淺談鋼支撐對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的影響

焦瑞敏 宇文娟

（陜西省建筑科學(xué)研究院 設(shè)計(jì)院）

一、引言

隨著我國社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和建筑科技進(jìn)步的趨勢(shì)，變革傳統(tǒng)的建筑理念，使建筑具備“環(huán)保、節(jié)能、工業(yè)化”即“綠色建筑”的特征，已經(jīng)開始成為人類的共同理想。與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式相比，鋼結(jié)構(gòu)是一種最符合“綠色建筑”特征的結(jié)構(gòu)形式。而根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，把鋼構(gòu)件應(yīng)用到已有建筑結(jié)構(gòu)的加固改造中，也能較好的改善原始建筑的結(jié)構(gòu)性能。近年來國內(nèi)外已經(jīng)開始采用后加鋼支撐的方法，來加固鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。與后加翼墻或者剪力墻加固法相比，該方法具有費(fèi)用少、自重輕、布置靈活、占用室內(nèi)空間小等優(yōu)點(diǎn)。基于此，本文以三種不同截面形式的鋼支撐，來研究鋼支撐對(duì)已有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的影響。

二、研究方案

原結(jié)構(gòu)為6層鋼筋混凝土純框架結(jié)構(gòu)，首層層高為5.8m，其余層均為5.2m，平面圖如圖1所示。在該框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別在結(jié)構(gòu)1軸和7軸的AB跨、DE跨，A軸和E軸的1~2跨、6~7跨，后加十字交叉型中心鋼支撐，鋼支撐的截面分別為無縫圓鋼管250mm×12mm、箱型截面250mm×250mm×14mm和焊接工字型截面300mm×300mm×12mm×24mm三種截面尺寸，支撐與原結(jié)構(gòu)的連接為鉸接。結(jié)構(gòu)梁、板、柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35，鋼支撐采用Q235級(jí)鋼材，各材料物理、力學(xué)性能等均按照現(xiàn)行國家規(guī)范取值。結(jié)構(gòu)模型中各層樓面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值為5kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2.0kN/m2，屋面板恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值為9kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.5kN/m2。假設(shè)結(jié)構(gòu)位于抗震設(shè)防烈度為8度0.2g、場地類別為Ⅲ類、地震分組為第一組的地區(qū)。該結(jié)構(gòu)1~2層柱截面為800mm×800mm，3~6層柱截面為700mm×700mm，1~6層框架梁均為300mm×600mm，次梁均為250mm×500mm，屋面板厚為120mm，其余板厚均為100mm。

圖 1 結(jié)構(gòu)平面圖

三、計(jì)算結(jié)果

1、結(jié)構(gòu)自振周期和位移

    經(jīng)過SATWE分析得原結(jié)構(gòu)以及加支撐后結(jié)構(gòu)的自振周期，當(dāng)鋼支撐的最大應(yīng)力比在0.95左右時(shí)的自振周期以及最大位移見表1：

表 1 結(jié)構(gòu)自振周期及位移

    從表1中可以看出，加鋼支撐后的結(jié)構(gòu)平動(dòng)周期和扭轉(zhuǎn)周期都有所減小，周期比T1/Tt也有了明顯的減小。位移也有了很大的改善，原模型O的位移大于1/550，位移不滿足規(guī)范要求，而加支撐后位移減小，且在相同最大應(yīng)力比控制下，模型C、模型H和模型R的位移分別減小了43.03%、50.22%和46.68%，表明在最大應(yīng)力比相同的情況下，H型鋼對(duì)結(jié)構(gòu)的位移改善效果最好。

2、底層框架承受的彎矩

經(jīng)過SATWE分析得到各模型中底層框架承受的彎矩，見表2。由表2中可以看出支撐最大應(yīng)力比在0.95左右時(shí)，模型H底層框架承受的彎矩百分比最小，即模型H的鋼支撐所承受的彎矩百分比最大，而模型C和模型R中底層框架承受的彎矩百分比則相差不多，說明在抗震情況下H型鋼能夠很好的發(fā)揮第一道防線的作用。但是與此同時(shí)，模型H的支撐截面積也是最大的，其次是模型R，模型C的支撐截面積最小。從物理性能來看，H型鋼（模型H）支撐存在強(qiáng)軸和弱軸方向，當(dāng)Y方向回轉(zhuǎn)半徑滿足時(shí)，X方向賦予較多；而無縫圓鋼管（模型C）和箱型截面（模型R）均為封閉截面，該方面的物理性能較好，相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)。對(duì)比模型C和模型R，可以看出這兩種類型的支撐在最大應(yīng)力比均為0.95時(shí)，模型C所采用的無縫圓鋼管的截面積最小，最為經(jīng)濟(jì)。

表 2 底層框架承受的彎矩百分比

3、柱內(nèi)力

    該結(jié)構(gòu)的立面對(duì)稱，取結(jié)構(gòu)中1軸的一榀框架進(jìn)行分析，立面如圖2所示，以與鋼支撐相連的ZA、ZB兩根柱子為研究對(duì)象，其在地震作用下的軸力見表3，各模型中柱子軸力隨樓層的變化趨勢(shì)見圖3。

圖 2 結(jié)構(gòu)1軸立面圖

表 3 （a）柱ZA各層軸力（kN）

表 3 （b）柱ZB各層軸力（kN）

 圖 3 （a）柱ZA各層軸力變化圖   圖 3 （b）柱ZB各層軸力變化圖

由圖3可以看出，加鋼支撐后柱子的軸力有明顯的增大，并且結(jié)構(gòu)層數(shù)越低其軸力的提高幅度越大。在同一樓層處模型H的柱軸力增加最多，其次是模型R，模型C的柱子軸力增加最少，結(jié)合表2中各模型中支撐的截面面積，可以得出，在最大應(yīng)力比基本相同的情況下，鋼支撐的截面越大，則與其相連的框架柱的軸力增加越多。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于加鋼支撐后結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度、質(zhì)量的增加導(dǎo)致地震反應(yīng)隨之增大，大部分的水平地震作用會(huì)通過梁柱節(jié)點(diǎn)傳遞至鋼支撐，然后再由鋼支撐傳遞至框架柱，從而使得框架柱的軸力隨之增大。

四、結(jié)論

通過上述分析，可以得到在類似于本文的結(jié)構(gòu)方案條件下，十字交叉中心鋼支撐的采用會(huì)對(duì)鋼筋混凝土純框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生如下影響：

1、十字交叉中心鋼支撐能夠有效地減小結(jié)構(gòu)位移、平動(dòng)周期以及扭轉(zhuǎn)周期，且在最大應(yīng)力比相同的情況下，H型鋼支撐對(duì)結(jié)構(gòu)的位移改善效果比無縫鋼管和箱型截面的支撐好；

2、在最大應(yīng)力比相同的情況下，與無縫鋼管和箱型截面的支撐相比，H型鋼截面的支撐所承受的抗傾覆彎矩更多，即在抗震情況下，H型鋼截面的支撐能夠較好地發(fā)揮第一道防線的作用；

3、在最大應(yīng)力比相同的情況下，無縫鋼管和箱型截面這種封閉截面比H型鋼的截面尺寸小，經(jīng)濟(jì)性較好。

4、鋼支撐截面尺寸對(duì)與其相連接的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力有較大影響，在最大應(yīng)力比相同的情況下，鋼支撐的截面越大，與其相連的框架柱軸力越大。故而在抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在滿足抗震措施的前提下，盡量選用較小的支撐截面，以避免過大的地震作用。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)   文徑網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)項(xiàng)目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)