CN101509276A - 钢筋混凝土框架-偏心钢支撑组合结构体系 - Google Patents

Abstract

钢筋混凝土框架－偏心钢支撑组合结构体系，涉及一种钢筋混凝土结构。提供一种结构简单合理、发挥钢筋混凝土结构与钢结构各自在强度、稳定性及抗震性能方面的优势、减轻结构自重、增加建筑布置的灵活性的钢筋混凝土框架－偏心钢支撑组合结构体系及其设计方法。体系包括框架结构与偏心钢支撑，偏心钢支撑设于框架结构内，偏心钢支撑以偏心布置的方式与框架结构组合连接。设计偏心钢支撑：按梁跨度和柱的轴压比限值确定梁柱截面尺寸；按侧向变形限值要求确定出各侧向刚度不足的数值；选择偏心钢支撑的型式和布置方案，按刚度要求确定偏心钢支撑尺寸和偏心距大小，求出每道偏心钢支撑的截面面积；进行整体强度和变形验算，确定梁柱的截面尺寸和配筋。

Description

钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系

技术领域

本发明涉及一种钢筋混凝土结构，尤其是涉及一种主要用于多层或高层工业与民用建筑的钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系。

背景技术

钢筋混凝土框架结构与钢筋混凝土剪力墙结构是广泛应用于工业与民用建筑中的主要结构形式。

钢筋混凝土框架结构的平面布置比较灵活，是被广泛采用的建筑结构形式，但由于框架结构的抗侧性能主要取决于梁、柱的截面尺寸，柱网尺寸及结构层数和高度。当层数较多时，结构侧移较大，抗侧刚度较小，侧向承载力较低，水平位移不易满足规范要求。

为了提高钢筋混凝土框架结构的抗侧刚度，通常在框架中加入一定数量的剪力墙。但剪力墙的布置，一方面往往不能满足公共建筑的使用要求，特别是使用期中在剪力墙上开洞比较困难；另一方面，由于剪力墙的自重比较大，变形能力低，当结构进入塑性阶段时，其刚度降幅比较大。

另一种提高钢筋混凝土框架抗侧刚度的方法是采用桁架式结构，也就是带中心支撑的结构，而中心支撑的引入使得在抗震上本来就薄弱的钢筋混凝土框架节点构造变得更为复杂，进一步削弱了节点的抗震性能。

石建光(石建光，宋继强.偏心支撑钢筋砼框架与框架剪力墙的比较研究[J].工程力学增刊，1998，A02：346-350)报道了有关偏心支撑钢筋砼框架与框架剪力墙的比较研究。

宋继强(宋继强，那志宏.带偏心支撑钢筋砼框架的设计[J].工程力学增刊，1999，A02：577-581)报道了有关带偏心支撑钢筋砼框架的设计。

石建光(石建光.带偏心钢支承钢筋砼框架动力反应[J].包头钢铁学院学报，2001，1：59-66)报道了有关带偏心钢支承钢筋砼框架动力反应。

石建光(石建光，刘雅萍，陈跃.钢-混凝土组合框架结构性能研究[J].施工企业管理，2002，4：34-35)报道了有关钢—混凝土组合框架结构性能研究。

陈新孝(陈新孝，牛获涛，石建光，朱梅生.偏心支撑钢筋混凝土框架的试验研究与极限分析[J].工业建筑，2003，33，(3)：35-38)报道了有关偏心支撑钢筋混凝土框架的试验研究与极限分析。

石建光(石建光，叶志明.偏心钢支撑-钢筋混凝土框架的侧移和地震反应[J].工业建筑，2008，38，(1)：106-109)报道了有关偏心钢支撑—钢筋混凝土框架的侧移和地震反应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单合理、发挥钢筋混凝土结构与钢结构各自在强度、稳定性及抗震性能方面的优势、减轻结构自重、增加建筑布置的灵活性的钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系。

本发明的另一目的在于提供一种钢筋混凝土框架一偏心钢支撑组合结构体系的设计方法。

本发明所述钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系包括框架结构与偏心钢支撑，框架结构由钢筋混凝土梁柱形成，偏心钢支撑设于框架结构内，框架结构由柱和梁组成，偏心钢支撑以偏心布置的方式与框架结构组合连接。

所述偏心钢支撑可为X型偏心钢支撑，单斜杆偏心钢支撑或K型偏心钢支撑等。

本发明所述钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系的设计方法包括以下步骤：

步骤1：设计钢筋混凝土框架；

步骤2：设计偏心钢支撑，具体步骤如下：

1)按梁跨度和柱的轴压比限值确定梁柱截面尺寸；

2)按侧向变形限值要求确定出各侧向刚度不足的数值；

3)选择偏心钢支撑的型式和布置方案，按刚度要求确定偏心钢支撑尺寸和偏心距大小，求出每道偏心钢支撑的截面面积，采用以下公式：

$K=\frac{4\×{\left(1000\right)}^2\mathrm{EA}}{l^2}$

其中，E—钢材的弹性模量，A—每道支撑的截面面积，l—钢支撑的计算长度；

4)进行整体强度和变形验算，以确定梁柱的截面尺寸和配筋；

5)当第4)步的计算不满足要求时，进行初设值的调整，并重复第1)～4)步，直到满足为止；

6)钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构耗能梁段的破坏可分为脆性破坏和延性破坏，规定跨高比S＝3.5作为判别耗能梁段由脆性破坏过渡到延性破坏的分界线；

7)剪拉劈裂破坏基本上发生在耗能梁段的剪切滑移带上，剪切带长约为耗能梁段长的一半，剪切滑移带的剪拉破坏取决于混凝土的抗拉强度，由测定抗拉强度试验出发，建立计算模型，从而导出剪拉劈裂破坏计算公式：

$\frac{\mathrm{Qu}}{{\mathrm{bh}}_0{f}_t}=\frac{1}{\sqrt{1+m^2}}\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{Ps}+0.056N}{{\mathrm{bh}}_o{f}_t}$

其中：Qu—极限剪切荷载，ho—梁高，b—梁宽，ft—混凝土抗拉强度，Ps—耗能梁段中混凝土开裂时的钢筋拉力，N—耗能梁段中压力，m—跨高比；

8)弯曲破坏按规范(GBJ10—89)正截面抗弯强度计算公式计算。

与现有的钢筋混凝土框架结构比较，本发明具有以下突出的优点：

1)钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构的弹性抗侧刚度比钢筋混凝土框架结构明显提高。前者可以是后者的2.5～3.8倍，提高幅度与支撑方式和支撑刚度有关，X型支撑提高幅度最大。

2)钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构的开裂、屈服、最大承载力都高于钢筋混凝土框架结构。前者可以是后者的的1.5～2.0倍。用等能量方法确定的屈服承载力表明，前者可以是后者的2.5倍，前者的最大承载力可以是后者的1.6～2.2倍。

3)钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构在达到开裂、屈服、最大承载力时的位移明显小于钢筋混凝土框架结构。

4)从不同偏心钢支撑形式的比较可知：

X型支撑，可明显提高抗侧刚度和最大承载力，但由于连系梁发生明显剪切变形，其强度和刚度随循环次数增加迅速衰减。

单斜支撑，当支撑受拉时，与X型支撑相似；当支撑受压时，其作用很小。

K型支撑，比较钢筋混凝土框架结构，刚度和强度明显提高，其延性性能也明显提高，为理想的支撑方式。

5)偏心支撑框架的最大地震反应位移明显降低，X型支撑框架的位移可以是纯框架的1/6.6，K型支撑是纯框架的1/3.6；偏心支撑框架的最大地震反应速度明显降低，X型支撑框架的速度可以是纯框架的1/7.5，K型支撑可以是纯框架的1/4.2；偏心支撑框架的最大地震反应加速度都基本相同，可以是纯框架的0.95倍；偏心支撑框架柱的最大地震反应剪力明显降低。

与钢筋混凝土框架—剪力墙结构比较，本发明具有以下突出的优点：

1)在结构布置上，钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构比钢筋混凝土框架—剪力墙结构具有较大的灵活性，使用上可为设备管道等提供穿越空间。

2)钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构比钢筋混凝土框架—剪力墙结构重量小，刚度低，使前者的振动周期延长，地震力降低。

3)钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构比钢筋混凝土框架—剪力墙结构易于调节刚度，可使结构纵横向差异减小，并控制结构侧移以满足位移限值的要求。

4)钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构避免了剪力墙的混凝土大量使用。

5)钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构具有混凝土结构防火性能好的特点，降低了火灾造成的可能。

附图说明

图1为一个钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构的平面布置图，在图1中，1为一榀偏心钢支撑桁架，2为一榀钢筋混凝土框架。

图2为本发明实施例的钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构的钢筋混凝土框架平面布置图。

图3为本发明实施例的钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构的一榀单斜杆偏心钢支撑桁架平面布置图。

图4为本发明实施例的钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构的一榀X形偏心钢支撑桁架平面布置图。

图5为本发明实施例的钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构的一榀K形偏心钢支撑桁架平面布置图。

图6为本发明实施例的三种偏心钢支撑结构以及三种偏心钢支撑耗能梁段根据跨高比不同而发生的不同破坏形式示意图。在图6中，a.单斜杆偏心钢支撑的结构示意图，b.X型偏心钢支撑的结构示意图，c.K型偏心钢支撑的结构示意图；A.耗能梁段剪拉劈裂破坏，B.耗能梁段弯曲破坏。

图7为13层框架—剪力墙结构平面图。

图8为13层框架—剪力墙结构剖面图。

图9为13层框架—偏心钢支撑平面布置图。

图10为钢支撑结构剖面及各层重力代表值。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明是一种建筑结构的新型体系，为建筑结构设计提供一种钢筋混凝土框架基础上的工程建设途径，主要通过建筑工程的设计完成实施。面对建筑方案，当采用钢筋混凝土框架结构无法满足结构侧向刚度或承载力要求时，通过在建筑的平面和建筑的竖向布置一定数量的偏心钢支撑提高结构侧向刚度或承载力，形成偏心钢支撑和混凝土框架的组合结构体系，不设置混凝土剪力墙也能满足结构侧向刚度或承载力要求。当在建筑工程的设计中采用钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系时，主要进行偏心钢支撑的设计，内容包括钢支撑设置位置、竖向布置、型式、数量、偏心距大小、钢支撑几何尺寸和构造等，这些参数的确定以满足建筑结构强度、刚度、稳定性、延性等要求为原则。通过具体的结构设计计算，使用最少的材料，使得结构整体性能达到最优的状态。

本发明所述钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系，参见图1～5，图1给出一个钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构的平面布置图，11为一榀偏心钢支撑桁架，12为一榀钢筋混凝土框架。图2～5给出本发明实施例的钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构的钢筋混凝土框架、一榀单斜杆偏心钢支撑桁架、一榀X形偏心钢支撑桁架和一榀K形偏心钢支撑桁架的平面布置图。在图2～5中，钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系包括钢筋混凝土梁柱形成的框架结构与偏心钢支撑，框架结构由钢筋混凝土梁柱形成，偏心钢支撑设于框架结构内，框架结构1由柱5和梁6组成，偏心钢支撑以偏心布置的方式与框架结构组合连接。偏心钢支撑可为X型偏心钢支撑2，单斜杆偏心钢支撑3或K型偏心钢支撑4等。

其偏心钢支撑可采用以下设计方法：

1)按梁跨度和柱的轴压比限值确定梁柱截面尺寸；

2)按侧向变形限值要求确定出各侧向刚度不足的数值；

3)选择偏心钢支撑的型式和布置方案，按刚度要求确定偏心钢支撑尺寸和偏心距大小，求出每道偏心钢支撑的截面面积，采用以下公式：

$K=\frac{4\×{\left(1000\right)}^2\mathrm{EA}}{l^2}$

其中，E—钢材的弹性模量，A—每道支撑的截面面积，l—钢支撑的计算长度；

4)进行整体强度和变形验算，以确定梁柱的截面尺寸和配筋；

5)当第4)步计算不满足要求时，进行初设值的调整，并重复以上步骤，直到满足为止；

6)钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构耗能梁段的破坏可分为脆性破坏和延性破坏，规定耗能梁段跨高比S＝L/ho＝3.5(作为判别耗能梁段由脆性破坏过渡到延性破坏的分界线，跨高比对耗能梁段受力性能有重要影响，当跨高比小于3.5时，易发生剪拉劈裂破坏，当跨高比大于3.5时，易发生弯曲型破坏，见图6；

7)剪拉劈裂破坏基本上发生在耗能梁段的剪切滑移带上，剪切带长约为耗能梁段长的一半，剪切滑移带的剪拉破坏取决于混凝土的抗拉强度，由测定抗拉强度试验出发，建立计算模型，从而导出剪拉劈裂破坏计算公式：

$\frac{\mathrm{Qu}}{{\mathrm{bh}}_0{f}_t}=\frac{1}{\sqrt{1+m^2}}\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{Ps}+0.056N}{{\mathrm{bh}}_o{f}_t}$

其中：Qu—极限剪切荷载，ho—梁高，b—梁宽，ft—混凝土抗拉强度，Ps—耗能梁段中混凝土开裂时的钢筋拉力，N—耗能梁段中压力，m—跨高比；

8)弯曲破坏按规范(GBJ10—89)正截面抗弯强度计算公式计算。

钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构是在普通钢筋混凝土框架中加入与框架节点偏离一定距离的钢支撑的结构体系。钢偏心支撑加入框架结构，提高了结构抗侧刚度及承载力，结构破坏范围被限制在从梁柱节点到钢支撑与框架梁的交点这一段梁中-也就是连系梁内，柱中剪力明显降低，改善了框架结构的抗震性能，钢支撑的可以任意设置在建筑的平面和建筑的竖向，是一种比较理想的抗震结构形式。

随偏心支撑抗侧刚度的增大，框架的承载力提高，而延性降低。当支撑侧向刚度达总侧向刚度95％时，框架性能与桁架相似，而当支撑侧向刚度较小，占总刚度20％时，框架性能与纯框架相似。说明偏心支撑框架性能可通过支撑调整侧向刚度。

钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构的抗侧刚度和水平承载力主要取决于钢筋混凝土框架梁、柱的极限弯矩，连系梁的抗剪力以及支撑的布置方式。因而，通过以上几个因素的合理配置，就可以得到偏心支撑钢筋混凝土框架结构的预期刚度和承载力。

通过调节钢支撑的偏心距离可以控制框架梁中连系梁段的破坏性形式，偏心距离从小到大变化，连系梁段从剪切破坏型式变化到弯曲破坏型式。钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构还是有利的抗震结构型式，可充分利用材料性能满足抗震设防的目的。

钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构是在普通钢筋混凝土框架中加入不与框架节点相连接的支撑的结构。美国的Popov教授等学者提出的带偏心支撑的框架结构为应用于钢框架结构中，目前很多规范等已经确定了钢框架-偏心支撑结构。而本发明的钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构由钢筋混凝土梁、柱与偏心钢支撑组成，这里的偏心钢支撑特别是指X型，K型和单斜杆三种偏心钢支撑。

钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构不但使结构的抗侧刚度明显提高，而且通过偏心支撑能使框架结构实现塑性铰的转移，使节点的抗震性能得到改善，耗能能力显著提高。

下面结合具体例子比较对本发明作进一步说明。

设计方案1

采用的工程实例为13层框架—剪力墙结构，抗震设防烈度为8度，地基为II类场地，结构平面见图7，剖面见图8。梁板、墙、柱均为现浇钢筋混凝土，混凝土强度等级：梁、柱、墙1～7层C30，8～13层C20。主筋用II级钢，箍筋用I级钢，各层重力荷载代表值见图7。

设计方案2

采用的工程实例为13层框架—偏心钢支撑，仅将设计方案1中的剪力墙用偏心槽钢代替，其余与设计方案1相同。偏心支撑的平面布置见图9(a图为1～2层，b图为3～11层)，各层支撑的材料性等见表1。各层重力荷载代表值见图10。

表1

用中国建筑科学研究院编制的高层建筑结构三维分析程序软件对以上2个设计方案进行设计分，可以体现本发明的优越性，分析结果如下：

2个设计方案的地震周期如表2所示。

表2

 

周期(s)	T1	T2	T3	T4	T5	T6	T7	T8	T9
										方案(一)	2.1589	1.3774	1.1483	0.7132	0.3790	0.3501	0.2898	0.2390	0.1638
方案(二)	2.4184	2.4604	2.3014	0.8690	0.8270	0.7962	0.4993	0.4706	0.4248

利用振型分解法计算的到基底地震力的比较如表3所示；

表3

纵横向多遇烈度下层间位移及顶点位移如表4所示；

表4

两个设计方案材料用量的差异主要为剪力墙和支撑，剪力墙和支撑的材料用量按工程定额计算的每平米造价如表5所示；

表5

 

	混凝土用量(m2)	钢用量(t)	每平米造价(元)
				方案(一)	239.112	13.009	157.46
方案(二)	0	16.440	62.47

Claims (3)

1.钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系，其特征在于包括框架结构与偏心钢支撑，框架结构由钢筋混凝土梁柱形成，偏心钢支撑设于框架结构内，框架结构由柱和梁组成，偏心钢支撑以偏心布置的方式与框架结构组合连接。

2.如权利要求1所述的钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系，其特征在于所述偏心钢支撑为X型偏心钢支撑，单斜杆偏心钢支撑或K型偏心钢支撑。

3.如权利要求1所述钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构体系的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：设计钢筋混凝土框架；

步骤2：设计偏心钢支撑，具体步骤如下：

1)按梁跨度和柱的轴压比限值确定梁柱截面尺寸；

2)按侧向变形限值要求确定出各侧向刚度不足的数值；

3)选择偏心钢支撑的型式和布置方案，按刚度要求确定偏心钢支撑尺寸和偏心距大小，求出每道偏心钢支撑的截面面积，采用以下公式：

$K=\frac{4\×{\left(1000\right)}^2\mathrm{EA}}{l^2}$

其中，E一钢材的弹性模量，A一每道支撑的截面面积，l一钢支撑的计算长度；

4)进行整体强度和变形验算，以确定梁柱的截面尺寸和配筋；

5)当第4)步的计算不满足要求时，进行初设值的调整，并重复第1)～4)步，直到满足为止；

6)钢筋混凝土框架—偏心钢支撑组合结构耗能梁段的破坏可分为脆性破坏和延性破坏，规定跨高比S＝3.5作为判别耗能梁段由脆性破坏过渡到延性破坏的分界线；

7)剪拉劈裂破坏基本上发生在耗能梁段的剪切滑移带上，剪切带长约为耗能梁段长的一半，剪切滑移带的剪拉破坏取决于混凝土的抗拉强度，由测定抗拉强度试验出发，建立计算模型，从而导出剪拉劈裂破坏计算公式：

$\frac{\mathrm{Qu}}{b{h}_0{f}_t}=\frac{1}{\sqrt{1+m^2}}\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{\mathrm{Ps}+0.056N}{b{h}_o{f}_t}$

其中：Qu—极限剪切荷载，ho—梁高，b—梁宽，ft—混凝土抗拉强度，Ps—耗能梁段中混凝土开裂时的钢筋拉力，N—耗能梁段中压力，m—跨高比；

8)弯曲破坏按规范GBJ10—89正截面抗弯强度计算公式计算。

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