建筑地震災害的嚴重性是我國的基本國情之一。近年來發生的幾次破壞性地震反映出建筑結構抗震能力不足的兩個主要原因：
一方面，我國采用三水準兩階段的抗震設防目標，但近年來發生的破壞性地震中，強震區的實際地震烈度經常遠高于當地的設計罕遇地震烈度水平。如我國四川省汶川縣的抗震設防烈度為 6~7 度，而 2008年 512 汶川 8.0 級地震發生時震中烈度達到 11 度，災區許多地方的實際烈度超過設計罕遇地震 1~3 度，這是導致許多重災區建筑結構損壞甚至倒塌的重要原因。在汶川地震后，我國的相關規范進行修改，提高了部分建筑的抗震設防類別和部分地區的抗震設防烈度，這樣，要求對災區既有建筑進行抗震加固以滿足新的抗震設防要求，其中對鋼筋混凝土\\(RC\\)框架結構增設少量鋼支撐是有效的抗震加固措施之一。
另一方面，上部 RC 框架結構的主要震害形式為：柱端出鉸、柱剪切破壞、節點區破壞、薄弱層嚴重破壞、預制樓板與梁的連接不當引起的破壞、現澆樓梯的破壞等等，由于結構體系布置不合理、現澆樓/屋蓋體系對框架梁抗震性能的影響、現澆樓梯斜跑的抗側貢獻和填充墻對結構抗側剛度的影響等因素，許多既有 RC 框架結構很難實現建筑抗震設計規范中要求的“強柱弱梁”等理想破壞模式。另外，即使合理設計與施工的 RC 框架結構能夠滿足“強柱弱梁、強剪弱彎、強節點強錨固”等抗震設計要求的破壞模式，但框架結構存在抗震防線單一、缺乏足夠冗余度的問題。
國內外多次大地震的建筑震害表明，采用純框架結構的房屋，其倒塌率遠遠高于設置剪力墻等的框架結構房屋。汶川地震后，作者在災后現場應急評估中發現，在 RC 框架結構中設計少量鋼支撐或排架柱間的柱間交叉支撐，就能有效控制結構的側向變形，提高原結構的承載能力和抗地震倒塌能力\\(圖 1\\)?！緢D略】
受到這些成功抵御強烈地震作用建筑結構的啟發，本文作者提出了在框架結構中設置少量鋼支撐的少支撐框架結構體系的概念，目的是改變框架結構的抗側力結構體系，增加框架結構的抗震防線，不僅提高原框架結構的抗側剛度與承載力，保證原結構在設計罕遇地震下不倒塌，而且可以在超越設計罕遇地震的地震作用下不倒塌，從而提高框架結構的抗地震倒塌能力。本文在劉慶志的相關研究基礎上，完成了這種新結構體系的受力機理分析與抗地震倒塌能力的評估，提出了少支撐框架結構體系的定義與基本設計原則建議，供相關研究人員與設計人員參考。
1 現行相關抗震規范的規定
對于框架-剪力墻結構體系，在水平力作用下，底層框架承受的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值不盡相同，結構的性能也有較大的差別?！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規程》JGJ 3-2010\\(后文稱《高規》\\)第 8.1.3 條根據在規定水平力作用下，底層框架的傾覆力矩分擔率對框架-剪力墻結構體系進行了細分，并對每一種結構體系的設計方法和側向位移控制指標作出了較為具體的規定\\(見表 1\\)。朱炳寅建議的結構體系細分的類別和標準與《高規》的規定基本一致?！颈?】
對于框架-支撐框架結構體系，我國《建筑抗震設計規范》GB50011—2010\\(后文稱《抗規》\\)第 G.1.3條第 5 款對其有明確的定義：“底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩應大于結構總地震傾覆力矩的 50%”。這類結構中鋼支撐框架比較強，支撐屬于強支撐。而當結構中鋼支撐框架比較弱時，框架將承擔較大的地震作用，設置少量鋼支撐的 RC 框架結構與含有少量剪力墻的框架結構類似，但現行規范中對這種結構體系尚無明確定義。為了能夠合理提出這類結構的定義，本文以一座典型 RC 框架結構為例，分析了設置不同數量鋼支撐后結構抗側剛度、動力特性、底層框架的基底剪力與傾覆力矩分擔率變化等，結合對結構完成的靜力PUSHOVER 分析得到的能力曲線結果等，借鑒現行規范對框架-剪力墻結構、含有少量剪力墻的框架結構的相關規定，提出了少支撐框架結構的定義，為這類結構體系的推廣應用特別既有框架結構的抗震結構提供借鑒。
2 RC 框架結構與鋼支撐 RC 框架結構對比
2.1 工程概況及構件設計
某 6 層 RC 框架結構，抗震設防烈度為 8 度\\(0.20g\\)，地震分組為第二組，場地類別Ⅱ類。結構縱向 5跨、橫向 3 跨，首層層高 4.0m，其余各層層高 3.6m，如圖 2 所示?？蚣芙Y構的梁、柱、樓板均為現澆，混凝土強度等級均為 C30，鋼筋均采用 HRB400 級熱軋鋼筋?？v向和橫向邊跨框架梁截面尺寸為 250mm×500mm，橫向中跨框架梁截面尺寸為 250mm×300mm；1~4 層框架柱截面尺寸為 500mm×500mm，5~6層為 400mm×400mm；樓板厚度為 100mm。假設樓面地面做法與吊頂等的等效附加恒載標準值為3.0kN/m2，樓面活載標準值取 2.5kN/m2；屋面除結構重量外的等效附加恒載標準值為 3.0kN/m2，屋面不上人，活荷載標準值為 0.5kN/m2。假設建筑外圍維護墻與沿軸線隔斷墻的等效線荷載為 6kN/m，作用于相應的框架梁上，假設結構嵌固在地面，不考慮基礎埋深與回填土的側限。該建筑結構總高為 22.0m，根據《抗規》規定，抗震等級為二級。結構分析設計采用 SATEWE軟件完成，對應的結構模型稱為 Model0?！緢D2】
在上述 RC 框架結構中增加鋼支撐，成為帶鋼支撐 RC 框架結構。支撐布置在外側四榀框架的中跨，沿結構通高布置\\(如圖 3 所示\\)。支撐選用防屈曲支撐\\(BRB\\)，芯材選用 Q235 鋼材，工作段鋼芯為一字型截面，非工作段為十字型截面。參考哈爾濱工業大學馬寧和同濟大學李國強的方法設計 BRB 支撐，使得BRB 鋼芯在層間位移角 1/550 時保持彈性狀態。設計了四種支撐截面\\(表 2\\)，研究支撐剛度與承載力變化對鋼支撐 RC 框架結構性能的影響。對應的結構模型分別稱為 Model1、Model2、Model3 與 Model4?！緢D3.表2】
在原框架結構中增加鋼支撐后，采用 SATEWE 軟件重新分析帶鋼支撐的 RC 框架，框架梁柱的截面尺寸和配筋采用分別按純框架結構和帶鋼支撐 RC 框架結構滿足抗震設計要求條件下的結果設計包絡值。由于鋼支撐的影響，與其相連的框架柱承受更大的軸力和彎矩，柱軸壓比和配筋都增大。其中，增設 4 號支撐后，結構首層與支撐相連的部分框架柱不再滿足《抗規》中關于軸壓比 0.75 的限值要求，將帶 4 號支撐框架結構 1~4 層與支撐相連的部分框架柱\\(圖 2 中 1-B、1-C、6-B 及 6-C\\)截面尺寸放大至 550mm×550mm。
在通用分析平臺 OpenSees中分別建立了上述結構的有限元分析模型?；炷敛捎?OpenSees 中的concrete01 材料，采用了 Kent-Scott-Park的骨架曲線和 Karsan-Jirsa加卸載準則，且不考慮混凝土受拉；鋼筋采用 OpenSees 中的 Steel02 材料，骨架曲線為雙折線，并可反映鋼筋的 Bauschinger 效應。表 3 列出了 Model0~Model4 模型沿 Y 方向\\(橫向\\)的基本周期、設置鋼支撐后原框架結構剛度及地震基底剪力的變化情況?？梢钥闯?，隨著支撐截面面積的增加，支撐對整個結構的剛度貢獻增加，地震作用也增大，地震作用的增幅小于剛度增幅，由此推測增加鋼支撐將有效控制原結構的位移，但是，對鋼支撐導致的剛度增幅需要控制在一定幅度內為好?！颈?】
2.2 基底剪力及傾覆力矩分擔率分析
1\\) 彈性階段的底層框架地震傾覆力矩分擔率和基底剪力分擔率參考規范對少墻框架的定義，分析鋼支撐 RC 框架結構彈性階段在指定水平地震作用下的底層框架地震傾覆力矩分擔率和基底剪力分擔率。因為單榀支撐框架的作用類似于一片剪力墻，而在框架-剪力墻結構中，剪力墻以及與墻相連的框架柱看做同一片剪力墻\\(稱帶端柱剪力墻\\)\\(見圖 4 左\\)，所以鋼支撐 RC 框架的“支撐框架剪力分擔率”和“支撐框架傾覆力矩分擔率”計算時的支撐框架是指支撐本身及與所在跨中與其相連接的框架梁柱\\(圖 4 右紅色部分\\)，而“框架剪力分擔率”和“框架傾覆力矩分擔率”計算時的框架是指的其他框架梁柱\\(圖 4 右黑色部分\\)。根據反應譜底部剪力法\\(考慮頂部集中力\\)得到結構各層的等效水平地震作用，對各結構模型進行小震下彈性分析。Model1~Model4 彈性階段的底層框架傾覆力矩分擔率和基底剪力分擔率見表 4 所示。
可以看出，四個模型中框架分擔的傾覆力矩與剪力均超過 50%，不屬于框架-支撐框架的范疇，并且隨著支撐抗側剛度的提高而降低。對于 Model3，設置支撐后框架底層抗側剛度增加接近 40%時，框架分擔的傾覆力矩與剪力均接近 60%，由于剛度的增加導致結構的總基底剪力增加在 20%以內。對 Model4，雖然其框架分擔的傾覆力矩與剪力均超過 50%，但是，從支撐用鋼量、框架底層抗側剛度增加均較多，導致結構的總基底剪力增加超過 20%?！颈?.圖4】
2\\) 基底剪力分擔率隨結構彈塑性發展的變化為了研究結構進入非線性狀態后的內力重分布特征以及結構抗側性能的變化，完成了上述結構模型的靜力推覆分析，水平地震作用沿高度的分布同彈性分析。計算得到各模型的基底剪力-頂點位移能力曲線\\(圖5\\)，以及各模型框架部分的基底剪力分擔率隨結構頂點位移的變化過程\\(圖 6\\)。從圖 5 看出，結構的基底剪力-頂點位移能力曲線均呈軟化特征，設置支撐后結構的能力明顯提高，支撐是結構中的第一道防線，而采用 BRB，支撐屈服后支撐仍有 1%初始剛度，承載力不會降低，從而保證了結構承載力的發揮。隨著支撐截面面積的增加，結構的抗側剛度、承載力與延性明顯改善，但是，結構的能力提高與支撐截面的增加不成正比。
從圖 6 看出，結構內部的內力分配分為三個階段：在支撐屈服之前，鋼支撐的剛度不變，而 RC 構件由于混凝土的開裂其剛度逐漸降低，框架部分的剪力分擔率下降，支撐越強下降越多，計算模型的降幅在10％以內；支撐屈服后，支撐的殘余剛度取 1%的初始剛度，支撐的抗側剛度下降幅度比框架的抗側剛度下降更快，所以框架部分的剪力分擔率上升，甚至超過了彈性階段的最大剪力分擔率；RC 框架屈服后，結構達到峰值承載力，之后框架部分的剛度逐漸下降，而支撐仍有殘余的 1%初始剛度，所以框架的剪力分擔率逐漸下降，到頂點位移達 500mm，結構底層框架分擔的基底剪力占總基底剪力的 50％以上。隨著結構側向變形的繼續增加，支撐框架的剪力分擔率逐漸上升，對結構的防倒塌具有重要的作用?！緢D5-6】
2.3 結構在罕遇地震及超罕遇地震下的性能點分析
對于 8 度\\(0.2g\\)抗震設防烈度的結構：《抗規》規定罕遇地震下的水平地震影響系數最大值為 0.9；《抗倒塌規程》建議建筑結構抗地震倒塌計算時，地震影響系數最大值在罕遇地震相關數值\\(0.9\\)上乘一個調整系數\\(1.33\\)。據美國《混凝土建筑抗震評估和修復》\\(ATC-40\\)中的能力譜法對各結構模型進行性能點分析，得到結構對應設計罕遇地震及超罕遇地震的性能點，見表 5。為方便比較，以 Model0 峰值荷載點的基底剪力與頂點位移為參考，計算了各模型對應峰值荷載時的基底剪力和頂部位移分別與 Model0 峰值荷載點的基底剪力和頂點位移的比值，并計算了各模型對應不同性能點時的基底剪力與頂部位移和其峰值荷載點的基底剪力與頂點位移的比值，結果見各列數據后括號中數字?！颈?】
表 5 表明，少支撐框架結構相比純框架結構，其極限承載力都獲得提高，而對應峰值荷載時的頂點位移變化不同，Model1 與 Model2 對應其峰值承載力時的頂點位移略微小于純框架結構對應的頂點位移，Model3 對應其峰值承載力時的頂點位移略大于純框架結構對應的頂點位移，而 Model4 的承載力與對應頂點位移均較純框架結構的結果明顯提高\\(分別為 49%與 32%\\)。分析對應設計罕遇地震與超罕遇地震下結構的性能點結果可以看出，對應設計罕遇地震結構均有性能點，說明模型均滿足大震不倒的性能設計要求；在超罕遇地震下 Model0 沒有性能點，而其他模型均滿足抗震設計要求，可見設置少量支撐后框架結構的抗倒塌能力提高，設置支撐對抗地震倒塌是有效的。
分析對應設計罕遇地震下各計算模型性能點的基底剪力與頂點位移相對其峰值荷載下的結構看出：相對Model0，Model1 中設置的鋼支撐較少，對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移大于 Model0 的結果，性能點的基底剪力相對其峰值荷載的比例從 88%增加到 92%，頂點位移相對其峰值荷載時頂點位移的比例從 54%增加到 60%，相對原結構，設置支撐后反而對結構不利，但是，抗倒塌能力略有提高；Model2 對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 54%與 89%，與 Model0 的比例接近，超設計罕遇地震下模型的響應接近其峰值荷載，說明設置鋼支撐后模型的抗震能力略有提高，抗倒塌能力提高有限；Model3 對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 46%與 85%，比 Model0 的比例略低，超設計罕遇地震下模型的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 68%與 96%，響應接近其峰值荷載，但頂點位移控制有效，說明設置鋼支撐后模型的抗震能力與抗倒塌能力提高均改善；Model4 的位移響應明顯小于其他模型，對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 36%與 80%，超設計罕遇地震下模型的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 51%與 91%，說明設置鋼支撐后模型的抗震能力與抗倒塌能力提高。為了保證結構在罕遇地震與超罕遇地震下不倒塌，設置的鋼支撐不能過少。
3 少鋼支撐 RC 框架的定義
在 RC 框架結構中加入少量鋼支撐有兩個主要目標：\\(1\\) 改變純框架結構的受力模式及破壞次序，使得支撐先屈服，提高結構的延性和抗地震倒塌能力；\\(2\\) 增設鋼支撐后結構的抗側剛度增加，導致結構的周期減小，基底水平地震剪力將增加，所以設置支撐后框架結構的抗側剛度不能過度增加，以區別于框架-支撐框架結構\\(其中支撐框架作為主要抗側力構件\\)。第一個目標主要通過合理設計支撐的傾角、工作段長度系數等參數，使支撐在目標屈服位移下屈服，在目標極限位移下不斷裂；第二個目標則是通過合理設計支撐的數量與工作段截面，控制支撐的剛度與承載力貢獻，從而控制框架底部的傾覆力矩分擔率來達到。
在 RC 框架上增加支撐以后，結構剛度增加，地震作用也增大。對于防屈曲支撐，不存在支撐受壓屈曲導致的受壓承載力降低等問題，性能穩定，在水平地震作用下隨著結構塑性發展，結構的抗側剛度下降，但進入彈塑性階段后結構的周期加長，地震作用的增幅小于彈性階段；對于普通鋼支撐，由于受壓支撐屈曲后結構剛度下降相對較多，彈塑性階段實際地震作用增幅遠小于彈性階段。據表 3 和表 4，原結構增加支撐后的剛度增幅小于 40%時，增加支撐帶來的地震力增幅小于 20%，此時框架部分所分擔的地震傾覆力矩略小于 60%?？紤]到可能須要對支撐相鄰柱進行加強，這樣支撐框架的地震傾覆力矩分擔率會上升，而框架的地震傾覆力矩分擔率會下降，結合表 5 的結果，建議少鋼支撐 RC 框架的底層框架地震傾覆力矩分擔率大于 50%?？紤]到支撐很弱時，支撐框架的抗傾覆作用小\\(不超過 30%\\)，雖然結構的抗震能力略有提高，但是，結構剛度提高導致地震作用效應提高更加明顯，對抗震反而不利\\(如 Model1\\)，建議少鋼支撐RC 框架的底層框架地震傾覆力矩分擔率不超過 70%。將少鋼支撐 RC 框架定義為：在規定的水平力作用下，底層的框架部分所承擔的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的 50%但不超過 70％，且支撐對原框架結構抗側剛度的提高幅度不超過 40%。該定義與《抗規》對鋼支撐 RC 框架的定義相容。
4 結論
本文主要得到以下結論：
\\(1\\) 基于破壞性地震中特別汶川地震中 RC 框架結構的震害與部分設置鋼支撐的框架結構、工業廠房排架結構的震害特征，提出了少鋼支撐框架結構的概念。
\\(2\\) 總結了現行規范中對框架-剪力墻結構、含有少量剪力墻的框架結構的相關規定，基于彈性分析和pushover 分析結果，借鑒少墻框架結構的定義方法，建議了少量鋼支撐框架結構的控制指標，提出了少鋼支撐 RC 框架結構的定義：在規定的水平力作用下，底層的框架部分所承擔的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的 50%但不超過 70％，且支撐對原框架結構抗側剛度的提高不超過原抗側剛度的 40%。
參考文獻：
[1] 葉列平,曲哲,馬千里,林旭川,陸新征,潘鵬. 從汶川地震框架結構震害談“強柱弱梁”屈服機制的實現[J]. 建筑結構,2008, 38\\(11\\): 52-59+67.
[2] 郝進鋒,王振,陶貴閃,李艷秋. 地震區城鎮建筑框架結構概念設計[J]. 世界地震工程, 2007, 23\\(01\\): 119-124.
[3] 劉慶志. 鋼支撐及少支撐框架結構抗震性能研究[D]. 清華大學, 2011.
[4] 中華人民共和國建設部. GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S]. 北京, 2010.
[5] 中華人民共和國建設部. JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S]. 北京, 2010.
[6] 朱炳寅. 對少量剪力墻的框架結構的理解與設計建議[J]. 建筑結構, 2011, 41\\(001\\): I0005-I0007.
[7] 中國建筑科學研究院. 多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件 SATWE[CP].
