多遇地震作用下鋼支撐對RC框架結構的影響研究

吳永河，習會峰，穆建春

（廣東石油化工學院建筑工程學院，廣東茂名525000）

多遇地震作用下鋼支撐對RC框架結構的影響研究

吳永河，習會峰，穆建春

（廣東石油化工學院建筑工程學院，廣東茂名525000）

為揭示鋼支撐對RC框架結構的影響規律，在4、8、12層RC框架結構上后加V型、對角型、X型及大型四種鋼支撐，通過ETABS建立結構模型并進行多遇地震作用下的分析。結果表明，鋼支撐改變了原結構的變形特性，使結構的剛度、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力構件，承擔了大部分地震作用，改變了原結構的傳力路徑，使梁端彎矩降低、梁軸力增大，與支撐相連的基礎反力也相應增大。

鋼支撐；框架結構；剛度；樓層剪力；結構內力；基礎反力

1 引言

采用鋼支撐加固RC框架結構，具有費用少、自重輕、布置靈活且基礎易于處理等優點[1-5]。近年來國內外學者對鋼支撐加固RC框架結構展開了系列研究，H.Ghaffarzadeh等人對內嵌鋼支撐的RC框架的側向剛度、抗側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對內嵌支撐加固RC框架結構進行了抗震性能分析[11]。然而，抗震加固的鋼支撐屬后加構件，且形式多樣，目前在小震作用下鋼支撐對RC框架結構的影響研究甚少。基于此，本文在RC框架結構的基礎上，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框架結構在小震作用下的變形性能及內力變化規律，得到了一些有益的結論。

2 研究方案

設原結構為RC框架結構，結構層數考慮4、8、12層三種，分別代表低層、多層及中高層結構，其平面軸網尺寸、層高及混凝土強度等級均相同，結構平面見圖1所示，層高3m，強度等級C25，結構構件截面尺寸見表1所示。分別在結構的A、F軸（結構的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層結構的支撐形式）。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、力學性能等均按現行國家規范取值[12-13]。結構模型各層樓面恒、活荷載標準值分別為2.5kN/m2、2.0kN/m2，各層框架梁恒荷載均為6kN/m。假設結構位于抗震設防烈度為7度、場地類別為Ⅱ類、地震分組為第1組（0.1g）地區，采用ETABS建立原RC結構及加鋼支撐后的結構模型（共27個），采用振型分解反應譜法對各結構模型進行多遇地震作用下的計算。為方便表述，將各結構模型編號如表2所示。

圖1 結構平面圖(mm)

3 計算結果

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 樓層剛度及結構變形曲線

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

表1 結構構件截面尺寸(mm)

表2 結構模型編號

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

由圖4可知，原4、8、12層RC框架結構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，結構變形曲線總體上呈彎剪組合形，后加X型鋼支撐的結構樓層位移最小，后加對角型鋼支撐的結構樓層位移最大，后加V型及大型鋼支撐的結構樓層位移相當，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，加鋼支撐后結構的樓層剪力均明顯增大。各類型鋼支撐的4層結構的樓層剪力相差很小，但各類型鋼支撐的8、12層結構的樓層剪力差別明顯，其差別表現為，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，處于中間水平，說明支撐截面相同時，鋼支撐類型對低層結構的樓層剪力影響較小，對多層及中高層結構的影響差別較大。4、8、12層結構中，同一支撐類型的兩種形式的結構樓層剪力相等，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 構件內力

3.3.1 柱內力

（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層結構C2柱軸力明顯增大，尤以8、12層結構增大明顯，說明鋼支撐對多層及中高層結構的軸力影響大于低層結構。C2柱底層的最大軸力，4層結構出現在4V1模型，8、12層結構出現在后加X型鋼支撐的結構模型。4、8、12層結構中，均是后加D1形式鋼支撐的結構軸力最小，后加D2形及大型支撐的結構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層結構C3柱軸力變化規律基本相同，即加鋼支撐后柱軸力減少，越往結構底部減少幅度越大，各類型鋼支撐結構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 梁內力

（1）B21梁端負彎矩

B21梁位置如圖1所示，水平地震作用下其左端負彎矩如圖8所示。圖8顯示，加鋼支撐后4、8、12層結構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，相同類型不同形式的鋼支撐對梁端彎矩的影響規律亦相當。B21梁右端彎矩的變化規律同左端，梁端剪力變化規律同梁端彎矩，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層結構的梁軸力變化規律基本相同，即后加V型及D1形鋼支撐時結構的梁軸力增大明顯，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）的內力無影響，限于篇幅本文未列出。

3.3.3 支撐內力

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層結構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 基礎反力

（1）基礎Y向反力

C2、C3柱基礎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柱基礎的Y向反力均明顯增大，V1、D2形支撐不與C2基礎相連，其反力與原結構基本相等。D1形式鋼支撐框架的反力最大，隨著結構層數的增加，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，受結構層數影響不明顯。

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

（2）基礎豎向反力

C2、C3柱基礎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柱基礎的豎向反力出現較大增加，增加幅度與結構層數成正比。對角型鋼支撐的基礎的豎向反力最小，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反力相差不大。由圖12(b)可知，后加鋼支撐后結構C3基礎的豎向反力明顯降低，其降低幅度與結構層數成正比。

鋼支撐對基礎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層結構；(b)8層結構；(c)12層結構

圖11 基礎Y向反力(a)C2柱基礎；(b)C3柱基礎

圖12 基礎豎向反力(a)C2柱基礎；(b)C3柱基礎

4 支撐對RC框架的影響分析

4.1 樓層剛度和變形性能

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

框-撐結構猶如一豎向懸臂的桁架結構，結構柱相當于桁架的弦桿，鋼支撐、結構梁相當于桁架的腹桿，在水平地震作用下，柱子的變形使結構趨于彎曲形狀，而梁及支撐的變形使結構趨于剪切形狀，最終框-撐結構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-撐結構重量、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-撐結構重量、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-撐結構的重量及剛度適中，故其水平地震作用下的樓層剪力處于上述兩種結構之間。

4.3 構件內力

（1）柱軸力

后加鋼支撐改變了原結構的變形特性，框-撐結構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

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

（3）支撐內力

原結構轉變為框-撐結構體系后，鋼支撐作為主要的抗側力構件，承擔了大部分的水平地震作用，由于支撐與原結構節點鉸接，故支撐主要以軸力的形式分擔地震作用。

4.4 基礎反力

后加的鋼支撐具有導荷作用，最終將其承擔的水平地震作用傳導至與之相連的基礎，從而使基礎的Y向反力增大，不與鋼支撐相連的基礎的Y向反力仍由原框架柱傳遞剪力，故該基礎的剪力不受影響。水平地震作用下，鋼支撐對基礎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構的剛度及變形特性所致。

5 結論

通過上述分析，可知在本文的設計條件下，鋼支撐類型對RC框架結構的影響規律如下。

（1）在原RC框架結構加鋼支撐后，結構體系轉變為框-撐結構體系，框-撐結構體系的剛度及樓層剪力較原結構有較大的增加。在鋼支撐截面相同的條件下，X型鋼支的撐框-撐結構剛度最大，對角型鋼支撐的框-撐結構剛度最小，V型及大型鋼支撐框-撐的結構剛度適中。低層結構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框架結構轉變為框-撐結構后，在水平地震作用下的變形特性由剪切形轉變為彎剪形，結構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框架結構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，承擔了大部分的地震作用，使原結構框架梁端彎矩明顯降低，但V型及D1形鋼支撐框-撐結構的梁軸力增大明顯，特別是D1形尤甚，此外，由于鋼支撐的導荷作用，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型鋼支撐承擔的水平地震作用最小，其他類型鋼支撐承擔水平地震作用相當，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，僅與基礎相連的支撐才影響基礎的反力，與支撐相連的基礎反力會增加，D型支撐對基礎反力影響最大，加支撐后，加支撐榀的邊柱基礎的豎向反力會明顯增加，而中柱基礎豎向反力會明顯減小。

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責任編輯：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。