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摘要：通过北京新机场能源运行调度监控用房项目的设计，对本工程采用几种结构设计结构设计方案进行设计比较，着重论述了采用防屈曲耗能支撑框架的结构设计，及设计中需解决的几个问题。在此基础上，阐述了防屈曲耗能支撑屈服后刚度低，震后修复成本大以及大震残余变形大等缺点，鉴于此，引入了双重体系原理，同时把备用抗弯钢架的设计方法加入其中，以期能够该该项工作顺利开展贡献一己之力，也希望和业界同仁相互探讨学习。
关键词：框架结构；结构设计；设计方案
0 引 言
当前，多层和高层工业及民用建筑最常采用的一种结构形式就是框架结构，由于我国《建筑抗震设计规范》要求逐渐增多，因此，现在框架结构在地震作用下的设计就更加严格，如何使框架结构的抗震计算，尤其是层间位移角限值及扭转限制能够满我国相关规范的要求就显得格外重要。倘若结构设计采用混凝土剪力墙，那么结构就显得过刚，如果采用增加结构配筋，那么结构耗能的能力就相对较差。一般钢结构支撑设计为了确保其稳定性，会把其截面加大，但是这样的话，其在强地震作用下耗能和延性就显得不足。基于此，屈曲约束支撑的方法既可以满足结构刚度合理的要求，又可以达到不增加配筋满足变形的要求，更为有利的是使施工速度得到提高。
1 本工程概述
该工程的框架结构是五层混凝土框架结构，地下室在负一层，具体标准层平面见图1，结构层的高度平均是4.8米，抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为第二组，建筑的抗震设防为丙类，工程的场地类别为Ⅲ类，地下室的顶板为嵌固端。
2 几种设计方案的比较
2.1 纯框架结构方案
在本项目的设计中发现，本工程如果采用多层框架结构很难满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）对层间变形的限值。经计算，如要满足规范限值，会造成梁及柱截面都很大，且配筋量要增加很多，大大增加了结构的造价，并没有给结构带来更大的安全度。 因此，本工程结合实际情况分析，不宜采用纯框架结构[1]。
2.2采用少剪力墙的框架结构
此类结构中设置少量的剪力墙，其目的在于满足规范对框架结构的位移限值要求。此类结构的设计中，规范规定了考虑剪力墙与框架的协同工作原则，但未明确对剪力墙和框架的具体设计方法[2]。所以，笔者结合相关资料，对此类结构的设计提出了一些具体的设计方法及建议。但由于布置少量剪力墙的框架结构在设计原则及具体设计中存在诸多不确定因素，给结构设计和施工图审查带来相当的困难，建议在结构设计中尽量避免采用，尽可能采用概念清晰、便于操作且抗震性能较好的框架-剪力墙结构[3]]。
2.3 采用框架剪力墙的设计方案
本工程标准层结构布置图见图1。本工程由于建筑设计需要，剪力墙仅可以布置于B～C轴之间，且B～C轴间仅图中所示井筒部位可以布置剪力墻，其余部位均要求比较通透的效果，不宜布置剪力墙。综合考虑以上因素，兼顾保证结构的抗扭刚度，本工程采用了框架-剪力墙及柱间支撑结合的结构形式，剪力墙及柱间支撑的具体布置见图2。
本工程，结构的高度为24m，高度不大，剪力墙集中布置于结构中部的井筒处，结构的平动刚度很大。为此，将井筒部位的剪力墙的一些部位断开，将各部分剪力墙以弱连连梁联系起来，又于井筒的局部设置框架柱，将部分剪力墙去掉以减小结构的平動刚度。结构设计时，结构的层间位移角按1/800控制，为满足结构位移及抗扭刚度的需要，支撑的刚度需要设计的很大，相应的其内力也很大。由【建筑抗震设计规范】GB50011-2010（2016年版），钢支撑框架部分的抗震等级提高一级为一级。又考虑本工程的实际情况，此部分的框架考虑了性能设计，按中震不屈服进行设计。经使用PKPM3.1软件进行建模及计算分析，剪力墙均出现了偏拉的受力，使得剪力墙的配筋较大。总结，此种结构形式（结构高度不大的6～10层的框架结构），结构要满足层间位移角按1/800的要求，使得结构的刚度较大，相应的地震作用效应也增大很多。本结构的前三阵型的周期见表1，首层支撑杆件采用焊接H型钢，钢材为Q345钢，杆件截面H400x400x25x30，截面面积32500mm2。
2.4防屈曲耗能支撑框架的结构设计方案
2.4.1防屈曲耗能支撑体系与抗弯刚架和普通支撑框架相比有以下优点：
（1）与纯框架结构相比，小震时防屈曲耗能支撑框架体系线弹性刚度高，可以很容易满足规范的变形要求；防屈曲耗能支撑框架体系的层间位移角要限值1/500，远小于框架-剪力墙结构的层间位移角要限值1/800的要求，地震作用效应相比框架-剪力墙结构减小很多。
（2）防屈曲耗能支撑可以在受拉、受压都发生屈服，消除了传统中心支撑框架的支撑屈曲问题，其恢复力特性曲线较传统中心支撑框架更为饱满，因此在强震时有更强和更稳定的能量耗散能力。
（3）防屈曲耗能支撑好比结构体系中可更换的“保险丝”，可保护其他构件免遭破坏，并且大震后可以更方便的更换损坏的支撑。
（4）因为防屈曲耗能支撑的刚度和强度很容易调整，所以防屈曲耗能支撑体系设计灵活，而且在非弹性分析中可以很方便的模拟防屈曲耗能支撑的滞回曲线。
3 防屈曲耗能支撑框架的结构设计
3.1防屈曲耗能支撑计算时的具体考虑：
（1）防屈曲耗能支撑屈服后刚度低，在大震下的残余变形大，震后修复成本高，设计时利用双重体系的原理，设计中加入备用抗弯刚架的设计方法，结构布置见图3。备用备用抗弯刚架部分需要在防屈曲耗能支撑屈服后仍在弹性范围内变形，以减小整个框架的残余变形，对此部分按中震不屈服进行设计。设计时，此时的地震影响系数取为2.8倍，荷载分项系数系数均取为1，抗震调整系数?RE取1，材料的强度均采用标准强度。本工程的钢材防屈曲耗能支撑及抗弯刚架部分的支撑均采用Q235B钢。 （2）屈曲约束支撑芯板截面沿长度方向变化，结构设计时需将芯板等效为一根与芯板刚度相同的等截面杆件，使单元的轴向刚度与屈曲约束支撑的轴向刚度相等。结构计算时截面强度计算的安全系数相应提高。本工程屈曲约束支撑长度4.6m，屈曲约束支撑的等效面积Ae与芯板的屈服段截面面积A1的关系A1/Ae=0.87，相应的强度计算时的安全系数应大于1.15。
（3）本工程中，屈曲约束支撑作为结构的主要抗侧力构件进行设计，由《建筑抗震设计规范》，其所承担的地震倾覆力矩在底层所占地震倾覆力矩比值大于50%。按多道防线的概念设计，支撑是第一道防线，混凝土框架需适当增大按刚度分配的地震作用，可取两种模型计算的较大值，故设计规范要求，框架部分按刚度分配计算得到的地震剪力應乘以调整系数，应不小于结构底部总地震剪力的25%；最终在结构底部总地震剪力的25%与框架部分计算最大层剪力的1.8倍这两个数值之间，选取较小值。
（4）由《建筑抗震设计规范》在普通的钢支撑混凝土框架结构中，由于普通支撑在设防地震（中震）作用下会失稳，从而丧失抗震能力。因此在计算结构的地震作用的时候，要求按照有支撑框架结构和无支撑的纯框架结构进行包络计算，取其不利值进行配筋，并通过构造措施满足中震下的结构安全。采用屈曲约束支撑的框架结构中，防屈曲耗能支撑芯材小震弹性，满足强度及剛度的要求，由于屈曲约束支撑具有良好的延性和耗能能力，其芯材外侧采用了钢套筒及一系列的可靠的构造措施，屈曲支撑本身满足稳定性问题，可不考虑支撑本身的稳定问题，不需计算整体稳定性，中震时芯材屈服耗能。在中震、大震的作用下始终不会失稳退出工作，仍将保持承载能力，并起到主要耗能构件的作用。因而，对于混凝土框架-屈曲约束支撑结构体系，无需进行无支撑纯框架的地震作用计算，仅需要计算带屈曲约束支撑的框架结构，并按此内力进行配筋。
3.2结构计算分析结果
基于以上的考虑，本文采用PKPM软件对结构进行计算分析。经计算本结构的前三阵型的周期见表2，防屈曲耗能支撑的截面面积16700mm2， 备用抗弯刚架部分支撑的截面面积294mm2。其基底剪力为前述的框架剪力墙结构基底剪力的70%左右。在中震时两个结构的剪力分布都比较均匀，在大震下屈曲约束支撑框架剪力分布与弹性基本相同；而普通支撑由于发生屈曲出现刚度突变剪力分布也有突变，对结构在大震下的性能是比较危险的。防屈曲耗能支撑结构框架柱的截面配筋也较框架剪力墙结构有所降低。
4结语
通过以上分析可以看出，在抗震设防烈度较高的地区的多层工业与民用结构，纯框架结构刚度最小，需通过加大梁柱截面的型式来达到抗侧力要求，经济性较差。框架剪力墙结构刚度最大，所受的地震作用也最大。普通支撑为提高支撑的稳定性，设计中需加大其截面，结构的抗弯刚度有较大的增加，在强震下其耗能能力和延性性能降低。屈曲约束支撑结构解决了支撑的稳定性能，使钢结构支撑在受拉和受压时候性能一致，可以减小支撑的截面面积，降低结构的刚度，减小结构地震作用，结构的延性性能和耗能能力都有所增强，经济性及安全性方面较前述结构型式有较大优势。
参考文献
[1]沈汝伟. 对建筑结构优化设计的探讨[J]. 煤炭技术，2011，04：242-244.
[2]蔡新，李洪煊，武颖利，朱杰. 工程结构优化设计研究进展[J]. 河海大学学报（自然科学版），2011，03：269-276.
[3]薛红军，李云锋. 结构优化设计的组合优化策略[J]. 机械强度，2013，03：278-282.
关键词：框架结构；结构设计；设计方案
0 引 言
当前，多层和高层工业及民用建筑最常采用的一种结构形式就是框架结构，由于我国《建筑抗震设计规范》要求逐渐增多，因此，现在框架结构在地震作用下的设计就更加严格，如何使框架结构的抗震计算，尤其是层间位移角限值及扭转限制能够满我国相关规范的要求就显得格外重要。倘若结构设计采用混凝土剪力墙，那么结构就显得过刚，如果采用增加结构配筋，那么结构耗能的能力就相对较差。一般钢结构支撑设计为了确保其稳定性，会把其截面加大，但是这样的话，其在强地震作用下耗能和延性就显得不足。基于此，屈曲约束支撑的方法既可以满足结构刚度合理的要求，又可以达到不增加配筋满足变形的要求，更为有利的是使施工速度得到提高。
1 本工程概述
该工程的框架结构是五层混凝土框架结构，地下室在负一层，具体标准层平面见图1，结构层的高度平均是4.8米，抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为第二组，建筑的抗震设防为丙类，工程的场地类别为Ⅲ类，地下室的顶板为嵌固端。
2 几种设计方案的比较
2.1 纯框架结构方案
在本项目的设计中发现，本工程如果采用多层框架结构很难满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）对层间变形的限值。经计算，如要满足规范限值，会造成梁及柱截面都很大，且配筋量要增加很多，大大增加了结构的造价，并没有给结构带来更大的安全度。 因此，本工程结合实际情况分析，不宜采用纯框架结构[1]。
2.2采用少剪力墙的框架结构
此类结构中设置少量的剪力墙，其目的在于满足规范对框架结构的位移限值要求。此类结构的设计中，规范规定了考虑剪力墙与框架的协同工作原则，但未明确对剪力墙和框架的具体设计方法[2]。所以，笔者结合相关资料，对此类结构的设计提出了一些具体的设计方法及建议。但由于布置少量剪力墙的框架结构在设计原则及具体设计中存在诸多不确定因素，给结构设计和施工图审查带来相当的困难，建议在结构设计中尽量避免采用，尽可能采用概念清晰、便于操作且抗震性能较好的框架-剪力墙结构[3]]。
2.3 采用框架剪力墙的设计方案
本工程标准层结构布置图见图1。本工程由于建筑设计需要，剪力墙仅可以布置于B～C轴之间，且B～C轴间仅图中所示井筒部位可以布置剪力墻，其余部位均要求比较通透的效果，不宜布置剪力墙。综合考虑以上因素，兼顾保证结构的抗扭刚度，本工程采用了框架-剪力墙及柱间支撑结合的结构形式，剪力墙及柱间支撑的具体布置见图2。
本工程，结构的高度为24m，高度不大，剪力墙集中布置于结构中部的井筒处，结构的平动刚度很大。为此，将井筒部位的剪力墙的一些部位断开，将各部分剪力墙以弱连连梁联系起来，又于井筒的局部设置框架柱，将部分剪力墙去掉以减小结构的平動刚度。结构设计时，结构的层间位移角按1/800控制，为满足结构位移及抗扭刚度的需要，支撑的刚度需要设计的很大，相应的其内力也很大。由【建筑抗震设计规范】GB50011-2010（2016年版），钢支撑框架部分的抗震等级提高一级为一级。又考虑本工程的实际情况，此部分的框架考虑了性能设计，按中震不屈服进行设计。经使用PKPM3.1软件进行建模及计算分析，剪力墙均出现了偏拉的受力，使得剪力墙的配筋较大。总结，此种结构形式（结构高度不大的6～10层的框架结构），结构要满足层间位移角按1/800的要求，使得结构的刚度较大，相应的地震作用效应也增大很多。本结构的前三阵型的周期见表1，首层支撑杆件采用焊接H型钢，钢材为Q345钢，杆件截面H400x400x25x30，截面面积32500mm2。
2.4防屈曲耗能支撑框架的结构设计方案
2.4.1防屈曲耗能支撑体系与抗弯刚架和普通支撑框架相比有以下优点：
（1）与纯框架结构相比，小震时防屈曲耗能支撑框架体系线弹性刚度高，可以很容易满足规范的变形要求；防屈曲耗能支撑框架体系的层间位移角要限值1/500，远小于框架-剪力墙结构的层间位移角要限值1/800的要求，地震作用效应相比框架-剪力墙结构减小很多。
（2）防屈曲耗能支撑可以在受拉、受压都发生屈服，消除了传统中心支撑框架的支撑屈曲问题，其恢复力特性曲线较传统中心支撑框架更为饱满，因此在强震时有更强和更稳定的能量耗散能力。
（3）防屈曲耗能支撑好比结构体系中可更换的“保险丝”，可保护其他构件免遭破坏，并且大震后可以更方便的更换损坏的支撑。
（4）因为防屈曲耗能支撑的刚度和强度很容易调整，所以防屈曲耗能支撑体系设计灵活，而且在非弹性分析中可以很方便的模拟防屈曲耗能支撑的滞回曲线。
3 防屈曲耗能支撑框架的结构设计
3.1防屈曲耗能支撑计算时的具体考虑：
（1）防屈曲耗能支撑屈服后刚度低，在大震下的残余变形大，震后修复成本高，设计时利用双重体系的原理，设计中加入备用抗弯刚架的设计方法，结构布置见图3。备用备用抗弯刚架部分需要在防屈曲耗能支撑屈服后仍在弹性范围内变形，以减小整个框架的残余变形，对此部分按中震不屈服进行设计。设计时，此时的地震影响系数取为2.8倍，荷载分项系数系数均取为1，抗震调整系数?RE取1，材料的强度均采用标准强度。本工程的钢材防屈曲耗能支撑及抗弯刚架部分的支撑均采用Q235B钢。 （2）屈曲约束支撑芯板截面沿长度方向变化，结构设计时需将芯板等效为一根与芯板刚度相同的等截面杆件，使单元的轴向刚度与屈曲约束支撑的轴向刚度相等。结构计算时截面强度计算的安全系数相应提高。本工程屈曲约束支撑长度4.6m，屈曲约束支撑的等效面积Ae与芯板的屈服段截面面积A1的关系A1/Ae=0.87，相应的强度计算时的安全系数应大于1.15。
（3）本工程中，屈曲约束支撑作为结构的主要抗侧力构件进行设计，由《建筑抗震设计规范》，其所承担的地震倾覆力矩在底层所占地震倾覆力矩比值大于50%。按多道防线的概念设计，支撑是第一道防线，混凝土框架需适当增大按刚度分配的地震作用，可取两种模型计算的较大值，故设计规范要求，框架部分按刚度分配计算得到的地震剪力應乘以调整系数，应不小于结构底部总地震剪力的25%；最终在结构底部总地震剪力的25%与框架部分计算最大层剪力的1.8倍这两个数值之间，选取较小值。
（4）由《建筑抗震设计规范》在普通的钢支撑混凝土框架结构中，由于普通支撑在设防地震（中震）作用下会失稳，从而丧失抗震能力。因此在计算结构的地震作用的时候，要求按照有支撑框架结构和无支撑的纯框架结构进行包络计算，取其不利值进行配筋，并通过构造措施满足中震下的结构安全。采用屈曲约束支撑的框架结构中，防屈曲耗能支撑芯材小震弹性，满足强度及剛度的要求，由于屈曲约束支撑具有良好的延性和耗能能力，其芯材外侧采用了钢套筒及一系列的可靠的构造措施，屈曲支撑本身满足稳定性问题，可不考虑支撑本身的稳定问题，不需计算整体稳定性，中震时芯材屈服耗能。在中震、大震的作用下始终不会失稳退出工作，仍将保持承载能力，并起到主要耗能构件的作用。因而，对于混凝土框架-屈曲约束支撑结构体系，无需进行无支撑纯框架的地震作用计算，仅需要计算带屈曲约束支撑的框架结构，并按此内力进行配筋。
3.2结构计算分析结果
基于以上的考虑，本文采用PKPM软件对结构进行计算分析。经计算本结构的前三阵型的周期见表2，防屈曲耗能支撑的截面面积16700mm2， 备用抗弯刚架部分支撑的截面面积294mm2。其基底剪力为前述的框架剪力墙结构基底剪力的70%左右。在中震时两个结构的剪力分布都比较均匀，在大震下屈曲约束支撑框架剪力分布与弹性基本相同；而普通支撑由于发生屈曲出现刚度突变剪力分布也有突变，对结构在大震下的性能是比较危险的。防屈曲耗能支撑结构框架柱的截面配筋也较框架剪力墙结构有所降低。
4结语
通过以上分析可以看出，在抗震设防烈度较高的地区的多层工业与民用结构，纯框架结构刚度最小，需通过加大梁柱截面的型式来达到抗侧力要求，经济性较差。框架剪力墙结构刚度最大，所受的地震作用也最大。普通支撑为提高支撑的稳定性，设计中需加大其截面，结构的抗弯刚度有较大的增加，在强震下其耗能能力和延性性能降低。屈曲约束支撑结构解决了支撑的稳定性能，使钢结构支撑在受拉和受压时候性能一致，可以减小支撑的截面面积，降低结构的刚度，减小结构地震作用，结构的延性性能和耗能能力都有所增强，经济性及安全性方面较前述结构型式有较大优势。
参考文献
[1]沈汝伟. 对建筑结构优化设计的探讨[J]. 煤炭技术，2011，04：242-244.
[2]蔡新，李洪煊，武颖利，朱杰. 工程结构优化设计研究进展[J]. 河海大学学报（自然科学版），2011，03：269-276.
[3]薛红军，李云锋. 结构优化设计的组合优化策略[J]. 机械强度，2013，03：278-282.