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閱讀 5850 次淺談鋼支撐對鋼筋混凝土框架結構的影響

摘要：與傳統的建筑結構形式相比，鋼結構是一種最符合“綠色建筑”特征的結構形式。而根據鋼結構的特點，把鋼構件應用到已有建筑結構的加固改造中，也能較好的改善原始建筑的結構性能。近年來國內外已經開始采用后加鋼支撐的方法，來加固鋼筋混凝土框架結構。與后加翼墻或者剪力墻加固法相比，該方法具有費用少、自重輕、布置靈活、占用室內空間小等優點。基于此，本文以三種不同截面形式的鋼支撐，來研究鋼支撐對已有鋼筋混凝土框架結構的影響。 ...

淺談鋼支撐對鋼筋混凝土框架結構的影響

焦瑞敏宇文娟

（陜西省建筑科學研究院設計院）

一、引言

隨著我國社會生產力的發展和建筑科技進步的趨勢，變革傳統的建筑理念，使建筑具備“環保、節能、工業化”即“綠色建筑”的特征，已經開始成為人類的共同理想。與傳統的建筑結構形式相比，鋼結構是一種最符合“綠色建筑”特征的結構形式。而根據鋼結構的特點，把鋼構件應用到已有建筑結構的加固改造中，也能較好的改善原始建筑的結構性能。近年來國內外已經開始采用后加鋼支撐的方法，來加固鋼筋混凝土框架結構。與后加翼墻或者剪力墻加固法相比，該方法具有費用少、自重輕、布置靈活、占用室內空間小等優點。基于此，本文以三種不同截面形式的鋼支撐，來研究鋼支撐對已有鋼筋混凝土框架結構的影響。

二、研究方案

原結構為6層鋼筋混凝土純框架結構，首層層高為5.8m，其余層均為5.2m，平面圖如圖1所示。在該框架結構的基礎上，分別在結構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，支撐與原結構的連接為鉸接。結構梁、板、柱的混凝土強度等級均為C35，鋼支撐采用Q235級鋼材，各材料物理、力學性能等均按照現行國家規范取值。結構模型中各層樓面恒荷載標準值為5kN/m2，活荷載標準值為2.0kN/m2，屋面板恒荷載標準值為9kN/m2，活荷載標準值為0.5kN/m2。假設結構位于抗震設防烈度為8度0.2g、場地類別為Ⅲ類、地震分組為第一組的地區。該結構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 結構平面圖

三、計算結果

1、結構自振周期和位移

經過SATWE分析得原結構以及加支撐后結構的自振周期，當鋼支撐的最大應力比在0.95左右時的自振周期以及最大位移見表1：

表 1 結構自振周期及位移

模型編號	支撐截面	回轉半徑i(mm)	支撐最大應力比	最大位移	平動周期T1	扭轉周期Tt	T1/Tt
模型O	——	——	——	1/458	1.2250	1.1126	0.91
模型C	ø 250mm×12mm	84.25	0.95	1/804	0.8355	0.5556	0.66
模型H	H 300mm×300mm×12mm×24mm	ix=129.2 iy=78.7	0.94	1/920	0.7526	0.4740	0.63
模型R	□250mm×250mm×14mm	96.5	0.95	1/859	0.7990	0.5186	0.65

從表1中可以看出，加鋼支撐后的結構平動周期和扭轉周期都有所減小，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，位移不滿足規范要求，而加支撐后位移減小，且在相同最大應力比控制下，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%，表明在最大應力比相同的情況下，H型鋼對結構的位移改善效果最好。

2、底層框架承受的彎矩

經過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力比在0.95左右時，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型鋼能夠很好的發揮第一道防線的作用。但是與此同時，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）支撐存在強軸和弱軸方向，當Y方向回轉半徑滿足時，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，相對較為經濟。對比模型C和模型R，可以看出這兩種類型的支撐在最大應力比均為0.95時，模型C所采用的無縫圓鋼管的截面積最小，最為經濟。

表 2 底層框架承受的彎矩百分比

模型編號	支撐截面	截面積（mm2）	回轉半徑i(mm)	支撐最大應力比	底層框架承受的彎矩百分比
模型O	——	——	——	——	100%
模型C	ø 250mm×12mm	8972.4	84.25	0.95	47.16%
模型H	H 300mm×300mm×12mm×24mm	17424.0	ix=129.2 iy=78.7	0.94	38.06%
模型R	□250mm×250mm×14mm	13216.0	96.5	0.95	43.24%

3、柱內力

該結構的立面對稱，取結構中1軸的一榀框架進行分析，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見圖3。

圖 2 結構1軸立面圖

表 3 （a）柱ZA各層軸力（kN）

層號	模型O	模型C	模型H	模型R
1	455.2	2529.8	2831.5	2674.6
2	364.1	1773.4	1902.0	1840.5
3	262.6	1067.0	1108.3	1089.6
4	167.1	531.2	534.7	533.0
5	88.1	189.8	183.3	185.8
6	31.7	49.5	61.2	54.2

表 3 （b）柱ZB各層軸力（kN）

層號	模型O	模型C	模型H	模型R
1	561.9	1023.0	1330.5	1147.4
2	446.1	890.0	1172.5	1004.7
3	318.2	692.7	900.2	780.0
4	200.6	486.2	623.4	546.0
5	104.0	282.1	356.8	315.7
6	36.0	94.4	116.1	104.5