淺談多高層鋼結構柱間支撐形式

周美川

（甘肅建筑職業(yè)技術學院，蘭州 730050）

淺談多高層鋼結構柱間支撐形式

周美川

（甘肅建筑職業(yè)技術學院，蘭州 730050）

隨著我國經濟的發(fā)展，多高層鋼結構建筑發(fā)展迅速，其中以撐框架體系最為常見。設置鋼結構支撐對鋼結構的承載力、延性、變形能力、抗震性能、經濟性等幾個方面都有較為有利的影響，能夠有效地增強建筑結構的整體性和剛度以及減少鋼材用量。通過探討多高層鋼結構柱間支撐形式，以利于鋼結構設計中對比并選用合理的柱間支撐。

鋼結構；中心支撐；偏心支撐

0 引言

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

1 鋼結構柱間支撐形式

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，或者兩根支撐斜桿與框架橫梁交匯于一點，或者支撐斜桿與框架柱匯交于一點，但匯交時無偏心距。依據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。中心支撐具構造比較簡單，能有效地減少結構的側向位移。但是在地震作用下，中心支撐相比偏心支撐容易發(fā)生側向屈曲破壞。所以，在高烈度抗震設防地區(qū)應用時，應當慎重采用。

在實際工程項目的應用中中心支撐最常見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度較短，支撐桿件之間不設連接件，所以可以有效地減少鋼材材料和制作安裝的費用，降低造價。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。國外研究將人字形支撐依據橫梁的強度和剛度，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致的樓層剛度和強度的退化，產生過大的層間側移而最終導致支撐框架失穩(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，框架仍然能夠承擔一定的強度和豎向荷載以及支撐桿件屈曲以后支撐傳來的荷載。在具體結構設計中，依據框架梁承擔支撐桿件產生的內力的比例，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層的鋼結構建筑。

1.2 偏心支撐框架

偏心支撐是指支撐斜桿與梁的交點從節(jié)點中心（或梁軸線）移開小段距離，形成一個消能梁段。對于偏心支撐的每一根斜桿，應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，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。當采用倒V形或V形支撐時，橫梁的消能梁段長度a可取15%L，L是指支撐所在跨的框架橫梁長度。支撐斜桿與水平線的傾角一般取35°~50°，傾角過小則會增大消能橫梁段的軸力?？倢訑?shù)超過12層且抗震設防烈度為8、9度的鋼結構最好采用偏心支撐框架，但頂層框架梁一般內力較小，可不設置消能梁段，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度與其所在跨框架橫梁長度的比值。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，偏心支撐框架的抗推剛度越小，將越接近純框架。

偏心支撐當處于彈性階段工作時其抗推剛度與中心支撐相差不多，當進入彈塑性階段工作時，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構構件，非常適合于高烈度區(qū)或高層鋼結構建筑采用。偏心支撐在設計時應注意“強柱、強斜桿、弱消能梁段”。大震時，利用較弱的橫梁的消能梁段塑性變形來吸收并消耗輸入結構的地震能量，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]

對于鋼結構中支撐布置的位置，相關的研究和試驗表明，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，結構的抗側向剛度相對于支撐布置在建筑的兩側要強許多，并且如果支撐在長度盡量沿著長度方向上連續(xù)跨越相鄰的幾榀框架，也就是應盡可能地增加支撐的長度，也可以對結構的剛度起到增大的作用。另外，通過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，也能有效地加強結構的側向剛度。總之，鋼結構中支撐的布置形式和位置能夠顯著的影響結構的側向剛度和位移，所以，結構設計時在保證建筑的使用功能的前提下，應該合理的布置支撐，力求做到既安全可靠，又經濟合理。

2 結語

支撐—框架鋼結構建筑柱間的支撐體系在設計時，應按注意一定的原則：首先要盡量地使支撐體系傳力明確、合理、簡捷，縮短支撐體系傳力路徑； 其次要使采用的計算模型和實際結構相符合，保證計算精度達到工程的要求；再次要方便施工并且滿足施工工況下結構的安全和可靠； 最后要保證節(jié)點的強度、剛度和穩(wěn)定的要求，使結構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.單層鋼結構廠房X型柱間支撐問題的探討[J].鋼結構，2006，21（04）：53-57.

[3]周學軍，陳魯，曲慧.多、高層鋼結構支撐的布置方式對框架側向剛度的影響[J].鋼結構，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)技術學院，講師，從事教學工作。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.07.016

2015-03-19；

2015-03-26