周美川

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050）

淺談多高層鋼結(jié)構(gòu)柱間支撐形式

周美川

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘭州 730050）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展迅速，其中以撐框架體系最為常見(jiàn)。設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)支撐對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的承載力、延性、變形能力、抗震性能、經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面都有較為有利的影響，能夠有效地增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的整體性和剛度以及減少鋼材用量。通過(guò)探討多高層鋼結(jié)構(gòu)柱間支撐形式，以利于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)比并選用合理的柱間支撐。

鋼結(jié)構(gòu)；中心支撐；偏心支撐

0 引言

在多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，單純框架結(jié)構(gòu)體系若采用較大柱距、可通過(guò)加大構(gòu)件截面尺寸等措施增大側(cè)向剛度，抵御各種水平力的作用；隨著建筑物高度的增加，由于風(fēng)荷載或地震作用成為設(shè)計(jì)時(shí)的控制因素，單純的框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度一般較弱，對(duì)于單純的框架結(jié)構(gòu)，框架是唯一的抗側(cè)力體系，其破壞后整體結(jié)構(gòu)也就倒塌，在框架結(jié)構(gòu)的柱間設(shè)置支撐，依靠支撐和框架共同抵抗水平作用，構(gòu)成雙重抗側(cè)力體系，能夠有效的抵抗地震作用及風(fēng)荷載，保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移在合理的范圍內(nèi)，提高了建筑的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。合理的布置支撐，不但可以有效地增大結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，有效地控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，而且還可以有效地降低支撐所引起的柱的附加內(nèi)力。

1 鋼結(jié)構(gòu)柱間支撐形式

1.1 中心支撐框架

中心支撐這種支撐的類型是工程中最常見(jiàn)的支撐的類型之一。中心支撐通常是指支撐斜桿和框架橫梁以及框架柱交匯于一點(diǎn)，或者兩根支撐斜桿與框架橫梁交匯于一點(diǎn)，或者支撐斜桿與框架柱匯交于一點(diǎn)，但匯交時(shí)無(wú)偏心距。依據(jù)斜桿布置方式的不同，通常分為十字形交叉支撐、單斜桿型中心支撐、人字形中心支撐、K字形中心支撐、V形中心支撐等。中心支撐具構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，能有效地減少結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。但是在地震作用下，中心支撐相比偏心支撐容易發(fā)生側(cè)向屈曲破壞。所以，在高烈度抗震設(shè)防地區(qū)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)慎重采用。

在實(shí)際工程項(xiàng)目的應(yīng)用中中心支撐最常見(jiàn)的是十字交叉支撐和人字形支撐。與十字交叉支撐相比較，人字形支撐的支撐桿件長(zhǎng)度較短，支撐桿件之間不設(shè)連接件，所以可以有效地減少鋼材材料和制作安裝的費(fèi)用，降低造價(jià)。而且，人字形支撐非常有利于在支撐桿件之間布置洞口，能更好地滿足建筑立面布置的需要。雖然人字形支撐與十字交叉支撐相比較，有很多的優(yōu)越性，然而在地震作用下，人字形支撐體系的塑性性能較差。國(guó)外研究將人字形支撐依據(jù)橫梁的強(qiáng)度和剛度，分為低韌性支撐框架和韌性支撐框架兩大類[1]。對(duì)于低韌性支撐框架，只要求梁在支撐桿件發(fā)生屈曲之前有足夠的強(qiáng)度，不考慮在支撐桿件屈曲之后的梁由于抗彎承載能力不足而導(dǎo)致的樓層剛度和強(qiáng)度的退化，產(chǎn)生過(guò)大的層間側(cè)移而最終導(dǎo)致支撐框架失穩(wěn)。這種支撐框架體系一般用于4層及以下的鋼框架中。對(duì)于韌性支撐框架，則要求即使支撐桿件屈曲，框架仍然能夠承擔(dān)一定的強(qiáng)度和豎向荷載以及支撐桿件屈曲以后支撐傳來(lái)的荷載。在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，依據(jù)框架梁承擔(dān)支撐桿件產(chǎn)生的內(nèi)力的比例，使支撐框架的變形能力和延性各不相同，能夠適用于不同的樓層高度，最高能用于10~12層的鋼結(jié)構(gòu)建筑。

1.2 偏心支撐框架

偏心支撐是指支撐斜桿與梁的交點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)中心（或梁軸線）移開(kāi)小段距離，形成一個(gè)消能梁段。對(duì)于偏心支撐的每一根斜桿，應(yīng)該至少有一端和框架中橫梁相連，每一根斜桿只能有一端和消能梁段相連，假如支撐斜桿的兩端都與消能梁段相連接，則地震情況下，支撐斜桿的一端的消能框架橫梁段屈服時(shí)，而支撐斜桿的另一端的橫梁消能梁段可能不屈服，這就減少了支撐的承載力和橫梁的耗能能力。為了使偏心支撐框架有比較大的側(cè)向剛度，而且使消能梁段橫梁能抵抗較大的剪力，一般最好采用比較短的消能橫梁段。當(dāng)采用倒V形或V形支撐時(shí)，橫梁的消能梁段長(zhǎng)度a可取15%L，L是指支撐所在跨的框架橫梁長(zhǎng)度。支撐斜桿與水平線的傾角一般取35°~50°，傾角過(guò)小則會(huì)增大消能橫梁段的軸力?？倢訑?shù)超過(guò)12層且抗震設(shè)防烈度為8、9度的鋼結(jié)構(gòu)最好采用偏心支撐框架，但頂層框架梁一般內(nèi)力較小，可不設(shè)置消能梁段，而采用中心支撐。

偏心支撐框架的抗推剛度一般取決于橫梁消能梁段長(zhǎng)度與其所在跨框架橫梁長(zhǎng)度的比值。橫梁消能梁段越短，其抗推剛度將越接近中心支撐框架；相反，橫梁消能梁段的消能梁段越長(zhǎng)，偏心支撐框架的抗推剛度越小，將越接近純框架。

偏心支撐當(dāng)處于彈性階段工作時(shí)其抗推剛度與中心支撐相差不多，當(dāng)進(jìn)入彈塑性階段工作時(shí)，其延性水平和耗能能力趨近于延性框架，所以偏心支撐是一種抗震性能非常良好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，非常適合于高烈度區(qū)或高層鋼結(jié)構(gòu)建筑采用。偏心支撐在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意“強(qiáng)柱、強(qiáng)斜桿、弱消能梁段”。大震時(shí)，利用較弱的橫梁的消能梁段塑性變形來(lái)吸收并消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，以保證支撐斜桿不發(fā)生屈曲破壞，從而具有良好的滯回性能；即使最后橫梁消能梁段屈服后進(jìn)入硬化階段，偏心支撐斜桿、柱以及橫梁其余梁段仍然能處于彈性工作階段。

1.3 支撐的布置形式[3]

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)中支撐布置的位置，相關(guān)的研究和試驗(yàn)表明，在支撐桿件的用鋼量和規(guī)格都相同的條件下，在建筑的中間位置布置支撐，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)向剛度相對(duì)于支撐布置在建筑的兩側(cè)要強(qiáng)許多，并且如果支撐在長(zhǎng)度盡量沿著長(zhǎng)度方向上連續(xù)跨越相鄰的幾榀框架，也就是應(yīng)盡可能地增加支撐的長(zhǎng)度，也可以對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度起到增大的作用。另外，通過(guò)改變支撐桿件自身的截面形式和規(guī)格，改變支撐自身的剛度，也能有效地加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。總之，鋼結(jié)構(gòu)中支撐的布置形式和位置能夠顯著的影響結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和位移，所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在保證建筑的使用功能的前提下，應(yīng)該合理的布置支撐，力求做到既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理。

2 結(jié)語(yǔ)

支撐—框架鋼結(jié)構(gòu)建筑柱間的支撐體系在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按注意一定的原則：首先要盡量地使支撐體系傳力明確、合理、簡(jiǎn)捷，縮短支撐體系傳力路徑； 其次要使采用的計(jì)算模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)相符合，保證計(jì)算精度達(dá)到工程的要求；再次要方便施工并且滿足施工工況下結(jié)構(gòu)的安全和可靠； 最后要保證節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定的要求，使結(jié)構(gòu)具有安全可靠的連接。

[1]Tr emblayR，Robert N.Seismic design of low-and medium rise chevron braced steel frames[J].Canadian Journal of Civil Engineering，2000（27）：1192-1206.

[2]楊曉東，郭靜.單層鋼結(jié)構(gòu)廠房X型柱間支撐問(wèn)題的探討[J].鋼結(jié)構(gòu)，2006，21（04）：53-57.

[3]周學(xué)軍，陳魯，曲慧.多、高層鋼結(jié)構(gòu)支撐的布置方式對(duì)框架側(cè)向剛度的影響[J].鋼結(jié)構(gòu)，2003，18（04）：51-54.

TU973+.15

A

1673-1093（2015）07-0069-02

周美川（1984），男，就職于甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，從事教學(xué)工作。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.07.016

2015-03-19；

2015-03-26