少支撐框架結構體系的定義和基本設計原則,建筑結構論文建筑地震災禍的嚴重性是我們國家的基本國情之一。近年來發(fā)生的幾次毀壞性地震反映出建筑構造抗震能力缺乏的兩個主要原因：一方面，我們國家采用三水準兩階段的抗震設防目的，但近年來發(fā)生的毀壞性地震中，強震區(qū)的實際地震烈度經(jīng)常遠高于當?shù)氐脑O計罕遇地震烈度水平。如我們國家四川省汶川縣的抗震設防烈度為6~7度，而2008年512汶川8.0級地震發(fā)生時震中烈度到達11度，災區(qū)很多地方的實際烈度超過設計罕遇地震1~3度，這是導致很多重災區(qū)建筑構造損壞甚至倒塌的重要原因。在汶川地震后，我們國家的相關規(guī)范進行修改，提高了部分建筑的抗震設防類別和部分地區(qū)的抗震設防烈度，這樣，要求對災區(qū)既有建筑進行抗震加固以知足新的抗震設防要求，華而不實對鋼筋混凝土(RC)框架構造增設少量鋼支撐是有效的抗震加固措施之一。另一方面，上部RC框架構造的主要震害形式為：柱端出鉸、柱剪切毀壞、節(jié)點區(qū)毀壞、薄弱層嚴重毀壞、預制樓板與梁的連接不當引起的毀壞、現(xiàn)澆樓梯的毀壞等等，由于構造體系布置不合理、現(xiàn)澆樓/屋蓋體系對框架梁抗震性能的影響、現(xiàn)澆樓梯斜跑的抗側奉獻和填充墻對構造抗側剛度的影響等因素，很多既有RC框架構造很難實現(xiàn)建筑抗震設計規(guī)范中要求的強柱弱梁等理想毀壞形式。另外，即便合理設計與施工的RC框架構造能夠知足強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點強錨固等抗震設計要求的毀壞形式，但框架構造存在抗震防線單一、缺乏足夠冗余度的問題。國內(nèi)外屢次大地震的建筑震害表示清楚，采用純框架構造的房屋，其倒塌率遠遠高于設置剪力墻等的框架構造房屋。汶川地震后，作者在災后現(xiàn)場應急評估中發(fā)現(xiàn)，在RC框架構造中設計少量鋼支撐或排架柱間的柱間穿插支撐，就能有效控制構造的側向變形，提高原構造的承載能力和抗地震倒塌能力(圖1)。【圖略】遭到這些成功抵御強烈地震作用建筑構造的啟發(fā)，本文作者提出了在框架構造中設置少量鋼支撐的少支撐框架構造體系的概念，目的是改變框架構造的抗側力構造體系，增加框架構造的抗震防線，不僅提高原框架構造的抗側剛度與承載力，保證原構造在設計罕遇地震下不倒塌，而且能夠在超越設計罕遇地震的地震作用下不倒塌，進而提高框架構造的抗地震倒塌能力。本文在劉慶志的相關研究基礎上，完成了這種新構造體系的受力機理分析與抗地震倒塌能力的評估，提出了少支撐框架構造體系的定義與基本設計原則建議，供相關研究人員與設計人員參考。1現(xiàn)行相關抗震規(guī)范的規(guī)定對于框架-剪力墻構造體系，在水平力作用下，底層框架承受的地震傾覆力矩與構造總地震傾覆力矩的比值不盡一樣，構造的性能也有較大的差異不同。(高層建筑混凝土構造技術規(guī)程〕JGJ3-2018(后文稱(高規(guī)〕)第8.1.3條根據(jù)在規(guī)定水平力作用下，底層框架的傾覆力矩分擔率對框架-剪力墻構造體系進行了細分，并對每一種構造體系的設計方式方法和側向位移控制指標作出了較為詳細的規(guī)定(見表1)。朱炳寅建議的構造體系細分的類別和標準與(高規(guī)〕的規(guī)定基本一致。【表1】對于框架-支撐框架構造體系，我們國家(建筑抗震設計規(guī)范〕GB500112018(后文稱(抗規(guī)〕)第G.1.3條第5款對其有明確的定義：底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩應大于構造總地震傾覆力矩的50%。這類構造中鋼支撐框架比擬強，支撐屬于強支撐。而當構造中鋼支撐框架比擬弱時，框架將承當較大的地震作用，設置少量鋼支撐的RC框架構造與含有少量剪力墻的框架構造類似，但現(xiàn)行規(guī)范中對這種構造體系尚無明確定義。為了能夠合理提出這類構造的定義，本文以一座典型RC框架構造為例，分析了設置不同數(shù)量鋼支撐后構造抗側剛度、動力特性、底層框架的基底剪力與傾覆力矩分擔率變化等，結合對構造完成的靜力PUSHOVER分析得到的能力曲線結果等，借鑒現(xiàn)行規(guī)范對框架-剪力墻構造、含有少量剪力墻的框架構造的相關規(guī)定，提出了少支撐框架構造的定義，為這類構造體系的推廣應用十分既有框架構造的抗震構造提供借鑒。2RC框架構造與鋼支撐RC框架構造比照2.1工程大概情況及構件設計某6層RC框架構造，抗震設防烈度為8度(0.20g)，地震分組為第二組，場地類別Ⅱ類。構造縱向5跨、橫向3跨，首層層高4.0m，其余各層層高3.6m，如此圖2所示?？蚣軜嬙斓牧?、柱、樓板均為現(xiàn)澆，混凝土強度等級均為C30，鋼筋均采用HRB400級熱軋鋼筋?？v向和橫向邊跨框架梁截面尺寸為250mm500mm，橫向中跨框架梁截面尺寸為250mm300mm；1~4層框架柱截面尺寸為500mm500mm，5~6層為400mm400mm；樓板厚度為100mm。假設樓面地面做法與吊頂?shù)鹊牡刃Ц郊雍爿d標準值為3.0kN/m2，樓面活載標準值取2.5kN/m2；屋面除構造重量外的等效附加恒載標準值為3.0kN/m2，屋面不上人，活荷載標準值為0.5kN/m2。假設建筑外圍維護墻與沿軸線隔斷墻的等效線荷載為6kN/m，作用于相應的框架梁上，假設構造嵌固在地面，不考慮基礎埋深與回填土的側限。該建筑構造總高為22.0m，根據(jù)(抗規(guī)〕規(guī)定，抗震等級為二級。構造分析設計采用SATEWE軟件完成，對應的構造模型稱為Model0。【圖2】在上述RC框架構造中增加鋼支撐，成為帶鋼支撐RC框架構造。支撐布置在外側四榀框架的中跨，沿構造通高布置(如此圖3所示)。支撐選用防屈曲支撐(BRB)，芯材選用Q235鋼材，工作段鋼芯為一字型截面，非工作段為十字型截面。參考哈爾濱工業(yè)大學馬寧和同濟大學李國強的方式方法設計BRB支撐，使得BRB鋼芯在層間位移角1/550時保持彈性狀態(tài)。設計了四種支撐截面(表2)，研究支撐剛度與承載力變化對鋼支撐RC框架構造性能的影響。對應的構造模型分別稱為Model1、Model2、Model3與Model4。【圖3.表2】在原框架構造中增加鋼支撐后，采用SATEWE軟件重新分析帶鋼支撐的RC框架，框架梁柱的截面尺寸和配筋采用分別按純框架構造和帶鋼支撐RC框架構造知足抗震設計要求條件下的結果設計包絡值。由于鋼支撐的影響，與其相連的框架柱承受更大的軸力和彎矩，柱軸壓比和配筋都增大。華而不實，增設4號支撐后，構造首層與支撐相連的部分框架柱不再知足(抗規(guī)〕中關于軸壓比0.75的限值要求，將帶4號支撐框架構造1~4層與支撐相連的部分框架柱(圖2中1-B、1-C、6-B及6-C)截面尺寸放大至550mm550mm。在通用分析平臺OpenSees中分別建立了上述構造的有限元分析模型?；炷敛捎肙penSees中的concrete01材料，采用了Kent-Scott-Park的骨架曲線和Karsan-Jirsa加卸載準則，且不考慮混凝土受拉；鋼筋采用OpenSees中的Steel02材料，骨架曲線為雙折線，并可反映鋼筋的Bauschinger效應。表3列出了Model0~Model4模型沿Y方向(橫向)的基本周期、設置鋼支撐后原框架構造剛度及地震基底剪力的變化情況。能夠看出，隨著支撐截面面積的增加，支撐對整個構造的剛度奉獻增加，地震作用也增大，地震作用的增幅小于剛度增幅，由此揣測增加鋼支撐將有效控制原構造的位移，但是，對鋼支撐導致的剛度增幅需要控制在一定幅度內(nèi)為好。【表3】2.2基底剪力及傾覆力矩分擔率分析1)彈性階段的底層框架地震傾覆力矩分擔率和基底剪力分擔率參考規(guī)范對少墻框架的定義，分析鋼支撐RC框架構造彈性階段在指定水平地震作用下的底層框架地震傾覆力矩分擔率和基底剪力分擔率。由于單榀支撐框架的作用類似于一片剪力墻，而在框架-剪力墻構造中，剪力墻以及與墻相連的框架柱看做同一片剪力墻(稱帶端柱剪力墻)(見圖4左)，所以鋼支撐RC框架的支撐框架剪力分擔率和支撐框架傾覆力矩分擔率計算時的支撐框架是指支撐本身及與所在跨中與其相連接的框架梁柱(圖4右紅色部分)，而框架剪力分擔率和框架傾覆力矩分擔率計算時的框架是指的其他框架梁柱(圖4右黑色部分)。根據(jù)反響譜底部剪力法(考慮頂部集中力)得到構造各層的等效水平地震作用，對各構造模型進行小震下彈性分析。Model1~Model4彈性階段的底層框架傾覆力矩分擔率和基底剪力分擔率見表4所示。能夠看出，四個模型中框架分擔的傾覆力矩與剪力均超過50%，不屬于框架-支撐框架的范疇，并且隨著支撐抗側剛度的提高而降低。對于Model3，設置支撐后框架底層抗側剛度增加接近40%時，框架分擔的傾覆力矩與剪力均接近60%，由于剛度的增加導致構造的總基底剪力增加在20%以內(nèi)。對Model4，固然其框架分擔的傾覆力矩與剪力均超過50%，但是，從支撐用鋼量、框架底層抗側剛度增加均較多，導致構造的總基底剪力增加超過20%?！颈?.圖4】2)基底剪力分擔率隨構造彈塑性發(fā)展的變化為了研究構造進入非線性狀態(tài)后的內(nèi)力重分布特征以及構造抗側性能的變化，完成了上述構造模型的靜力推覆分析，水平地震作用沿高度的分布同彈性分析。計算得到各模型的基底剪力-頂點位移能力曲線(圖5)，以及各模型框架部分的基底剪力分擔率隨構造頂點位移的變化經(jīng)過(圖6)。從圖5看出，構造的基底剪力-頂點位移能力曲線均呈軟化特征，設置支撐后構造的能力明顯提高，支撐是構造中的第一道防線，而采用BRB，支撐委屈服從后支撐仍有1%初始剛度，承載力不會降低，進而保證了構造承載力的發(fā)揮。隨著支撐截面面積的增加，構造的抗側剛度、承載力與延性明顯改善，但是，構造的能力提高與支撐截面的增加不成正比。從圖6看出，構造內(nèi)部的內(nèi)力分配分為三個階段：在支撐委屈服從之前，鋼支撐的剛度不變，而RC構件由于混凝土的開裂其剛度逐步降低，框架部分的剪力分擔率下降，支撐越強下降越多，計算模型的降幅在10％以內(nèi)；支撐委屈服從后，支撐的殘存余留剛度取1%的初始剛度，支撐的抗側剛度下降幅度比框架的抗側剛度下降更快，所以框架部分的剪力分擔率上升，甚至超過了彈性階段的最大剪力分擔率；RC框架委屈服從后，構造到達峰值承載力，之后框架部分的剛度逐步下降，而支撐仍有殘存余留的1%初始剛度，所以框架的剪力分擔率逐步下降，到頂點位移達500mm，構造底層框架分擔的基底剪力占總基底剪力的50％以上。隨著構造側向變形的繼續(xù)增加，支撐框架的剪力分擔率逐步上升，對構造的防倒塌具有重要的作用?！緢D5-6】2.3構造在罕遇地震及超罕遇地震下的性能點分析對于8度(0.2g)抗震設防烈度的構造：(抗規(guī)〕規(guī)定罕遇地震下的水平地震影響系數(shù)最大值為0.9；(抗倒塌規(guī)程〕建議建筑構造抗地震倒塌計算時，地震影響系數(shù)最大值在罕遇地震相關數(shù)值(0.9)上乘一個調(diào)整系數(shù)(1.33)。據(jù)美國(混凝土建筑抗震評估和修復〕(ATC-40)中的能力譜法對各構造模型進行性能點分析，得到構造對應設計罕遇地震及超罕遇地震的性能點，見表5。為方便比擬，以Model0峰值荷載點的基底剪力與頂點位移為參考，計算了各模型對應峰值荷載時的基底剪力和頂部位移分別與Model0峰值荷載點的基底剪力和頂點位移的比值，并計算了各模型對應不同性能點時的基底剪力與頂部位移和其峰值荷載點的基底剪力與頂點位移的比值，結果見各列數(shù)據(jù)后括號中數(shù)字?！颈?】表5表示清楚，少支撐框架構造相比純框架構造，其極限承載力都獲得提高，而對應峰值荷載時的頂點位移變化不同，Model1與Model2對應其峰值承載力時的頂點位移略微小于純框架構造對應的頂點位移，Model3對應其峰值承載力時的頂點位移略大于純框架構造對應的頂點位移，而Model4的承載力與對應頂點位移均較純框架構造的結果明顯提高(分別為49%與32%)。分析對應設計罕遇地震與超罕遇地震下構造的性能點結果能夠看出，對應設計罕遇地震構造均有性能點，講明模型均知足大震不倒的性能設計要求；在超罕遇地震下Model0沒有性能點，而其他模型均知足抗震設計要求，可見設置少量支撐后框架構造的抗倒塌能力提高，設置支撐對抗地震倒塌是有效的。分析對應設計罕遇地震下各計算模型性能點的基底剪力與頂點位移相對其峰值荷載下的構造看出：相對Model0，Model1中設置的鋼支撐較少，對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移大于Model0的結果，性能點的基底剪力相對其峰值荷載的比例從88%增加到92%，頂點位移相對其峰值荷載時頂點位移的比例從54%增加到60%，相對原構造，設置支撐后反而對構造不利，但是，抗倒塌能力略有提高；Model2對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的54%與89%，與Model0的比例接近，超設計罕遇地震下模型的響應接近其峰值荷載，講明設置鋼支撐后模型的抗震能力略有提高，抗倒塌能力提高有限；Model3對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的46%與85%，比Model0的比例略低，超設計罕遇地震下模型的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的68%與96%，響應接近其峰值荷載，但頂點位移控制有效，講明設置鋼支撐后模型的抗震能力與抗倒塌能力提高均改善；Model4的位移響應明顯小于其他模型，對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的36%與80%，超設計罕遇地震下模型的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的51%與91%，講明設置鋼支撐后模型的抗震能力與抗倒塌能力提高。為了保證構造在罕遇地震與超罕遇地震下不倒塌，設置的鋼支撐不能過少。3少鋼支撐RC框架的定義在RC框架構造中參加少量鋼支撐有兩個主要目的：(1)改變純框架構造的受力形式及毀壞次序，使得支撐先委屈服從，提高構造的延性和抗地震倒塌能力；(2)增設鋼支撐后構造的抗側剛度增加，導致構造的周期減小，基底水平地震剪力將增加，所以設置支撐后框架構造的抗側剛度不能過度增加，以區(qū)別于框架-支撐框架構造(華而不實支撐框架作為主要抗側力構件)。第一個目的主要通過合理設計支撐的傾角、工作段長度系數(shù)等參數(shù)，使支撐在目的委屈服從位移下委屈服從，在目的極限位移下不斷裂；第二個目的則是通過合理設計支撐的數(shù)量與工作段截面，控制支撐的剛度與承載力奉獻，進而控制框架底部的傾覆力矩分擔率來到達。在RC框架上增加支撐以后，構造剛度增加，地震作用也增大。對于防屈曲支撐，不存在支撐受壓屈曲導致的受壓承載力降低等問題，性能穩(wěn)定，在水平地震作用下隨著構造塑性發(fā)展，構造的抗側剛度下降，但進入彈塑性階段后構造的周期加長，地震作用的增幅小于彈性階段；對于普通鋼支撐，由于受壓支撐屈曲后構造剛度下降相對較多，彈塑性階段實際地震作用增幅遠小于彈性階段。據(jù)表3和表4，原構造增加支撐后的剛度增幅小于40%時，增加支撐帶來的地震力增幅小于20%，此時框架部分所分擔的地震傾覆力矩略小于60%。考慮到可能需要對支撐相鄰柱進行加強，這樣支撐框架的地震傾覆力矩分擔率會上升，而框架的地震傾覆力矩分擔率會下降，結合表5的結果，建議少鋼支撐RC框架的底層框架地震傾覆力矩分擔率大于50%?？紤]到支撐很弱時，支撐框架的抗傾覆作用小(不超過30%)，固然構造的抗震能力略有提高，但是，構造剛度提高導致地震作用效應提高愈加明顯，對抗震反而不利(如Model1)，建議少鋼支撐RC框架的底層框架地震傾覆力矩分擔率不超過70%。將少鋼支撐RC框架定義為：在規(guī)定的水平力作用下，底層的框架部分所承當?shù)牡卣饍A覆力矩大于構造總地震傾覆力矩的50%但不超過70％，且支撐對原框架構造抗側剛度的提高幅度不超過40%。該定義與(抗規(guī)〕對鋼支撐RC框架的