鋼支撐—RC框架結(jié)構(gòu)在醫(yī)療建筑中的運(yùn)用

劉 琳 劉文吉

(長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

1 概述

RC框架結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在運(yùn)用的比較廣泛的結(jié)構(gòu)體系，但是這種結(jié)構(gòu)體系也有一定的弊端，比如受體系布置不合理，填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度等因素的影響，很多的RC框架結(jié)構(gòu)比較難實(shí)現(xiàn)理想中的強(qiáng)柱弱梁破壞模式，即使通過(guò)合理設(shè)計(jì)與施工，框架結(jié)構(gòu)仍然存在抗震防線單一，缺乏足夠冗余度等問(wèn)題，于是新的建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范GB 50010—2010中增加了關(guān)于鋼支撐—混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一種由鋼支撐和框架共同作用組成抗側(cè)力體系的結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)布置形式

鋼支撐框架應(yīng)在結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主軸方向同時(shí)設(shè)置；宜上下連續(xù)布置，當(dāng)受建筑方案影響無(wú)法連續(xù)布置時(shí)，宜在相鄰跨延續(xù)布置；底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩應(yīng)大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%；鋼支撐在平面內(nèi)的布置應(yīng)避免導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，鋼支撐之間無(wú)大洞口的樓蓋屋蓋的長(zhǎng)寬比宜符合建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范6.1.6條對(duì)抗震墻間距的要求，樓梯間宜布置鋼支撐；鋼支撐宜采用交叉支撐，也可采用人字形支撐或V形支撐，采用單支撐時(shí)兩方向的斜桿應(yīng)基本對(duì)稱(chēng)布置。事實(shí)上支撐已經(jīng)很好的運(yùn)用到工程實(shí)例中。

本文的目的就是對(duì)鋼支撐框架結(jié)構(gòu)體系和RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究，得出鋼支撐框架結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)劣。

3 工程實(shí)例

本文選用湖南某醫(yī)院綜合樓作為案例，醫(yī)院的設(shè)計(jì)空間布置靈活，層高較高，體塊較大等特點(diǎn)，由于醫(yī)院是重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)建筑，是生命線工程，不適宜采用抗震防線單一的純RC框架結(jié)構(gòu)，而由于其空間布置靈活的要求，不適于采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，于是在前期概念設(shè)計(jì)，我們考慮采用鋼斜撐框架結(jié)構(gòu)，在保證空間布置靈活性的同時(shí)增加抗震性能。

3.1 工程概況

某醫(yī)院綜合樓A塔樓，框架結(jié)構(gòu)，下部土質(zhì)較差，多為填土，場(chǎng)地類(lèi)別為三類(lèi)，建筑總高18.80 m，4層層高分別為5.4 m,4.2 m,4.2 m,4.8 m，抗震設(shè)防烈度為7度，乙類(lèi)建筑，重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)建筑抗震等級(jí)提高一級(jí)，框架抗震等級(jí)為二級(jí)。柱采用C40混凝土，梁板采用C35混凝土，受力主筋采用HRB400級(jí)鋼筋，鋼支撐采用Q345鋼，支撐截面采用方形截面，結(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖1。

3.2 不同截面尺寸鋼支撐的對(duì)比分析

首先選用了三種不同截面大小的支撐與原純RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，鋼支撐的位置和形式如圖1所示，布置原則：從上到下連續(xù)布置，兩個(gè)主軸方向基本對(duì)稱(chēng)布置，樓梯間布置。為了方便比較我們使用代號(hào)表示，Model0：原RC框架結(jié)構(gòu)；Model1:支撐截面大小為150 mm×150 mm,厚度12 mm；Model2:支撐截面大小為200 mm×200 mm,厚度15 mm；Model3:支撐截面大小為240 mm×240 mm,厚度18 mm。

結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)采用SATWE軟件完成。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，對(duì)比Model0～Model3的基底剪力、底層剛度、傾覆力矩、抗傾覆力矩、規(guī)定水平力鋼支撐地震傾覆力矩占總地震傾覆力矩百分比數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)。

表1 Model0～Model3數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)置鋼支撐會(huì)使結(jié)構(gòu)地震力加大，剛度也會(huì)增加，而且隨著支撐面積的增加，支撐對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)會(huì)遞增，地震力也會(huì)遞增，而基地剪力的增加引起傾覆力矩的加大，但從數(shù)據(jù)上看，地震力的增幅小于剛度的增幅，且抗傾覆力矩與傾覆力矩比值很大足以抵抗傾覆力矩的作用，由此推測(cè)增加鋼支撐將有效控制原結(jié)構(gòu)的位移。另一方面規(guī)定水平力鋼支撐地震傾覆力矩占總地震傾覆力矩百分比隨著支撐截面的加大而增加，Model3按剛度分配的地震傾覆力矩已大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%，進(jìn)一步驗(yàn)證了規(guī)范的規(guī)定。接下來(lái)比較Model0～Model3的周期和位移情況(見(jiàn)表2)。

表2 Model0～Model3周期和位移

從表2中可以看出，增加支撐會(huì)使結(jié)構(gòu)的周期變短，結(jié)構(gòu)從柔變剛，并且結(jié)構(gòu)的最大層間位移和最大位移角也越來(lái)越小，這個(gè)結(jié)果證實(shí)了增加支撐對(duì)控制結(jié)構(gòu)的最大位移有顯著的作用，Model3的抵抗結(jié)構(gòu)變形能力最強(qiáng)。另一方面，規(guī)定水平力鋼支撐地震傾覆力矩占總地震傾覆力矩百分比隨著支撐截面的加大而增加，Model3按剛度分配的地震傾覆力矩已大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%，進(jìn)一步驗(yàn)證了抗震規(guī)范提出鋼支撐按剛度分配的地震傾覆力矩以大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%的規(guī)定。在這里鋼支撐起到了類(lèi)似于剪力墻的作用，能明顯改變結(jié)構(gòu)的受力性能，與框架一起形成一種桁架受力體系，有效防止柱子出現(xiàn)剪切壓彎和彎曲破壞，從而防止了結(jié)構(gòu)因?yàn)樽冃芜^(guò)大而引發(fā)倒塌。

再來(lái)對(duì)比增加支撐和不加支撐的框架梁柱配筋，通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)我們可以發(fā)現(xiàn)，與支撐相連的框架柱配筋增大，其余的框架柱配筋減小，而增加支撐對(duì)于框架梁的配筋影響不大。這是因?yàn)榕c支撐相連的框架柱吸收了一部分的地震力，導(dǎo)致其配筋增加，而使得其余框架柱地震力減小，配筋減小。

3.3 不同類(lèi)型和位置鋼支撐的對(duì)比分析

增設(shè)Model4：將Model3的人字形支撐改為交叉型。Model5：將支撐布置位置改變，數(shù)量不變，截面尺寸也同Model3(支撐布置位置見(jiàn)圖2)。分析不同形式和不同位置的支撐對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

表3 Model3～Model5數(shù)據(jù)對(duì)比

從表3可以看出Model3，Model4，Model5的基底剪力、底層剛度和周期都相差無(wú)幾，但是Model4的最大位移角明顯比Model3要小，而Model5的最大位移角和最大層間位移則大于Model3，所以可以得出交叉型鋼支撐對(duì)結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)力能力要更強(qiáng)，將斜撐對(duì)稱(chēng)、均勻的布置在建筑物外周對(duì)控制結(jié)構(gòu)變形更有效的結(jié)論。

4 結(jié)語(yǔ)

RC框架結(jié)構(gòu)中加入少量鋼支撐有兩個(gè)主要目標(biāo)：1)改變純框架結(jié)構(gòu)的受力模式及破壞次序，使得支撐先屈服，提高結(jié)構(gòu)的延性和抗震防倒塌能力；2)增設(shè)鋼支撐后結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度增加，導(dǎo)致基底水平剪力增加，所以設(shè)置支撐后框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度不能過(guò)度增加。

本文基于以上計(jì)算研究，主要得到以下結(jié)論：

1)在醫(yī)院、學(xué)校等內(nèi)部空間布置相對(duì)靈活的大體塊建筑物中設(shè)置少量鋼結(jié)構(gòu)支撐，對(duì)重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)建筑布置兩道抗側(cè)力防線，達(dá)到提高結(jié)構(gòu)延性和抗震防倒塌的能力。

2)鋼支撐RC框架結(jié)構(gòu)，相比純框架結(jié)構(gòu)，對(duì)減少結(jié)構(gòu)的變形和位移有比較大的貢獻(xiàn)，并且隨著鋼支撐的截面尺寸的增加而作用更明顯，但是研究表明鋼支撐會(huì)吸收更多的地震力，隨著鋼支撐的增加會(huì)使得地震力加劇，這對(duì)結(jié)構(gòu)是一個(gè)不利的影響，通過(guò)分析提出了鋼支撐RC框架結(jié)構(gòu)在規(guī)定的水平力作用下，底層的鋼支撐部分所承擔(dān)的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的50%但不宜超過(guò)70%。

3)與鋼支撐相連的框架會(huì)吸收很大一部分地震力，而其余框架柱的地震力大大減小，所以設(shè)計(jì)時(shí)可以加強(qiáng)與鋼支撐相連的框架柱，而減小其余的框架柱，以達(dá)到節(jié)約成本，擴(kuò)大可用空間的目的。

4)規(guī)范規(guī)定鋼支撐以外建筑物周邊均勻?qū)ΨQ(chēng)布置，上下宜連續(xù)布置，但通過(guò)計(jì)算對(duì)比研究，在建筑物外墻布置鋼支撐對(duì)建筑物立面有影響的時(shí)候，則可考慮利用內(nèi)部隔墻做鋼支撐，其抵抗變形的能力雖然比在外部布置有所減弱，但是比純框架結(jié)構(gòu)還是有很大的提高。

5)采用交叉支撐比人字形支撐更利于抗震。

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