2024年3月10日发(作者：苌思思)
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２００８年第９期
福 建 建 筑
Ｎｏ９・２００８
总第１２３期
Ｆｕｊ Ｊａｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
Ｖｏ１・１２３
支撑布置方式对具水平加强层全钢高层
结构抗震性能的影响分析
崔辉辉陶忠潘文
（昆明理工大学建筑工程学院６５０２２４）
摘 要：框架一支撑结构体系广泛应用于高层钢结构建筑。由于其自身刚度较小，水平荷载起控制作用，常需在高度方向设置水
平加强层。本文运用有限元软件ＥＴＡＢＳ，建立三维计算模型，对具水平加强层的全钢高层结构在不同支撑布置方式下进行了动
力特性分析。首先应用Ｒｉｔｚ向量分析法对各模型进行模态分析，得到结构的基本动力特征参数。然后作了谱分析、时程分析。
通过分析对比，对不同支撑布置方式下具水平加强层高层结构的内力、变形以及方案优选进行了探讨。
关键词：钢结构 支撑抗震分析
中图分类号：ＴＵ９７３ ．１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌＯ０４—６１３５（２００８）Ｏ９一ＯＯ４８～Ｏ４
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｗｈｏｌｅ ｈｉｇｈ－－ｒｉｓｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｂｒａｃｅｓ
Ｃｕｉｈｕｉｈｕｉ Ｔａｏｚｈｏｎｇ Ｐａｎｗｅｎｇ
（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｋｕｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ６５０２２４ １
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂｒａｃｅｄ ｆｒａｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｈｉｇｈ－－ｒｉｓｅ ｗｈｏｌｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｌｅｖｅｌ ｌｏａｄ ｐｌａｙｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｃｔｉｏｎｓ ｉｎ
ｈｉｇｈ ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｆｏｒ ｉｔｓ ｌｏｗ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｓｔｏｒｙ ｉｓ ｎｅｅｄ ｕｓｕａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ
ｗｈｏｌｅ ｈｉｇｈ ｒｉｓｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｓｔｏｒｙ ａｔ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｂｒａｃｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ＥＴＡＢＳ ｉｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｗｎ ｅｌｅｍｅｎｔ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｏｒｍ ｍｏｄｅ ａｎａｌ—
ｙｓｉｓ．Ｔｈｅｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎｄ Ｅｌａｓｔｉｃ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ。
ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｓｔｏｒｙ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｏｕｔ ｂｒａｃｅｓ ｔｏ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｅｎｅｒｇｙ
ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｒａｃｅｓ ｓｅｉｓｍｉｃ ａｎａｌｙｒｓｉｓ
由于高度限制，用于高层钢结构建筑的框架体系常设置支
结构中支撑布置方式不同，结构侧向刚度相应改变ｌ＿２］。坚
撑。同时，为控制楼层的顶点位移及层间位移，可设置水平加 向支撑使得结构承受水平荷载时文通过有限元方法，对具有水
强层 。增加支撑体系和水平加强层是提高结构整体刚度，减
平加强层的全钢高层结构几种常见存在两道防线ｌ４］。本支撑
少梁、柱用钢量有效方法之一，具有较好的经济效果翻。
布置形式在地震作用下的结构响应进行了对比。探讨了支撑
布置方式对其地震响应的影响。
１计算模型
１．１高层框架三维模型
本文所探讨的模型主体结构高１７６．７ｍ，地上４５层，地下
３层（其中首层作为结构嵌固端）。首层高及第二层高４．８ｍ，
标准层层高３．９ｍ。首层（第二层）和标准层结构布置图如图
【
Ⅲ
；
＜
１、图２。梁柱构件及支撑截面尺寸见表１。结构楼面采用压型
ｖｌ ＿
，
钢板混凝土组合楼板，楼板厚１００ ｍｉｌｌ，恒荷载为１．７ｋＮ／ｍ２，活
、
，
荷载２．０ ｋＮ／ｍ 。外挑边梁及电梯井线荷载首层６．２ｋＮ／ｍ、标
准层４．７ｋＮ／ｍ。抗震设防烈度为８度，Ⅱ类场地，第二组。
表１梁柱构件及支撑截面尺寸
柱 主梁
图１首层（第二层）结构布置图
①～⑤轴口９００×９００Ｘ４０￣４０ ＢＤ轴与３、４轴间Ｈ８００Ｘ３００Ｘ １４Ｘ２０
⑥轴 口１０００Ｘ９００Ｘ４０Ｘ４０ 其它Ｈ８００Ｘ２５０Ｘ１４Ｘ２０
次粱 支撑
作者简介：崔辉辉，１９８２年６月出生，男，硕士研究生，主要
Ｈ４００×２００×６×１４ 一、二层水平支撑ＨＳ００Ｘ５００Ｘ２４Ｘ３８
从事结构工程方面研究。
收稿日期：２ｏｏ８一Ｏ４—２９
Ｈ３００×１５０Ｘ６×１０ 竖向支撑Ｈ４００Ｘ４００Ｘ２２Ｘ３０
１．２支撑布置方案
根据初选方案，选择５种典型的钢框架一支撑结构，支撑
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２００８年第９期总第１２３期 崔辉辉等・支撑布置方式对具水平加强层全钢高层结构抗震性能的影响分析
图２标准层结构布置图
均布置在外框柱间。支撑采用Ｈ４００×４００×２２×３０，各方案Ｙ
向支撑布置方式见各立面图３，ｘ向与Ｙ向支撑布置类似。分
别为支撑布置在边跨和中跨及巨型支撑，边跨和中跨支撑沿高
度跨两层和四层，巨型支撑沿高度跨十层。由于在房屋一、二
层有使用需求，Ａ到Ｅ轴线在５、６轴线问主梁与次梁全部抽
空，刚度较小，故在水平向布置了支撑。有限元分析模型用
ＥＴＡＢＳ建立并对其进行分析。
１．３水平加强层布置
前四种方案水平加强层布置分别在各方案中的第１３、２９
和４５层（具体见图３），杆件与坚向支撑相同。第五种方案为
支撑跨十层的巨型支撑方案，略去加强层（顶层除外）。
方索… 痔寰： 方察髑 方 髓
图３支撑布置立面图
２计算结果
２．１楼层质量
根据ＥＴＡＢＳ计算所得各方案楼层重力如图四所示。可
知，楼层质量大小顺次为“方案四＞方案三＞方案一＞方案五
＞方案二”。在主要构件柱、梁及次梁和楼盖恒、活载一定的情
况下，楼层质量差别主要来自于支撑因素。而方案一与方案三
的楼层质量基本相同。
２．２模态分析
模态分析采用Ｒｉｔｚ向量分析法，可考虑动力荷载的空间
作用效应。结构各方案计算所得的前６阶自振周期如表２。
图４楼层质量分布图
表２结构各方案模型自振周期比较（Ｓ）
编号 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五
Ｍｏｄｅ １ ５．０３２５３ ４．８２７５３ ４．６５１５７ ４．６５５５９ ４．８０３３５
Ｍｏｄｅ ２ ３．８８７２７ ３．８０３７２ ４．４ｌ４３７ ４．４４３ １４ ４．４４Ｏ４６
Ｍｏｄｅ ３ ２．７３１６３ ２．６６４４９ ２．６６５ｌ３ ２．５０９６０ ２．７０９７０
Ｍｏｄｅ ４ １．４９２９９ １．４０３４６ １．３６４８０ １．３１６Ｏ１ １．ｄ３５５４
Ｍｏｄｅ ５ １．１３３７３ １．１０７３１ １．３２８ｌ７ １．２９２４３ １．３０９９９
Ｍｏｄｅ ６ ０．８７１ｌ４ ０．８４５６４ ０．８４９６６ ０．７８０９１ ０．８９ｌ６ｊ
。 ／ ｏ
．
５４、Ｏ．７ｄ ０．５５、ｃ１＿７０ ｏ．５６、（１．６１ ｏ．５７、（１．６０ ｏ．５３、（）．５６
ｌＶｌｏｏｅｌ、
支撑分布于边跨的方案三、四前六阶振型周期基本接近，
周期也最小，说明这两种方案各向刚度都较大，而支撑沿高度
跨两层或跨四层对其影响不大。支撑分布差别较大的方案二
（支撑在中跨，跨两层）与方案五第一、四周期（Ｘ向平动）也很
接近，但其它各阶振型周期差别较大。其中方案二第二周期
（Ｙ向平动）比第一周期差别达１Ｓ多，两方向刚度有较大差别，
而方案五两方向刚度较为均匀。支撑分布于中间沿高度跨四
层的方案一刚度最小，且Ｘ向与Ｙ向刚度差别最大。同时，以
上各方案中，第三振型周期与第一、二振型周期之比都＜０．９，
扭转效应对各方案影响不大。
２．３反应谱分析
（１）计算方法
反应谱法是将动力问题转换为等效的静力问题来获得各
个振型的反应。采用的振型组合方法有：完全平方根组合法
（ＣＱＣ法）、平方和平方根法（ＳＲＳＳ法）、组合总体振型组合法
（ＧＭＣ法）及绝对值相加法（ＡｌＡＳ法），各分析方法都有其适用
性。从模态分析中看出，扭转效应影响不大，但考虑到地震作
用的不确定性及随机性，本方案仍采用可考虑平动扭转耦联
振动的ＣＱＣ法，并取地震作用地偶然偏心为５ 。
（２）计算结果
计算时取前４５阶振型，使各方案振型质量参与系数达
９ｏ 以上。计算得到的在单向地震作用下楼层剪力如图５、图
６。各方案楼层层间位移角如图７、图８所示。
Ｏ ５Ｏ００ １ ００００ １ Ｏ００ ２０ＯＯ０
图５ Ｘ向楼层剪力（ｋＮ）
（３）内力及位移结果分析
计算所得结果及楼层剪力图５、图６可以看出，各方案楼
层两向剪力较为接近。相差比较小。
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２００８年第９期总第１２３期
４５
４Ｏ
３５
崔辉辉等・支撑布置方式对具水平加强层全钢高层结构抗震性能的影响分析 ・５０・
钻蜘 如 一０ ０
３Ｏ
２５
警２Ｏ
１ ５
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ｒ 一
方案ｊ＿￡
５０００ １ ００００ ｌ ５０００ ２００００
１ ００．０ —５０．０ ０．０ ５０．０ ｌＯ０．０
Ｏ
图６ Ｙ向楼层剪力（ｋＮ）
图９小震作用Ｘ向最大水平位移（ｔｒｉｍ）
一
—
万案一
＿＿．一
－－
方案二
…
茺繁ｉ．
方案四
黾
１ ５０
一
一
０．０００ １．０００ ２．０００
１ ００ ５０ ０ ５０ １００
图７ Ｘ向层间位移角（＊１０００）
０
图１Ｏ小震作用Ｙ向最大水平位移（ＩＴＩＩＹＩ）
４０
３５
３０
２５
２Ｏ
ｌ ５
ｌＯ
０
－—・一方 窠一
－ 聚
—
０
０．
０ＯＯ
＋
１．０００ ２．０００ ３．０００
一
—
方‘集ｉ
方案四
．＿－疗案
图８ Ｙ向层间位移角（＊１０００）
从各方案结构平面图和支撑布置来看，Ｘ向跨度比Ｙ向
大，其刚度也较大，但位移角Ｙ向差别比ｘ向要小。由于方案
方案四在１３、２９及顶层布置了水平面加强层，层间位移角
在这几层Ｘ、Ｙ向都相比小些，计算结果也看到，在这几层下面
出现了结构薄弱层。而方案五层间位移角变化趋势较为均匀，
没有上述问题。虽然Ｙ向各支撑布置形式下层间位移角相比
差别较小，但是Ｘ向方案方案一、二比较接近，方案三、四和方
案五在局部１３、２９层外也比较接近。且方案二＜方案一＜方
案四＜方案三，方案五介于方案四、五之问。
一～
图１１大震作用Ｘ向最大水平位移（ｉＹｌｍ）
３时程分析
—＋－琵 一
＋
一
力 案二
３．１计算方法
采用适合Ⅱ类场地的ＥＩ—Ｃｅｎｔｒｏ波对各方案结构进行
试算，小震时加速度时程曲线的最大值取７０ ｃｍ／Ｓ２，大震计算
取４００ ｅｒａ／ 。各方案结构阻尼系数取０．０２。
３．２计算结果
（１）楼层层间位移角
各方案在小震作用下楼层Ｘ向、Ｙ向水平最大位移如图
９、图１Ｏ所示，大震见图ｌ１、图１２。
时程分析所得结果在此仅例出具代表性的楼层层间位移
角，结论其它与振型分解反应谱法所得结果一致，因此未全部
列出。
（２）结果分析
—－＿－方案ｉ
方案四
＋方案五
图１２大震作用Ｙ向最大水平位移（１Ｔｉｍ）
无论从小震作用时程分析与大震时程分析最大水平位移
都可以看出，模态分析时得出的各方案结构刚度大者，其ｘ
向，Ｙ向最大水平位移小，即最大水平位移从小到大顺次大致
为：方案四＜方案三＜方案二＜方案一，而方案五最大水平位
移其本介于方案三与方案四之间，且位移变化趋势较为平缓。
（下转第５３页）
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２００８年第９期总第１２３期 黄云飞・浅议建筑结构含钢量问题 ・５３・
１Ｉ．３．６．３条，当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于２Ｘ时，表
ｉ１．３．６－－２中箍筋直径应增大２ｍｍ。也就是说，当梁受拉钢筋
采用ＨＲＢ４００级钢不仅能降低纵向钢筋配筋率，而且能减少
箍筋用量，从受力控制角度来看，三级钢优越性更明显。同时
可增加建筑物安全储备和混凝土结构强度，对高层和重要建筑
作用尤其显著。
此外，梁配筋结果每层均不同，归并时取大值配筋。建议
设计人员绘制施工图时对每层结构梁进行配筋。可每张图绘
制两层梁配筋，加括号予以区分节省图纸。虽然辛苦了点，但
可以节省配筋量。
（４）板筋选择
右，且提高钢筋与混凝土的协调工作能力［４］。
（５）基础、桩基承台选筋
根据《混凝土结构设计规范》第９．５．２条对卧置于地基上
的混凝土板，板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应
小于０．１５ 。对于独立基础在满足抗剪、抗冲切和局部承压
情况下来确定基础的高度，计算底板受弯的配筋很多情况下都
是按０．１５％构造配筋，从造价来看选用Ⅱ级钢更趋合理。
同理，对于桩基承台在满足抗剪、抗冲切和局部承压情况
下来确定承台的高度，计算承台受弯的配筋很多情况下也是按
构造配筋，而此时需按表９．５．１计算最小配筋率，比如：Ｃ３０Ⅱ
级钢时：ｐｍ 一Ｍａｘ｛０．２Ｏ ，０．４５ｆｔ／ｆｙ）一Ｍａｘ｛０．２Ｏ ，
现在市场上钢筋种类很多，如Ｉ级钢筋、Ⅱ级钢筋、Ⅲ级钢
筋、冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋等。大多数设计人员一般把设
计的重点放在配筋计算上，忽视了钢筋种类的选择。在满足结
构设计的前提下，选择造价低的钢筋方案，可以达到降低工程
造价的目的。如在一些大跨度板设计中，过去常采用ｑｌ０一 ｆ
ｓｏｌ２Ｉ级钢筋，若采用９１２１Ｉ级钢筋，可减少３０ 的钢筋用量。
０．２１ ｝一０．２１ ；ｌｌＩ级钢时： 一Ｍａｘ｛０．２Ｏ ，０．４５ｆｔ／ｆｙ｝
一
Ｍａｘ｛０．２Ｏ ，０．１８ ｝一０．２Ｏ ，两者相差０．２１ 一
０．２０ 一Ｏ．０１ ，含钢量几乎接近。同样从造价来看选用Ⅱ级
钢更趋合理。
６小结
结构设计对工程造价的影响不可忽视。建筑结构方案选
型、概念设计及保证结构整体安全可靠是我们结构优化设计的
按我省现行材料价格信息，Ｉ级９１２钢筋５８３０元／ｔ，Ⅱ级９１２
钢筋５３７０元／ｔ。显然，使用Ⅱ级钢筋要经济得多。Ⅲ级钢筋、
冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋是近年来推广使用的新型钢筋。冷
轧带肋钢筋是以普通低碳钢或低合金钢热扎园盘条为母材，经
冷轧减径后在其表面冷轧成具有三面或二面月牙形横肋的钢
筋。在现浇板中大多数用￣ｐ６一（ｐ１２热轧Ｉ级钢，强度值
前提。在运用一个或多个程序参与计算比较过程中，对如何控
制扭转、合理分配层间刚度等多下功夫。此外，承重构件截面
合理取值，施工图设计钢筋选择等都需要我们对作品精雕细
刻，精益求精。该加强部位定加强，不该浪费处可积少成多节
省配料。谨以此文抛砖引玉，希望得专家和同行们批评指正，
共为“建设节约型社会”出点点子。
２１０ＭＰａ。若用冷轧带肋５５０级代替，其强度值３４０ＭＰａ。用等
强代换计算，可节省用钢量（１—２１Ｏ÷３４０）×１００％一３８％。且
参考文献
［１］ＪＯＪ一２００２，高层建筑混凝土结构技术规程［Ｓ］．
［２］ＧＢ５００１１—２００１，建筑抗震设计规范Ｅｓ］．
［３］ＧＢ５ＯＯ１０－－２ＯＯ２，混凝土结构设计规范［Ｓ］．
［４］ｈｔｔｐ：／／ｃｏ．１６３．ｃｏｍ／ｒ＿ｐ＿４．ｈｔｍ．
它们与混凝土的粘结强度相当于光面钢筋的三倍以上。冷轧
扭钢筋，是将低碳钢热轧园盘条经专用钢筋冷轧扭机调直，冷
轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢
筋。由于其截面形式的变化，使其强度提高近一倍，连续螺旋
状与混凝土的握裹力提高近８Ｏ 。不仅节约钢筋用量３５ 左
（上接第５Ｏ页）
４结论与建议
（４）本文探讨的高层全钢结构第一、二层平面由于部分梁
被抽空，虽在水平向楼盖平面内布置了支撑，但在结构底下几
层也同样存在刚度突变，对结构下部几层柱，楼层内力存在应
力集中等问题，需进一步研究。
参考文献
（１）支撑的布置形式对高层钢结构的自振周期有较大影
响，合理的布置可使高层钢结构自振周期得到有效控制，支撑
布置在边跨结构刚度比中间跨要大，但层间位移角也同样会相
对大些，而巨型支撑结构刚度、层间位移角和结构水平最大位
移均处于前两种支撑布置方式之间。
（２）水平加强层对结构位移及层间位移角得以有效控制，
Ｅ８徐培福．复杂高层建筑结构设计［Ｍ］．北京：中国建
筑工业出版社．
但由于结构局部刚度突变，设计时应慎重处理。
（３）五种支撑布置方案的结构的抗震性能，结论列于表３。
表３五种支撑布置方案比较
Ｅ２］黄怡，王元清，石永久．支撑布置方式对多高层钢结构
抗震性能的影响分析ＥＭ］．
［３］沈国庆，陈宏，王元清，石永久．具有水平加强层高层
钢结构的动力特性及抗震性能分析ＥＭ］．
Ｅ４］黄怡，王元清，陈宏，温四清．水平加强层对超高层钢
结构一支撑结构的影￣ＳＥＭ］．
Ｅｓ］￣Ｌ京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研
究院．ＥＴＡＢＳ中文版使用指南Ｅｚ］．北京：中国建筑工业出版
社．２００４．
2024年3月10日发(作者：苌思思)
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支撑布置方式对具水平加强层全钢高层
结构抗震性能的影响分析
崔辉辉陶忠潘文
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摘 要：框架一支撑结构体系广泛应用于高层钢结构建筑。由于其自身刚度较小，水平荷载起控制作用，常需在高度方向设置水
平加强层。本文运用有限元软件ＥＴＡＢＳ，建立三维计算模型，对具水平加强层的全钢高层结构在不同支撑布置方式下进行了动
力特性分析。首先应用Ｒｉｔｚ向量分析法对各模型进行模态分析，得到结构的基本动力特征参数。然后作了谱分析、时程分析。
通过分析对比，对不同支撑布置方式下具水平加强层高层结构的内力、变形以及方案优选进行了探讨。
关键词：钢结构 支撑抗震分析
中图分类号：ＴＵ９７３ ．１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌＯ０４—６１３５（２００８）Ｏ９一ＯＯ４８～Ｏ４
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｗｈｏｌｅ ｈｉｇｈ－－ｒｉｓｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｂｒａｃｅｓ
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（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｋｕｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ６５０２２４ １
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂｒａｃｅｄ ｆｒａｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｈｉｇｈ－－ｒｉｓｅ ｗｈｏｌｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｌｅｖｅｌ ｌｏａｄ ｐｌａｙｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａｃｔｉｏｎｓ ｉｎ
ｈｉｇｈ ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｆｏｒ ｉｔｓ ｌｏｗ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｓｔｏｒｙ ｉｓ ｎｅｅｄ ｕｓｕａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ
ｗｈｏｌｅ ｈｉｇｈ ｒｉｓｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｓｔｏｒｙ ａｔ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｂｒａｃｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ＥＴＡＢＳ ｉｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｗｎ ｅｌｅｍｅｎｔ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｏｒｍ ｍｏｄｅ ａｎａｌ—
ｙｓｉｓ．Ｔｈｅｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎｄ Ｅｌａｓｔｉｃ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ。
ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ｓｔｏｒｙ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌａｙｏｕｔ ｂｒａｃｅｓ ｔｏ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｅｎｅｒｇｙ
ｄｉｓｓｉｐａｔｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｒａｃｅｓ ｓｅｉｓｍｉｃ ａｎａｌｙｒｓｉｓ
由于高度限制，用于高层钢结构建筑的框架体系常设置支
结构中支撑布置方式不同，结构侧向刚度相应改变ｌ＿２］。坚
撑。同时，为控制楼层的顶点位移及层间位移，可设置水平加 向支撑使得结构承受水平荷载时文通过有限元方法，对具有水
强层 。增加支撑体系和水平加强层是提高结构整体刚度，减
平加强层的全钢高层结构几种常见存在两道防线ｌ４］。本支撑
少梁、柱用钢量有效方法之一，具有较好的经济效果翻。
布置形式在地震作用下的结构响应进行了对比。探讨了支撑
布置方式对其地震响应的影响。
１计算模型
１．１高层框架三维模型
本文所探讨的模型主体结构高１７６．７ｍ，地上４５层，地下
３层（其中首层作为结构嵌固端）。首层高及第二层高４．８ｍ，
标准层层高３．９ｍ。首层（第二层）和标准层结构布置图如图
【
Ⅲ
；
＜
１、图２。梁柱构件及支撑截面尺寸见表１。结构楼面采用压型
ｖｌ ＿
，
钢板混凝土组合楼板，楼板厚１００ ｍｉｌｌ，恒荷载为１．７ｋＮ／ｍ２，活
、
，
荷载２．０ ｋＮ／ｍ 。外挑边梁及电梯井线荷载首层６．２ｋＮ／ｍ、标
准层４．７ｋＮ／ｍ。抗震设防烈度为８度，Ⅱ类场地，第二组。
表１梁柱构件及支撑截面尺寸
柱 主梁
图１首层（第二层）结构布置图
①～⑤轴口９００×９００Ｘ４０￣４０ ＢＤ轴与３、４轴间Ｈ８００Ｘ３００Ｘ １４Ｘ２０
⑥轴 口１０００Ｘ９００Ｘ４０Ｘ４０ 其它Ｈ８００Ｘ２５０Ｘ１４Ｘ２０
次粱 支撑
作者简介：崔辉辉，１９８２年６月出生，男，硕士研究生，主要
Ｈ４００×２００×６×１４ 一、二层水平支撑ＨＳ００Ｘ５００Ｘ２４Ｘ３８
从事结构工程方面研究。
收稿日期：２ｏｏ８一Ｏ４—２９
Ｈ３００×１５０Ｘ６×１０ 竖向支撑Ｈ４００Ｘ４００Ｘ２２Ｘ３０
１．２支撑布置方案
根据初选方案，选择５种典型的钢框架一支撑结构，支撑
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２００８年第９期总第１２３期 崔辉辉等・支撑布置方式对具水平加强层全钢高层结构抗震性能的影响分析
图２标准层结构布置图
均布置在外框柱间。支撑采用Ｈ４００×４００×２２×３０，各方案Ｙ
向支撑布置方式见各立面图３，ｘ向与Ｙ向支撑布置类似。分
别为支撑布置在边跨和中跨及巨型支撑，边跨和中跨支撑沿高
度跨两层和四层，巨型支撑沿高度跨十层。由于在房屋一、二
层有使用需求，Ａ到Ｅ轴线在５、６轴线问主梁与次梁全部抽
空，刚度较小，故在水平向布置了支撑。有限元分析模型用
ＥＴＡＢＳ建立并对其进行分析。
１．３水平加强层布置
前四种方案水平加强层布置分别在各方案中的第１３、２９
和４５层（具体见图３），杆件与坚向支撑相同。第五种方案为
支撑跨十层的巨型支撑方案，略去加强层（顶层除外）。
方索… 痔寰： 方察髑 方 髓
图３支撑布置立面图
２计算结果
２．１楼层质量
根据ＥＴＡＢＳ计算所得各方案楼层重力如图四所示。可
知，楼层质量大小顺次为“方案四＞方案三＞方案一＞方案五
＞方案二”。在主要构件柱、梁及次梁和楼盖恒、活载一定的情
况下，楼层质量差别主要来自于支撑因素。而方案一与方案三
的楼层质量基本相同。
２．２模态分析
模态分析采用Ｒｉｔｚ向量分析法，可考虑动力荷载的空间
作用效应。结构各方案计算所得的前６阶自振周期如表２。
图４楼层质量分布图
表２结构各方案模型自振周期比较（Ｓ）
编号 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五
Ｍｏｄｅ １ ５．０３２５３ ４．８２７５３ ４．６５１５７ ４．６５５５９ ４．８０３３５
Ｍｏｄｅ ２ ３．８８７２７ ３．８０３７２ ４．４ｌ４３７ ４．４４３ １４ ４．４４Ｏ４６
Ｍｏｄｅ ３ ２．７３１６３ ２．６６４４９ ２．６６５ｌ３ ２．５０９６０ ２．７０９７０
Ｍｏｄｅ ４ １．４９２９９ １．４０３４６ １．３６４８０ １．３１６Ｏ１ １．ｄ３５５４
Ｍｏｄｅ ５ １．１３３７３ １．１０７３１ １．３２８ｌ７ １．２９２４３ １．３０９９９
Ｍｏｄｅ ６ ０．８７１ｌ４ ０．８４５６４ ０．８４９６６ ０．７８０９１ ０．８９ｌ６ｊ
。 ／ ｏ
．
５４、Ｏ．７ｄ ０．５５、ｃ１＿７０ ｏ．５６、（１．６１ ｏ．５７、（１．６０ ｏ．５３、（）．５６
ｌＶｌｏｏｅｌ、
支撑分布于边跨的方案三、四前六阶振型周期基本接近，
周期也最小，说明这两种方案各向刚度都较大，而支撑沿高度
跨两层或跨四层对其影响不大。支撑分布差别较大的方案二
（支撑在中跨，跨两层）与方案五第一、四周期（Ｘ向平动）也很
接近，但其它各阶振型周期差别较大。其中方案二第二周期
（Ｙ向平动）比第一周期差别达１Ｓ多，两方向刚度有较大差别，
而方案五两方向刚度较为均匀。支撑分布于中间沿高度跨四
层的方案一刚度最小，且Ｘ向与Ｙ向刚度差别最大。同时，以
上各方案中，第三振型周期与第一、二振型周期之比都＜０．９，
扭转效应对各方案影响不大。
２．３反应谱分析
（１）计算方法
反应谱法是将动力问题转换为等效的静力问题来获得各
个振型的反应。采用的振型组合方法有：完全平方根组合法
（ＣＱＣ法）、平方和平方根法（ＳＲＳＳ法）、组合总体振型组合法
（ＧＭＣ法）及绝对值相加法（ＡｌＡＳ法），各分析方法都有其适用
性。从模态分析中看出，扭转效应影响不大，但考虑到地震作
用的不确定性及随机性，本方案仍采用可考虑平动扭转耦联
振动的ＣＱＣ法，并取地震作用地偶然偏心为５ 。
（２）计算结果
计算时取前４５阶振型，使各方案振型质量参与系数达
９ｏ 以上。计算得到的在单向地震作用下楼层剪力如图５、图
６。各方案楼层层间位移角如图７、图８所示。
Ｏ ５Ｏ００ １ ００００ １ Ｏ００ ２０ＯＯ０
图５ Ｘ向楼层剪力（ｋＮ）
（３）内力及位移结果分析
计算所得结果及楼层剪力图５、图６可以看出，各方案楼
层两向剪力较为接近。相差比较小。
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２００８年第９期总第１２３期
４５
４Ｏ
３５
崔辉辉等・支撑布置方式对具水平加强层全钢高层结构抗震性能的影响分析 ・５０・
钻蜘 如 一０ ０
３Ｏ
２５
警２Ｏ
１ ５
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方案ｊ＿￡
５０００ １ ００００ ｌ ５０００ ２００００
１ ００．０ —５０．０ ０．０ ５０．０ ｌＯ０．０
Ｏ
图６ Ｙ向楼层剪力（ｋＮ）
图９小震作用Ｘ向最大水平位移（ｔｒｉｍ）
一
—
万案一
＿＿．一
－－
方案二
…
茺繁ｉ．
方案四
黾
１ ５０
一
一
０．０００ １．０００ ２．０００
１ ００ ５０ ０ ５０ １００
图７ Ｘ向层间位移角（＊１０００）
０
图１Ｏ小震作用Ｙ向最大水平位移（ＩＴＩＩＹＩ）
４０
３５
３０
２５
２Ｏ
ｌ ５
ｌＯ
０
－—・一方 窠一
－ 聚
—
０
０．
０ＯＯ
＋
１．０００ ２．０００ ３．０００
一
—
方‘集ｉ
方案四
．＿－疗案
图８ Ｙ向层间位移角（＊１０００）
从各方案结构平面图和支撑布置来看，Ｘ向跨度比Ｙ向
大，其刚度也较大，但位移角Ｙ向差别比ｘ向要小。由于方案
方案四在１３、２９及顶层布置了水平面加强层，层间位移角
在这几层Ｘ、Ｙ向都相比小些，计算结果也看到，在这几层下面
出现了结构薄弱层。而方案五层间位移角变化趋势较为均匀，
没有上述问题。虽然Ｙ向各支撑布置形式下层间位移角相比
差别较小，但是Ｘ向方案方案一、二比较接近，方案三、四和方
案五在局部１３、２９层外也比较接近。且方案二＜方案一＜方
案四＜方案三，方案五介于方案四、五之问。
一～
图１１大震作用Ｘ向最大水平位移（ｉＹｌｍ）
３时程分析
—＋－琵 一
＋
一
力 案二
３．１计算方法
采用适合Ⅱ类场地的ＥＩ—Ｃｅｎｔｒｏ波对各方案结构进行
试算，小震时加速度时程曲线的最大值取７０ ｃｍ／Ｓ２，大震计算
取４００ ｅｒａ／ 。各方案结构阻尼系数取０．０２。
３．２计算结果
（１）楼层层间位移角
各方案在小震作用下楼层Ｘ向、Ｙ向水平最大位移如图
９、图１Ｏ所示，大震见图ｌ１、图１２。
时程分析所得结果在此仅例出具代表性的楼层层间位移
角，结论其它与振型分解反应谱法所得结果一致，因此未全部
列出。
（２）结果分析
—－＿－方案ｉ
方案四
＋方案五
图１２大震作用Ｙ向最大水平位移（１Ｔｉｍ）
无论从小震作用时程分析与大震时程分析最大水平位移
都可以看出，模态分析时得出的各方案结构刚度大者，其ｘ
向，Ｙ向最大水平位移小，即最大水平位移从小到大顺次大致
为：方案四＜方案三＜方案二＜方案一，而方案五最大水平位
移其本介于方案三与方案四之间，且位移变化趋势较为平缓。
（下转第５３页）
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２００８年第９期总第１２３期 黄云飞・浅议建筑结构含钢量问题 ・５３・
１Ｉ．３．６．３条，当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于２Ｘ时，表
ｉ１．３．６－－２中箍筋直径应增大２ｍｍ。也就是说，当梁受拉钢筋
采用ＨＲＢ４００级钢不仅能降低纵向钢筋配筋率，而且能减少
箍筋用量，从受力控制角度来看，三级钢优越性更明显。同时
可增加建筑物安全储备和混凝土结构强度，对高层和重要建筑
作用尤其显著。
此外，梁配筋结果每层均不同，归并时取大值配筋。建议
设计人员绘制施工图时对每层结构梁进行配筋。可每张图绘
制两层梁配筋，加括号予以区分节省图纸。虽然辛苦了点，但
可以节省配筋量。
（４）板筋选择
右，且提高钢筋与混凝土的协调工作能力［４］。
（５）基础、桩基承台选筋
根据《混凝土结构设计规范》第９．５．２条对卧置于地基上
的混凝土板，板中受拉钢筋的最小配筋率可适当降低，但不应
小于０．１５ 。对于独立基础在满足抗剪、抗冲切和局部承压
情况下来确定基础的高度，计算底板受弯的配筋很多情况下都
是按０．１５％构造配筋，从造价来看选用Ⅱ级钢更趋合理。
同理，对于桩基承台在满足抗剪、抗冲切和局部承压情况
下来确定承台的高度，计算承台受弯的配筋很多情况下也是按
构造配筋，而此时需按表９．５．１计算最小配筋率，比如：Ｃ３０Ⅱ
级钢时：ｐｍ 一Ｍａｘ｛０．２Ｏ ，０．４５ｆｔ／ｆｙ）一Ｍａｘ｛０．２Ｏ ，
现在市场上钢筋种类很多，如Ｉ级钢筋、Ⅱ级钢筋、Ⅲ级钢
筋、冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋等。大多数设计人员一般把设
计的重点放在配筋计算上，忽视了钢筋种类的选择。在满足结
构设计的前提下，选择造价低的钢筋方案，可以达到降低工程
造价的目的。如在一些大跨度板设计中，过去常采用ｑｌ０一 ｆ
ｓｏｌ２Ｉ级钢筋，若采用９１２１Ｉ级钢筋，可减少３０ 的钢筋用量。
０．２１ ｝一０．２１ ；ｌｌＩ级钢时： 一Ｍａｘ｛０．２Ｏ ，０．４５ｆｔ／ｆｙ｝
一
Ｍａｘ｛０．２Ｏ ，０．１８ ｝一０．２Ｏ ，两者相差０．２１ 一
０．２０ 一Ｏ．０１ ，含钢量几乎接近。同样从造价来看选用Ⅱ级
钢更趋合理。
６小结
结构设计对工程造价的影响不可忽视。建筑结构方案选
型、概念设计及保证结构整体安全可靠是我们结构优化设计的
按我省现行材料价格信息，Ｉ级９１２钢筋５８３０元／ｔ，Ⅱ级９１２
钢筋５３７０元／ｔ。显然，使用Ⅱ级钢筋要经济得多。Ⅲ级钢筋、
冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋是近年来推广使用的新型钢筋。冷
轧带肋钢筋是以普通低碳钢或低合金钢热扎园盘条为母材，经
冷轧减径后在其表面冷轧成具有三面或二面月牙形横肋的钢
筋。在现浇板中大多数用￣ｐ６一（ｐ１２热轧Ｉ级钢，强度值
前提。在运用一个或多个程序参与计算比较过程中，对如何控
制扭转、合理分配层间刚度等多下功夫。此外，承重构件截面
合理取值，施工图设计钢筋选择等都需要我们对作品精雕细
刻，精益求精。该加强部位定加强，不该浪费处可积少成多节
省配料。谨以此文抛砖引玉，希望得专家和同行们批评指正，
共为“建设节约型社会”出点点子。
２１０ＭＰａ。若用冷轧带肋５５０级代替，其强度值３４０ＭＰａ。用等
强代换计算，可节省用钢量（１—２１Ｏ÷３４０）×１００％一３８％。且
参考文献
［１］ＪＯＪ一２００２，高层建筑混凝土结构技术规程［Ｓ］．
［２］ＧＢ５００１１—２００１，建筑抗震设计规范Ｅｓ］．
［３］ＧＢ５ＯＯ１０－－２ＯＯ２，混凝土结构设计规范［Ｓ］．
［４］ｈｔｔｐ：／／ｃｏ．１６３．ｃｏｍ／ｒ＿ｐ＿４．ｈｔｍ．
它们与混凝土的粘结强度相当于光面钢筋的三倍以上。冷轧
扭钢筋，是将低碳钢热轧园盘条经专用钢筋冷轧扭机调直，冷
轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢
筋。由于其截面形式的变化，使其强度提高近一倍，连续螺旋
状与混凝土的握裹力提高近８Ｏ 。不仅节约钢筋用量３５ 左
（上接第５Ｏ页）
４结论与建议
（４）本文探讨的高层全钢结构第一、二层平面由于部分梁
被抽空，虽在水平向楼盖平面内布置了支撑，但在结构底下几
层也同样存在刚度突变，对结构下部几层柱，楼层内力存在应
力集中等问题，需进一步研究。
参考文献
（１）支撑的布置形式对高层钢结构的自振周期有较大影
响，合理的布置可使高层钢结构自振周期得到有效控制，支撑
布置在边跨结构刚度比中间跨要大，但层间位移角也同样会相
对大些，而巨型支撑结构刚度、层间位移角和结构水平最大位
移均处于前两种支撑布置方式之间。
（２）水平加强层对结构位移及层间位移角得以有效控制，
Ｅ８徐培福．复杂高层建筑结构设计［Ｍ］．北京：中国建
筑工业出版社．
但由于结构局部刚度突变，设计时应慎重处理。
（３）五种支撑布置方案的结构的抗震性能，结论列于表３。
表３五种支撑布置方案比较
Ｅ２］黄怡，王元清，石永久．支撑布置方式对多高层钢结构
抗震性能的影响分析ＥＭ］．
［３］沈国庆，陈宏，王元清，石永久．具有水平加强层高层
钢结构的动力特性及抗震性能分析ＥＭ］．
Ｅ４］黄怡，王元清，陈宏，温四清．水平加强层对超高层钢
结构一支撑结构的影￣ＳＥＭ］．
Ｅｓ］￣Ｌ京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研
究院．ＥＴＡＢＳ中文版使用指南Ｅｚ］．北京：中国建筑工业出版
社．２００４．