所示。

由圖11(a)可知，凡與支撐相連的C2柱基礎(chǔ)的Y向反力均明顯增大，V1、D2形支撐不與C2基礎(chǔ)相連，其反力與原結(jié)構(gòu)基本相等。D1形式鋼支撐框架的反力最大，隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，反力呈遞減趨勢；X型及大型鋼支撐框架的Y向反力基本相等，受結(jié)構(gòu)層數(shù)影響不明顯。

由圖11(b)可知，凡與支撐相連的C3柱基礎(chǔ)的Y向反力均明顯增大，V1、D1形式鋼支撐不與C3柱基礎(chǔ)相連，故基礎(chǔ)反力與原結(jié)構(gòu)基本相等。D2形式鋼支撐框架反力最大，且與結(jié)構(gòu)層數(shù)成反比趨勢，X型及大型鋼支撐框架反力基本相等，且受結(jié)構(gòu)層數(shù)影響不明顯。

（2）基礎(chǔ)豎向反力

C2、C3柱基礎(chǔ)在水平地震作用下的豎向反力如圖12所示。

由圖12(a)可知，加鋼支撐后C2柱基礎(chǔ)的豎向反力出現(xiàn)較大增加，增加幅度與結(jié)構(gòu)層數(shù)成正比。對角型鋼支撐的基礎(chǔ)的豎向反力最小，X型鋼支撐的反力最大，相同支撐類型的不同形式的鋼支撐的基礎(chǔ)反力相差不大。由圖12(b)可知，后加鋼支撐后結(jié)構(gòu)C3基礎(chǔ)的豎向反力明顯降低，其降低幅度與結(jié)構(gòu)層數(shù)成正比。

鋼支撐對基礎(chǔ)其他方向的反力影響不大，限于篇幅本文本列出。

圖10 支撐軸力(a)4層結(jié)構(gòu)；(b)8層結(jié)構(gòu)；(c)12層結(jié)構(gòu)

圖11 基礎(chǔ)Y向反力(a)C2柱基礎(chǔ)；(b)C3柱基礎(chǔ)

圖12 基礎(chǔ)豎向反力(a)C2柱基礎(chǔ)；(b)C3柱基礎(chǔ)

4 支撐對RC框架的影響分析

4.1 樓層剛度和變形性能

加鋼支撐后結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭?撐結(jié)構(gòu)，鋼支撐與梁、柱組成三角形幾何不變體系，有效地限制了節(jié)點的位移，框-撐結(jié)構(gòu)剛度高于原框架結(jié)構(gòu)剛度。X型鋼支撐對框架節(jié)點的約束強度最大，除頂層節(jié)點外，其余節(jié)點均受兩根支撐的約束，故X型框-撐結(jié)構(gòu)的剛度最大；對角型支撐對節(jié)點的約束強度最低，故其剛度最??；V形及大型支撐對節(jié)點的約束強度雖然與對角型相當(dāng)，但其支撐較短，線剛度較大，故V型及大型框-撐結(jié)構(gòu)剛處于X型及對角型框-撐之間。

框-撐結(jié)構(gòu)猶如一豎向懸臂的桁架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)柱相當(dāng)于桁架的弦桿，鋼支撐、結(jié)構(gòu)梁相當(dāng)于桁架的腹桿，在水平地震作用下，柱子的變形使結(jié)構(gòu)趨于彎曲形狀，而梁及支撐的變形使結(jié)構(gòu)趨于剪切形狀，最終框-撐結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的變形呈彎剪形[14]。

4.2 樓層剪力

X型鋼支撐框-撐結(jié)構(gòu)重量、剛度最大，故水平地震作用下的樓層剪力最大，對角型鋼支撐框-撐結(jié)構(gòu)重量、剛度最小，故其水平地震作用下的樓層剪力最小，V型及大型支撐框-撐結(jié)構(gòu)的重量及剛度適中，故其水平地震作用下的樓層剪力處于上述兩種結(jié)構(gòu)之間。

4.3 構(gòu)件內(nèi)力

（1）柱軸力

后加鋼支撐改變了原結(jié)構(gòu)的變形特性，框-撐結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的變形呈彎剪形，使邊柱軸力增大，中柱軸力減少。D2形及大型支撐的傳力模式相似，均是將水平地震作用隔層傳遞至邊柱，故邊柱軸力曲線呈鋸齒狀。

（2）梁彎矩及軸力

原結(jié)構(gòu)加上鋼支撐后，梁柱節(jié)點上的地震作用部分沿梁軸線方向傳遞，表現(xiàn)為梁軸力，故框-撐結(jié)構(gòu)的梁軸力較原框架結(jié)構(gòu)增大，另一部分地震作用由鋼支撐承擔(dān)，故框-撐結(jié)構(gòu)的梁端彎矩低于原框架結(jié)構(gòu)。

（3）支撐內(nèi)力

原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭?撐結(jié)構(gòu)體系后，鋼支撐作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)了大部分的水平地震作用，由于支撐與原結(jié)構(gòu)節(jié)點鉸接，故支撐主要以軸力的形式分擔(dān)地震作用。

4.4 基礎(chǔ)反力

后加的鋼支撐具有導(dǎo)荷作用，最終將其承擔(dān)的水平地震作用傳導(dǎo)至與之相連的基礎(chǔ)，從而使基礎(chǔ)的Y向反力增大，不與鋼支撐相連的基礎(chǔ)的Y向反力仍由原框架柱傳遞剪力，故該基礎(chǔ)的剪力不受影響。水平地震作用下，鋼支撐對基礎(chǔ)的豎向反力的影響原理與上述柱軸力的影響原理相同，均是因支撐改變了原結(jié)構(gòu)的剛度及變形特性所致。

5 結(jié)論

通過上述分析，可知在本文的設(shè)計條件下，鋼支撐類型對RC框架結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律如下。

（1）在原RC框架結(jié)構(gòu)加鋼支撐后，結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)榭?撐結(jié)構(gòu)體系，框-撐結(jié)構(gòu)體系的剛度及樓層剪力較原結(jié)構(gòu)有較大的增加。在鋼支撐截面相同的條件下，X型鋼支的撐框-撐結(jié)構(gòu)剛度最大，對角型鋼支撐的框-撐結(jié)構(gòu)剛度最小，V型及大型鋼支撐框-撐的結(jié)構(gòu)剛度適中。低層結(jié)構(gòu)的樓層剪力受鋼支撐的類型影響較小，多層及中高層的樓層剪力受鋼支撐類型影響較大。

（2）RC框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榭?撐結(jié)構(gòu)后，在水平地震作用下的變形特性由剪切形轉(zhuǎn)變?yōu)閺澕粜危Y(jié)構(gòu)底部以彎曲變形為主，頂部以剪切變形為主，該變形方式雖對抗震有利，但該變形特性也導(dǎo)致了加支框榀框架的邊柱軸力增大而中柱軸力減少。

（3）各類型鋼支撐均改變了原RC框架結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的傳力路徑，水平地震作用下，鋼支撐作為第一道防線，承擔(dān)了大部分的地震作用，使原結(jié)構(gòu)框架梁端彎矩明顯降低，但V型及D1形鋼支撐框-撐結(jié)構(gòu)的梁軸力增大明顯，特別是D1形尤甚，此外，由于鋼支撐的導(dǎo)荷作用，D2形及大型鋼支撐會造成邊柱的軸力沿樓層高度方向發(fā)生隔層突變。

（4）在鋼支撐截面相同的條件下，單根X型鋼支撐承擔(dān)的水平地震作用最小，其他類型鋼支撐承擔(dān)水平地震作用相當(dāng)，但均大于X型，故在抗震加固時，X型支撐可比其他類型支撐的截面尺寸小。

（5）在加支框榀的框架中，僅與基礎(chǔ)相連的支撐才影響基礎(chǔ)的反力，與支撐相連的基礎(chǔ)反力會增加，D型支撐對基礎(chǔ)反力影響最大，加支撐后，加支撐榀的邊柱基礎(chǔ)的豎向反力會明顯增加，而中柱基礎(chǔ)豎向反力會明顯減小。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

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

基金論文：該文為廣東科技計劃項目（2011A030200016）論文成果。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.05.018

2013-04-09

吳永河（1975-），男，廣東茂名人，研究生，講師，主要從事工程抗震與加固改造等研究。