2024年3月13日发(作者：)

工程

建设与设计

______

Construction

&

Design

For

Project

提高单跨框架结构抗震性能的几种方法

Several

Methods

to

Improve

the

Seismic

Performance

of

Single

Span

Frame

Structure

闫艳伟

李晓蕾

2

(

1

•中元国际工程有限公司

，

北京100038

；

2.

西安理工大学土木建筑工程学院

，

西安

710048)

YAN

Yan-wei

1

,

LI

Xiao-lei

2

(1

.China

IPPR

International

Engineering

Co.

Ltd.,

Beijing

100038,

China;

2.

School

of

Civil

Engineering

and

Architecture,

Xi'an

University

of

Technology,

Xi'an

71004

&

China)

【

摘要

】

单跨框架结构冗余度小

，

在地震中很容易形成机构并发生倒塌破坏

，

故在设计中应增加延性

，

提高其抗震性能。结合实际

工程

，以一工业厂房附属用房中的单跨框架结构为例

，

对比分析了加强抗震措施

、

中震弹性设计与中震不屈服设计

、

对结构重要部

位进行包络设计三种提升结构综合抗震性能的方法结果表明

，

可通过提高抗震等级和抗震构造措施以及对结构重要部位进行包

络设计来有效提高结构抗震性能

，

对关键构件进行中震抗震设计能保证其具有较好的延性

，

但建筑物的整体造价会有所提高

[

Abstract

]

Due

to

the

small

redundancy

of

single

span

frame

structure,

it

is

easily

forming

mechanism

and

collapsed

under

the

earthquake.

Then,

the

seismic

performance

of

single

span

frame

structure

should

be

improved

by

strengthening

structure

ductility.

Combined

with

practical

engineering,

a

single

span

frame

structure

in

industrial

workshop

accessory

occupancy

as

an

example,

three

methods

are

proposed

as

follows:

strengthen

aseismic

measures,

elastic

and

non-yielding

design

under

moderate

earthquake,

envelope

design

for

the

important

parts

of

the

structure.

The

comparative

analysis

was

made

in

this

paper,

and

results

shows

that

improving

seismic

grade

and

seismic

construction

as

well

as

envelope

design

for

important

part

of

the

structure

are

affect

measures

for

strengthening

the

structural

seismic

performance.

Seismic

design

for

key

component

of

structure

under

moderate

earthquake

will

ensure

the

good

ductility;

however,

the

overall

cost

of

structure

will

be

increased.

【

关键词

】

单跨框架

;

抗震措施涎性

;性能设计

[

Keywords

]

single-span

frame

structure;

seismic

measures;

ductility

；

performance

design

【

中图分类号

】

TU323.5;TU352

[DOI]

10.1361

6/j.20

19.02.015

【

文献标志码

】

B

【

文章编号

11007-9467(2019)02-0048-04

1

引言

单跨框架结构指由

2

根柱

1

根梁组成的结构

，

其抗侧刚

以及高度大于

24m

的丙类建筑,

不应采用单跨框架结构;高度

不大于

24m

的丙类建筑不宜采用单跨框架结构

。条文说明中

指出

：

单跨框架结构是指只要有一个主轴方向的框架全部为

单跨时

;

某个主轴方向有局部单跨框架

、

另一主轴方向为多跨

度小

，

结构超静定次数少

，

耗能能力弱

，

结构冗余度小,不能形

成多道抗震防线

,

在超越抗震设防的强震作用下

，

一旦框架柱

出现塑性枝

，则整个结构出现连续倒塌的可能性很大

。

GB

框架时

,不作为单跨框架结构对待

。

在实际工程项目中

，

如一些有特殊工艺要求的工业建筑,

50011-2010

建筑抗震设计规范

(2016

版

)"

规定:甲乙类建筑

不可避免的需要采用单跨框架结构，

而相关规范并未对此类

结构如何设计做具体说明

。

此外

,

由于地震的随机性

.结构计

【

基金项目

】

国家自然科学基金顶目

(

2572107)

；

中国博士后科学

基金

(2014M562523XB)

算不能仅依赖于计算设计

,

概念设计同样重要

。

在框架结构设

计中

,

强柱弱梁

、

强剪弱弯

、

减小轴压比

、控制最小配筋率正是

【

作者简介】

闫艳伟

(1980~)

，

女

，

河南清丰人,工程师

，

从事高层混

采用抗震槪念设计的体现

.

注重这类基于理论及长期经验总

凝土结构设计与研究。

48

结的工程抗震概念设计

，

是结构具有较好延性性能的主要因

_______

建筑与

结构设计

Architectural

and

Stnictural

Design

素

,

亦是保证结构整体具有良好抗震性能的关键点

。

现有研究表明.

针对单跨框架结构,一般可采用两类措施

艺的需要

,

采用单跨框架结构不可避免

,

但因单跨框架结构具

有冗余度少

、

强震作用下楼层侧移较大

、

结构较早形成机构并

容易倒塌的缺点

，

在采用单跨框架结构时必须采取措施提高

其抗震性能

。

以下采取

3

种措施对单1

跨框架的抗震性能进

以增加其抗震性能

:(

1

)

改变单跨框架结构的形式

，

使结构具

备多道抗震防线

0

叫如增设框架柱

、

增设钢筋混凝土剪力墙

、

框架柱设置翼墙

、

设置支撑

(

钢支撑

、

耗能支撑)等

。

(

2

)

通过合

行加强

,

并对其抗震计算结果进行对比分析

。

理提高地震作用或抗震措施

，

改善结构的延性

。

如对结构进行

性能化设计

，进行结构中震阶段的设计

,

具体包含“

中震弹性

”

和

“

中震不屈服

”

匹殳计

。

3.1

加强抗震措施

加强抗震措施一般从两个方面来实现

，

一方面仅加强抗

震构造措施

,

另外一方面抗震措施也加强

。

本文以采用单跨框架结构的工业厂房附属用房为例

，

结

本工程所采用的的单跨框架结构

,

属于丙类结构

,最低要

求是抗震措施(含构造措施)提高一级;本文

7

度设防区

,3

层

合《

建筑抗震设计规范

》

(

2016

版)和外审专家的意见,采用盈

建科

YSJ(

1.8.2)分别从加强抗震措施

、

进行性能化设计

、

平面

框架的补充计算

3

方面进行了结构抗震计算

，

并详细对比了

框架结构

(H=10.8m)

框架结构抗震等级三级;现为提高单跨框

架的抗震性能

，

把抗震等级由三级等提高到二级

。

采用盈建科

周期

、

位移

、

柱底反力及计算配筋等

。

计算结果表明

,3

种措施

YSJ(1.8.2)

对框架结构抗震等级二级和三级两种情况分别进行

了计算

。

表

1

给出了

A

柱和

B

柱在三级与二抗震等级下的

均能不同程度的提高单跨框架抗震性能,增加结构延性

。

本文

研究结论可为此类工程项目设计提供参考

。

柱底剪力

、

轴力及弯矩值

；表

2

为对应于不同抗震等级时,

A

柱和

B

柱的轴压比

、配筋面积及配箍面积

。

2

工程概况

生产辅助用房为

3

层的单跨现浇框架结构，

使用功能为

表

1

柱底反力

排架厂房的办公区域

，

在此框架结构中,单跨跨度为&

3m,

纵

向柱距为

6.0m,

层高均为

3.6m

。

框架柱的尺寸为

500mmx

600mm,

计算楼面的活荷载为2kN/m2

„

梁

、

板

、

柱混凝土强度等

级均采用

C30.

受力主筋采用

HRB400

级钢筋

。

场地类别ID

类

，

设防烈度

7

度,设计基本地震加速度

0.10g,

设计地震分组

VAN

V,/kN

/V/kN

Afy(kN-m)

AfXkN-m)

卄

A

抗震等级三级

53.5

37.8

-1043.1

-62.6

128.8

1+

A

仕抗震等级二级

53.837.8-1107

」

-62.6

129.6

提髙百分率

/%

0.560

6.13

0

0.62

抗震等级三级

53.6

-5.0

-969.9

-4.7

126.9

任抗震等级二级

53.8

-5.0

-1025.5

-4.7

127.4

提高百分率

/%

0.37

0

5.73

0

0.39

竖向受力构件

柱底内力(标准组合)

为第

2

组

。

建筑结构平面布置如图

1

所示

。

表

2

柱子计算配筋

3

3

种提高抗震性能的措施

虽然工业建筑中因工艺的需要

，

采用单跨框架结构不可

避免

，

但因单跨框架结构具有冗余度少

、

强震作用下楼层侧移

较大

、

结构较早形成机构并容易倒塌的缺点

，

在采用单跨框架

7

度设防区的框架结构抗震等级从三级提高至二级时

，由

结构时必须采取措施提高其抗震性能

。虽然工业建筑中因工

表

1

可知,结构柱

A

和柱

B

底部的内力变化也很小,两个柱子

在％方向的剪力分别提高

0.56%

及

0.37%,

轴力分别提高

6.13%和

5.73%,

y

方向的弯矩分别提高

0.62%

和

0.39%,

由表

2

中可看出

，

柱

A

和柱

B

的轴压比

、

配筋面积及配箍面积均无任

何变化

。

以上结果表明

，

当单纯将单跨框架

图

1

框架结构平面布置图

结构的抗震等级提高一级时

,

结构的极

49

工程建设与设计

Construction

&

Design

For

Project

限承载能力无明显变化

。

但是,其相应的抗震构造措施有所提

3.79

倍

，

y

方向的弯矩分别增大为

4.09

倍和

4.28

倍

，

结果表

高

，

当抗震等级从三级提高至二级时

，

单跨框架结构的轴压比

限值由

0.85

提高至

0.75,

最小配筋率增加

14.2%,

箍筋的加密

明

，

当采用中震作用进行抗震设计时

，

框架柱的内力提高幅度

很大

。

区间距由

150mm

提升至

100mm,

非加密区箍筋间距由

W

15d

（

d

为纵向钢筋直径

）

提升至

W10d,

加密区体积配箍率也增加

3.

3

平面结构计算模型补充算

在结构计算中

,

PK

采用平面杆系结构

，

是专门针对平面

50%叫这些抗震构造措施一定程度上能够改善框架柱在地震

作用时的受力性能

,

从而进一步提升整体结构的抗震性能

。

单棉框架的分析

，

它不考虑空间结构各棉

、

各结构构件间的相

互影响制约,也即不考虑空间的协同工作

。

这种计算方法得到

3.

2

抗震性能设计

我国结构抗震设计的三水准抗震设防目标为

“

小震不坏

,

中震可修

,

大震不倒

”

o

在具体实施上

，

《

建筑抗震设计规范

》

采

的配筋结果更为保守

,

配筋面积也更大

,

而单跨框架的框架柱

是重要的竖向受力构件

，

对这类结构的关键重要部位采取此

方法,可获得更高的可靠度与抗震能力安全储备

。

此外

，

对结

构重要部位的包络设计是结构设计中常见的包络设计方法,

用了

“

二阶段

”

设计方法:第一阶段

，

按小震作用效应和其他荷

载效应的基本组合验算结构构件的承载能力

，

验算结构在小

它依据结构部位的受力复杂程度

，

对其可能出现的各种情况

震作用下的弹性变形

。

第二阶段为验算结构在大震作用下的

弹塑性变形

。

第一阶段的设计保证结构满足

“

小震不坏

”设防

分别进行分析

,

并分别取最不利值组合进行设计。

本文分别采用基于空间有限元壳元模型分析的

YSJ

及平

目标要求

，

第二阶段的设计保证结构满足

“

大震不倒

”

设防目

标要求

。

而处于第二水准抗震设防目标要求的

“

中震可慘'是

通过以概念设计和抗震构造措施来加以保证的

。

面杆系结构的

PK

进行单跨框架结构的计算分析

，

其受力筋

、

箍筋及轴压比计算结果详见表

4

。

由表

4

可以看出，采用忽略

空间协同工作的平面框架进行计算时

,

A

柱下端受力纵筋面

积增加

23.1%,

B

柱下端受力纵筋面积增加10.5%,

而柱的抗

由上可知

，

我国目前的抗震设计仍是以小震为基础

，

中震

设计的具体内容涉及很少

。

近年来随着我国复杂结构、

超限结

构越来越多

，

国内一些专家指出对此类复杂结构的抗震设计

剪构造配箍无明显增加

,

柱轴压比有所降低

。

4

结论

表

4

平面框架计算

柱

A

（

框架方向

）

/mm

2

应按照不同性能目标进行分析和验算

，

这种对整体结构

或结构关键部位

、

关键构件进行中震作用下的抗震设计

也是基于性能抗震设计思想在我国结构设计中的一种体

现

。

针对本工程实例

,

单跨框架结构中柱子是比较重要的

关键构件

，

应对柱子进行性能化设计以提高框架结构的

延性

，

性能化设计的冃标根据建筑物本身的重要性及当

地审图专家的建议定义为中震弹性或是中震不屈服

。

计算软件

柱

B

（

框架方向

）

/nim

2

柱下端单侧计算配筋您

=

1215

柱抗剪构造配箍

：

4

S¥nlin

=115

受力筋

柱下端单侧计算配筋

4

产

1108

PK

箍筋

柱抗剪构造配箍

M8vmin

=115

轴压比

0.456

0.435

柱下端单侧计算配筋

A

9

=

1100

受力筋柱下端单侧计算配筋

/1,=900

1

OJ

箍筋

柱抗剪计算配箍

（

按

100mm

间距柱抗剪计算配箍

（

按

lOOnim

间

输出

）

:4/114

（

加密区

）

距输岀

）

：

4SV

=114（

加密区

）

轴压比

0.48

0.44

单跨框架结构的抗侧刚度小

，

耗能能力弱

,

且缺少必要的

冗余度

,

不符合结构抗震体系宜有多道抗震防线的要求

，

故在

表

3

柱底内力

（

标准组合

）

竖向受力构件

柱

A

柱底内力（

标准组合

）

小震

中震

中震

/

小震

柱

B

小振

中振

中震

/

小震

Af,/(kN-m)

A//(kN*m)

53.5

37.8

-1043.1

-62.6

128.8

18

&

9

57.7

-1114.1

-

94

」

526.7

3.53

1.53

1.07

1.50

4.09

53.6

-5.0

-969.9

-4.7

126.9

203.0

-12.0

-1051.0

-0.8

-543

」

3.79

2.4

1.08

0

」

7

4.28

van

V,/kN

N/kN

采用单跨框架结构时必须采取措施提高其抗震性能

，

本文结

合实际工程

，

提出了提高单跨框架结构中关键构件框架柱抗

震等级

、

采用中震抗震设计以及对框架柱进行包络设计

3

种

提升结构综合抗震性能的方法

，

并分析对比了框架柱内力及

配筋等

。

具体研究结果如下

：

1

）

当单纯将单跨框架结构的抗震等级提高一级时

，

结构的

表

3

给出了小震

、

中震弹性及中震不屈服

3

种不同极限

状态设计下单跨框架结构中框架柱底的反力

。

由表

3

可以看

极限承载能力无明显变化

。

但其相应的抗震构造措施有所提

出:当采用中震计算时

，

柱

A和柱

B

的柱底剪力和弯矩值均有

明显变化

，

两个柱子在

x

方向的剪力分别增大为

3.53倍及

50

高

，

而这些抗震构造措施在一定程度上能够改善框架柱在地震

作用时的受力性能

,

从而址-步提升整体结构的抗震性能

。

建筑与结构设计

Architectural

and

Structural

Design

2

)

我国目前的抗震设计仍以小震为基础

,

本工程实例中，

【

5

】张盼,吴二军.某单跨框架结构抗震加固方案

[JJ.

工程抗震与加固改

当采用中震计算时，

柱

A

和柱

B

的柱底剪力和弯矩值均有明

造

,2016,38(1):125-129.

显变化

，

两个柱子在乂方向的剪力分别增大为

3.53

倍及

3.79

[6

】

邓雪松

，

张玉蕾

，

张超

，等•消能立柱加固单跨框架结构原理与效果分

倍,

y

方向的弯矩分别增大为

4.09

倍和

4.28

倍

。

结果表明

，

当

析

[J].

土木工程学报

,20

14,47(S1

)

：

169-178.

采用中震作用进行抗震设计时

，

框架柱的内力提高幅度很大

,

【

7

】

刍晦栋.中震不屈服设计内力与小震弹性设计内力比较分析

[J]

•科

相应的

,

柱子的配筋也大幅度提升

,

同时造价亦随之增加

,

即

学技术与工程

,2012,12(36):206-207.

中震弹性或是中震不屈服抗震设计

，

保证柱子有很好的延性

【

8

】

吴善能

,

汤翔.几种单跨框架结构抗震加固方法的比较

，

四川建筑

科学研究

,2012,8(4):160-164.

的同时

，

也提高了建筑物的整体造价

。

【

9

】

王社良抗震结构设计

[M]

武汉:武汉理工大学出版社

,2011.

分别采用基于空间有限元壳元模型分析的

YSJ

及平面杆

【

10

】尚守平結构抗震设计

[M].

北京:中国建筑工业出版社

,2003.

系结构的

PK

进行单跨框架结构的计算分析

。

计算结果表明

，

对结构的关键重要部位采取不考虑空间协同工作的计算方法

得到的配筋结果更为保守，

依据结构部位的受力复杂程度

，

对

结构重要部位进行包络设计可提高结构关键部位的可靠度

，

使结构整体获得更大的安全储备

，

提高结构的抗震性能

。

＜[|?

【

参考文献

】

[

1]

GB

50011

—

2010

建筑抗震设计规范

(2016

版

)[S],

[2]

GB

50010

—

2010

混凝土结构设计规范

(

2015

版)

[S].

【

3]

连军.单跨框架结构抗震加固与改造

[J].

土木建筑与环境工程,

2012,34(Sl)

：

25-27.

⑷范夕森,田廷磊•单跨框架结构的减震加固技术研究

[JJ.L1J

东建筑大

报

,2015,

30(2):116-122.

【

收稿日期

12018-06-12

(±接第

47

页)

[2

】

张慎

，

尹鹏飞基于

Rhino+Grasshopper

的异形曲面结构参数化建模

4

结语

研究

[JJ.

土木建筑工程信息技术

,2015,7(5):

102-106.

[3

]

朱鸣,王春磊.使用犀牛软件及

Grasshopper

插件实现双层网壳结构

本文针对当前大型公共建筑复杂自由曲面屋盖空间网格

快速建模

[J].

建筑结构

,2012,42(S2):424-427.

结构设计所面临的几何建模及其模型调整问题

，

结合工程实

例开展了相关研究

,

得出如下结论:

1

)

对于复杂自由曲面屋盖,可首先建立基于平面的几何

模型

，

再通过

Grasshopper

编制算法程序将其投影至结构曲

面

，

实现空间网格结构的几何建模

。

2)

通过

Grasshopper编制算法程序

，

可快速修改计算模型

中的节点坐标

，

使之与新的目标结构曲面契合

.

实现复杂自由

曲面空间网格结构的几何模型调整

。db

【

参考文献

】

【

1

】

严萌.单曲面网架结构的参数模型研究

[J].

湖南理工学院学报(自然

科学版

）

,2012,25

⑵

:73-76.

【

收稿日期

】

2018-06-19

51