斜撐對混凝土框架抗震性能影響的分析

曹建興，唐天國

(四川大學建筑與環境學院，四川成都610065)

建筑結構的抗震性能日益引起人們的重視，目前常用的抗震方法有隔震、耗能、多道設防[2]。在傳統框架結構中增設斜撐可以提高結構的剛度及受力性能，同時相當于增加一道抗震設防，在地震作用中可優先破壞達到耗能的目的，提高結構的防倒塌能力。增設斜撐也可作為建筑加固的措施，增加原有結構的可靠度，以及改善梁柱節點的受力性能[3],但同時也會對小部分構件產生不利影響，進行加固時應考慮到所有構件的受力情況。斜撐結構對建筑的空間布置有一定的影響，需根據建筑設計決定是否采用斜撐。

1 結構分析模型、分析方法以及地震波的選擇

本文采用一簡單的5層建筑作為純框架分析模型，在外層框架的邊跨增設斜撐作為斜撐框架分析模型，具體結構簡圖見圖1,ANSYS模型圖見圖2，模型參數見表1。利用ANSYS對兩個模型進行模態分析及地震彈性時程分析。為更好的論證斜撐對框架抗震性能的影響，本文選擇天津波、遷安波兩組實際地震記錄作地震模擬[4](見表2)。

表1 模型計算參數

表2 地震波主要參數

(a)平面布置圖

(b)南立面

(c)東立面圖1 斜撐框架布置

(a)傳統框架結構模型

(b)增設斜撐后結構模型圖2 ANSYS模型

2 結構分析結果

2.1 模態分析

兩種結構通過模態分析所得的前六階自振周期如表3所示。由表中數據可知增設斜撐后結構的自振周期大幅減小。以扭轉為主的第一自振周期Tt與以平動為主的第一周期T1之比為框架：Tt/T1=0.5274/0.6101=0.86；斜撐：Tt/T1=0.2323/0.3996=0.58。由此可知在建筑四角設置斜撐對增加建筑抗扭轉剛度效果顯著。

表3 結構自振周期 s

2.2 彈性時程分析

2.2.1 樓層位移

在正常使用條件下限制建筑結構層間位移的主要目的有兩點：(1)保證主結構基本處于彈性受力狀態；(2)保證填充墻、隔墻和幕墻等非結構構件的完好[5]。通過時程分析得出兩種模型分別在天津波和遷安波作用下的最大樓層位移(見圖3)。通過數據可知天津波作用下框架結構的最大層間位移為14.0 mm(發生在第一層)，斜撐結構的最大層間位移為3.4 mm(發生在第一層)；遷安波作用下框架結構的最大層間位移為1.9 mm(發生在第一層)，斜撐結構的最大層間位移為1.1 mm(發生在第一層)。由分析可知斜撐對減小樓層位移，提高結構可靠性有很明顯的作用。

(a)x向樓層位移

(b)y向樓層位移圖3 最大樓層位移

2.2.2 構件受力

由于增設了斜撐使得結構剛度增大，所受地震力也會增大，并且斜撐的設置會改變相鄰梁柱的受力情況。本文提取兩種模型的1-A柱和5-B柱柱底受力情況來進行比較分析(見表4)。由分析結果可以看出增設斜撐后與斜撐相連的柱(1-A)彎矩有大幅的減小，同時剪力和軸力又有大幅的增強，而與斜撐不相鄰的柱(5-B)軸力、剪力、彎矩均有大幅的減少。在使用斜撐增強建筑抗震性能時會對與斜撐相連的梁柱受力產生一定的不利影響，設計時應適當增加其尺寸，尤其要重視柱的抗剪設計。

表4 地震作用下構件的受力

3 結論

本文通過對一框架結構及其增設斜撐后的結構進行分析，分析結果表明：

(1)增設斜撐后結構的剛度有很大的增強，并且由于是在建筑四周增加的斜撐，建筑抗扭剛度的增強尤為明顯；

(2)增設斜撐后結構的樓層最大位移、層間位移都大幅減小，增加了結構的可靠性；

(3)增設斜撐后與斜撐不相連的柱受力情況有很大改善，但同時對與斜撐相連的構件會有不利影響，在進行設計時應注意對這部分構件進行加強；

(4)增設斜撐后梁柱節點的受力將更為復雜，設計時應特別注意節點的抗震設計； (5)增設斜撐后節點處鋼筋布置更加困難，施工時應對節點的質量重點監控。

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