汶川地震后评估发现, RC框架结构的主要震害形式为:柱端出铰、柱剪切破坏、节点区破坏、薄弱层破坏等, 由于结构体系布置不合理、现浇楼屋盖体系对框架梁抗震性能的影响、现浇楼梯斜跑和填充墙对结构抗侧刚度的影响等因素, 许多既有RC框架结构很难实现抗震规范中要求的“强柱弱梁”等理想破坏模式。即使合理设计与施工的RC框架结构能够满足“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固”等抗震设计要求的破坏模式, 框架结构仍存在抗震防线单一、缺乏足够冗余度的问题。国内外多次大地震的建筑震害表明, 采用纯框架结构的房屋, 其倒塌率远远高于设置剪力墙等的框架结构房屋。而在RC框架结构中设计可灵活设置的钢支撑取代传统的框架-剪力墙结构体系中的剪力墙形成钢支撑-混凝土框架体系, 能有效控制结构的侧向变形, 提高结构的承载能力和抗震倒塌能力^[1]。

　　 淮安市淮安医院位于淮安市楚州区楚州大道、承恩大道、梁红玉路、山阳大道交汇部。基地分为南侧A地块和北侧B地块。其中会议中心位于B地块东南侧, 共两层, 一层设置两个13.8m×16.75m的180人报告厅和一个19.5m×27.6m的300人报告厅, 二层设置一个27.6m×42m的1 000人阶梯报告厅, 楼板阶梯标高从6m变化到10.04m, 附属房间位于两侧8.6m标高处。图1为建筑效果图, 图2为建筑南北向剖面图, 图3为建筑东西向剖面图。

　　 建筑结构的安全等级为二级, 结构设计使用年限为50年。工程抗震设防类别为乙类。综合《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (简称抗规) 和《江苏省地震局安评报告》 (苏震安评[2015]82号) , 工程抗震设防烈度为6度 (0.05g) , 设计基本地震加速度值为0.1g;多遇地震水平地震影响系数最大值为0.09;罕遇地震水平地震影响系数最大值为0.50。设计地震分组为第三组, 场地土类别为Ⅲ类, 场地特征周期值为T_g=0.65s。风荷载取50年重现期标准值为0.40kN/m²;雪荷载标准值为0.40kN/m²。地面粗糙度类别为B类, 体型系数为1.3。抗震等级为二级。

　　 采用SATWE软件对三种结构体系进行小震弹性反应谱分析, 考虑了双向地震作用, 考虑扭转耦联, 计算振型数取15。三种体系的二层结构平面布置图如图4所示, 三种体系的二层以上结构平面布置图如图5所示, 其中柱间钢支撑及钢支撑桁架立面示意如图6, 7所示, 结构计算模型如图8所示。

　　 阻尼比取值:钢支撑-混凝土框架结构体系取0.045, RC框架结构体系和框架-剪力墙结构体系取0.05。三种体系对比中, 框架主要构件截面尺寸均一致。三种体系计算结果见表1。

　　 由表1计算结果可知, 对于RC框架结构体系, 由于二层阶梯楼板形成的2.6m层高和 (E) 轴的钢支撑桁架形成的较大刚度, 使得6m层高的底层相对该层刚度较弱, 抗剪承载力很低, 同时形成了软弱层和薄弱层, 不满足规范要求;而钢支撑-混凝土框架结构体系和框架-剪力墙结构体系都有较好的结构抗侧刚度, 结构自振周期较小, 结构楼层侧移和层间位移角较小, 能较好地满足规范各项计算指标要求;但钢支撑-混凝土框架结构较框架-剪力墙结构的结构布置灵活, 自重较轻, 减小了地震力, 可以看出随着层数增加, 自重轻、布置灵活的优势将会更加突显。

　　 采用SATWE软件进行小震弹性时程分析以确定结构薄弱层位置。根据场地土条件, 选用2条天然波和1条人工波 (来自PKPM数据库) , 分别为TH1TG065 (天然波) 、TH2TG065 (天然波) 、RH1TG065 (人工波) 。其水平向对应的加速度峰值根据安评报告取36cm/s², 双向输入分析。图9为为所选用地震波反应谱与规范标准反应谱的比较, 小震弹性动力时程分析与小震弹性反应谱分析结果见表2。

　　 由图9和表2可知:各条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于反应谱法的65%, 各条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值均大于反应谱法的80%, 所选3条地震波均符合规范要求。计算结果取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值。

　　 表3给出了罕遇地震下X向和Y向性能点结果, 结果表明罕遇地震作用下结构弹塑性层间位移角均小于1/100, 满足抗规第5.5.5条要求。

　　 依据抗规附录G有关条文, 钢支撑-混凝土框架结构体系计算措施按下述考虑^[2]:1) 阻尼比取0.045;2) 底层的钢支撑框架承担的底部倾覆力矩百分比应大于结构总地震倾覆力矩的50%;3) 钢支撑框架部分抗震等级提高一级;4) 层间位移角按框架结构和框架-剪力墙结构内插取值;5) 钢支撑斜杆端部按铰接计算构造;6) 实际配筋按钢支撑-框架结构体系和考虑钢支撑屈曲后的框架结构体系两种模型包络配筋。

　　 从该工程实例可看出:钢支撑-混凝土框架结构体系为双重抗侧力结构体系^[3], 提高了结构的抗侧刚度, 降低了结构自振周期, 大大降低了结构楼层侧移和层间位移角, 钢支撑分担了部分楼层剪力, 改变了结构的内力分布特点, 降低了结构构件的内力^[4]。结构布置灵活, 自重较轻, 减小了地震作用, 减少了基础造价, 随着层数增加, 自重轻、布置灵活的优势将会更加突显, 尤其适用于高烈度地区以及加固改造工程中。