钢支撑-混凝土框架结构设计审查要求的总结与思考

导  读

       钢支撑-混凝土框架结构作为一种新型结构形式，保留了传统的框架结构空间布置灵活、整体用材相对较少等优点。由于在框架中增设了钢支撑，改善了框架结构在地震烈度较高地区中，结构抗侧力刚度相对较小、地震力作用下整体变形和位移较大的问题，同时弥补了纯框架结构在地震中抗侧力防线单一、缺少必要的抗震冗余度的不足，形成了类似框架-抗震墙结构的双重抗侧力、混合承重结构体系，具有一定的实用价值。

       本文对规范中关于钢支撑-混凝土框架结构的相关规定进行了归纳和总结，并列举了一些施工图审查和实际设计中的常见问题。

1   钢支撑-混凝土框架结构的特点和适用情况

       钢支撑-钢筋混凝土框架结构作为一种混合承重结构，其抗侧力体系包括钢支撑框架(钢支撑与所在部位框架的局部组合结构)和延性框架的两个组成部分。

    《建筑与市政工程抗震通用规范》GB55002-2021 (以下简称《建筑与市政工程抗震通用规范》)第5.8节规定了钢支撑-混凝土框架结构的设计原则和基本要求。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 (2016版)(以下简称《建筑抗震设计规范》)附录G对钢支撑-混凝土框架结构的设计和计算提出了具体要求。

      《建筑抗震设计规范》第G.1.1条界定了该章节的规定适用于“抗震设防烈度为 6~8  度且房屋高度超过钢筋混凝土框架结构最大适用高度，但不超过钢筋混凝土框架结构和框架-抗震墙结构二者最大适用高度的平均值”的情况。第 G.1.1条条文说明中明确了结构高度在混凝土框架结构最大适用高度内的钢支撑-混凝土框架结构也应参照《建筑抗震设计规范》附录G的规定。

       采用钢支撑-混凝土框架结构的工程，是在超过混凝土框架结构的适用高度，但选用混凝土框架-抗震墙结构时又受到建筑功能等因素制约的情况下采取的结构形式。钢支撑-混凝土框架与混凝土框架-抗震墙结构虽然在受力原理上有类似之处，但在承担水平力的能力、结构可靠性等方面又有所不同。规范对钢支撑-混凝土框架结构的设计和计算提出了比混凝土框架-抗震墙结构更为严格的要求。

2     钢支撑-混凝土框架结构的设计要求

2.1   钢支撑-混凝土框架结构的基本要求

       在钢支撑-混凝土框架结构中，钢支撑框架是抗震设计的第一道防线，刚度较大，承担地震剪力比例较大，在结构中的作用可类比于混凝土框架-抗震墙结构中的抗震墙，因此，需要对钢支撑框架采取加强措施。根据《建筑抗震设计规范》附录G第G.1.2条，丙类建筑钢支撑框架部分的抗震等级应比同等情况下规范对钢筋混凝土框架结构和钢结构的规定提高一个级别，除钢支撑框架以外的钢筋混凝土框架抗震等级仍按规范第6.1.2条框架结构确定。《建筑与市政工程抗震通用规范》第5.8.2条第1款综合设防烈度、设防类别、结构类型和房屋高度等因素明确规定了钢支撑-混凝土框架结构中的钢支撑框架和混凝土框架的抗震等级。

2.2   钢支撑-混凝土框架结构的布置要求

      《建筑与市政工程抗震通用规范》第5.8.1条对保证钢支撑-混凝土框架结构抗震性能的设计原则进行了强制规定。规范第5.8.1条第2款要求钢支撑框架应在结构的两个主轴方向均匀、对称设置，避免不合理设置导致结构平面扭转不规则。在结构两个主轴方向布置钢支撑框架时，应注意使结构两个方向的抗侧刚度和动力特性尽量接近，对于比较规则的建筑，支撑的平面布置宜符合“周边、对称、均匀”的原则，对于不规则的建筑，宜布置在扭转效应和变形较大的部位，使结构局部和整体抗震能力比较均衡，注意刚度分布的均匀性，避免因局部刚度集中或差异过大而产生应力集中和出现新的结构薄弱部位。

      《建筑抗震设计规范》第G.1.3条第2款还提出了钢支撑框架宜上下连续布置的要求，当受建筑方案影响，无法连续布置时，宜在邻跨延续布置。支撑布置宜贯通建筑物全高，可自下至上刚度逐渐减小，避免刚度突变。当为了满足建筑空间要求，在相邻跨布置支撑时，应在位置变化的部位采取保证地震剪力水平方向可靠传递的加强措施。

      《建筑抗震设计规范》第G.1.6 规定，钢支撑部分的设计应满足规范第8章对于钢结构的相关要求。根据《建筑抗震设计规范》第8.1.9条第1款要求，钢支撑-混凝土框架结构中的钢支撑应延伸至基础。

       需要注意的是，《建筑与市政工程抗震通用规范》第5.8.1条第1款对楼面、屋面作为传递水平力的抗震隔板应具有足够的面内刚度和整体性提出了强制性要求。

2.3   钢支撑-混凝土框架结构的计算要求

       钢支撑-混凝土框架结构中，钢支撑框架承受的地震作用应按实际刚度分析确定，结构计算应满足《建筑抗震设计规范》附录G第G.1.3条第5款的要求，底层的钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩比例应大于总值的50%。

       混凝土框架作为第二道防线，在钢支撑进入屈服工作状态后的结构内力重分布中，承担的地震作用增大，甚至有可能在钢支撑退出工作后，完全承担地震作用。《建筑与市政工程抗震通用规范》第5.8.3条第1款明确规定了钢支撑-混凝土框架结构计算的内力调整应考虑钢支撑破坏退出工作后的内力重分布影响。混凝土框架部分在地震作用下的内力，应按《建筑抗震设计规范》附录G第G.1.4条第3款的规定，采取 (不考虑钢支撑的)框架结构和支撑框架结构两种模型进行计算，并宜取二者较大值进行包络设计。

       钢支撑-混凝土框架结构的层间位移应符合《建筑抗震设计规范》附录G第G.1.4条第4款的规定，满足框架结构和框架-抗震墙结构的限值内插。

2.4   钢支撑-混凝土框架结构的构件和连接设计要求

       钢支撑-混凝土框架结构中的钢支撑构件应符合《钢结构通用规范》GB55006-2021第4.6.2条规定，按《钢结构设计标准》GB50017-2017和《建筑抗震设计规范》的相应要求控制其长细比和板件宽厚比。

       钢支撑与混凝土框架的连接节点是抗震设计的关键部位，应符合“强连接弱构件”的抗震设计概念。根据《建筑抗震设计规范》附录G第G.1.6条，支撑与框架的连接和支撑的拼接部位应该按照《建筑抗震设计规范》第8.2.8条第4款要求和公式验算其极限承载力： 

       钢支撑框架为钢与混凝土两种材料的组合结构，连接节点应与钢支撑构件的截面形式以及混凝土框架的情况相匹配，应能保证节点或锚固件的破坏不先于构件的破坏。

3 .施工图审查中的常见问题

       在应用钢支撑-混凝土框架结构的新建工程和既有建筑加固改造工程的施工图审查中发现的常见问题有：

       (1) 在设计基本要求方面：钢支撑框架的抗震等级未按规范要求提高。

       (2) 在结构布置方面：结构平面内钢支撑框架仅局部布置，不满足在两个主轴方向均匀、对称设置的要求；钢支撑框架在竖向布置不连续，上下不对位时不符合邻跨延续布置的要求；地下部分未在对应部位设置支撑框架，也未采取其它有效的加强措施。

       (3) 在结构计算方面：底层钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩百分比未达到规范要求的50%；结构的层间位移不能满足框架结构和框架-抗震墙结构的“限值内插”。

       (4) 钢支撑构件和连接设计方面：钢支撑构件未按规范要求控制长细比和板件宽厚比；支撑与框架的连接未进行极限承载力验算，从而无法判断是否能保证连接不先于支撑破坏的要求。

4. 结语

       钢支撑-混凝土框架结构，作为一种混合承重的结构形式，符合抗震概念设计要求，具有一定的绿色、环保、节能特点。在对钢支撑-钢筋混凝土框架结构进行设计和审查时，把握的总体原则为《建筑抗震设计规范》和《建筑与市政工程抗震通用规范》规定的基本抗震设防目标、性能要求和设计要求。在此前提下，应根据具体情况综合考虑，使结构既能符合多道防线的抗震设计概念，同时又充分考虑结构抗侧力体系工作机理的特殊性，达到规范规定的“二阶段设计”要求，保证结构抗震安全性能。