不同支撐形式在高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及分析

楊亞楠

(山東高速建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

如需保證鋼結(jié)構(gòu)體系，使其具有較為良好穩(wěn)定性能，必須要在框架結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中通過(guò)加大構(gòu)件截面尺寸獲得最終效果，但是這種方式一方面性價(jià)比較低，同時(shí)對(duì)于整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性提升所作出的貢獻(xiàn)也微乎其微。尤其是對(duì)于多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物而言，隨著建筑物高度不斷增大，所承受的風(fēng)荷載或者地震荷載也尤為明顯，也逐漸成為了實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中所需要考慮的重要因素，對(duì)于單純意義上的框架鋼結(jié)構(gòu)而言，其整體側(cè)向剛度相對(duì)而言比較小，在抵抗水平力作用下，框架起到主要作用，但是最終效果卻不理想，當(dāng)所受到水平較大，那么就會(huì)造成結(jié)構(gòu)倒塌現(xiàn)象產(chǎn)生，所以，為了能夠保證鋼結(jié)構(gòu)整體剛性較為理想，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況在柱間設(shè)置針對(duì)性支撐，保證其能夠與框架構(gòu)成水平抗側(cè)力體系降低水平作用力影響，最終形成雙重抗側(cè)力體系，合理降低地震荷載與風(fēng)荷載所產(chǎn)生影響，降低鋼結(jié)構(gòu)體系所可能出現(xiàn)的水平位移，最大限度上提升建筑物的整體安全性與經(jīng)濟(jì)性。因此，如果能夠合理對(duì)支撐進(jìn)行有效布置，那么一方面能夠提升建筑物側(cè)向剛度，另一方面還能夠合理控制側(cè)向位移，最大限度上降低鋼結(jié)構(gòu)柱所受到的附加應(yīng)力。

1 鋼結(jié)構(gòu)柱間支撐形式

在幾十年前鋼鐵供不應(yīng)求，國(guó)家通常倡導(dǎo)用鋼節(jié)約，而如今我國(guó)是鋼鐵強(qiáng)國(guó)，建筑業(yè)可以選用的鋼料品種齊全，我國(guó)也是產(chǎn)鋼大國(guó)，產(chǎn)量早已突破7.18億噸/年。建筑采取鋼材成為國(guó)家鼓勵(lì)的政策支持的對(duì)象。隨著如今社會(huì)發(fā)展速度的不斷加快，我國(guó)建筑工程樣式也朝著不斷豐富方向發(fā)展，建筑開發(fā)商在選擇結(jié)構(gòu)形式過(guò)程中，也不簡(jiǎn)單局限于混凝土結(jié)構(gòu)，而鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)成為人們所關(guān)注的一個(gè)全新結(jié)構(gòu)形式。從其自身優(yōu)勢(shì)上看，可以概括為以下幾個(gè)方面：(1)鋼結(jié)構(gòu)自身材料質(zhì)量比較輕，而且承載力較為理想。(2)隨著鋼結(jié)構(gòu)自身重量不斷減輕，能夠合理降低基礎(chǔ)負(fù)荷，從而有效控制基礎(chǔ)造價(jià)。(3)鋼結(jié)構(gòu)材料一方面具有著比較良好強(qiáng)度，同時(shí)其自身的韌性、延性也較為合理。(4)合理地降低尺寸，能夠不斷地提升整體使用面積。(5)鋼結(jié)構(gòu)工程施工速度比較快，整個(gè)建筑周期較短。(6)能夠便于一些大柱網(wǎng)、大開間的建筑功能形式，使得建筑工程獲得良好功能性。

對(duì)于傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)形式而言，主要包括框架、框架支撐、鋼筒中筒三種體系，對(duì)于純鋼框架來(lái)說(shuō)其自身剛度相對(duì)而言比較小，這也使得其所具有經(jīng)濟(jì)性能也比較差，而對(duì)于鋼筒中筒結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于所需要設(shè)置的柱間距離比較小，因此導(dǎo)致整個(gè)建筑物使用功能受到極大限制，而對(duì)于多高層鋼結(jié)構(gòu)而言，合理選擇鋼框架支撐體系是經(jīng)濟(jì)性能與功能性都能夠合理體現(xiàn)的重要結(jié)構(gòu)形式。在該體系當(dāng)中合理設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，一方面能夠提升整個(gè)結(jié)構(gòu)剛性，另一方面還能夠減小在風(fēng)作用力與地震作用力影響下鋼結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移，所以結(jié)合實(shí)際情況對(duì)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理研究就顯得至關(guān)重要。從目前的實(shí)際角度上來(lái)看，使用比較頻繁的支撐形式主要包括中心支撐、偏心支撐以及屈曲約束支撐等一系列類型，本文主要是將前兩者作為重點(diǎn)加以探究。

1.1 中心支撐框架

從工程實(shí)踐角度看，中心支撐是應(yīng)用最為頻繁的一種支撐類型，對(duì)于中心支撐而言，在整個(gè)體系當(dāng)中不存在偏心情況，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不會(huì)受到偏心距影響。另外，按照斜桿布置方式存在的不同，還可以將其細(xì)化成為十字型交叉支撐等一系列類型。對(duì)于中心支撐結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，整體的構(gòu)造相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，降低整個(gè)體系所產(chǎn)生的橫向位移情況。但是，由于受到地震力影響，從中心支撐角度看，也更加容易產(chǎn)生屈曲破壞。因此如果項(xiàng)目所在地對(duì)抗震性能要求較高，那么需要采取措施進(jìn)行適當(dāng)加固。從目前實(shí)際應(yīng)用角度上看，最為常見(jiàn)的中心支撐形式可以概括為是十字交叉支撐與人字形支撐。同時(shí)，在不同支撐桿件當(dāng)中則不需要設(shè)置連接件，所以這種方式對(duì)于最大限度上減少鋼材使用以及安裝費(fèi)用能夠起到良好幫助作用，為施工企業(yè)帶來(lái)更為可觀經(jīng)濟(jì)效益。另外，從人字形支撐角度看，也方便后期可以結(jié)合功能需求設(shè)置洞口，充分滿足立面的實(shí)際要求。通過(guò)以上論述可以清楚看到，與交叉支撐對(duì)比而言，人字形交叉自身的優(yōu)勢(shì)還是十分明顯，但是在地震作用之下及自身塑性性能卻并不是十分理想。從目前很多研究學(xué)者所給出的研究結(jié)果上來(lái)看，在對(duì)人字形支撐進(jìn)行分析過(guò)程中，主要還是結(jié)合衡量自身所具有的強(qiáng)度與剛度，可以結(jié)合實(shí)際情況將其劃分成為低韌性支撐框架和韌性支撐框架兩種類別。從低韌性支撐框架來(lái)說(shuō)，需要保證支撐桿件在發(fā)生屈曲之前具有一定剛度即可，不需要結(jié)合實(shí)際情況考慮支撐桿件屈曲之后的梁由于抗彎承載能力缺乏最終影響整個(gè)樓層剛度與強(qiáng)度受到消極影響，也不需要考慮可能會(huì)導(dǎo)致所出現(xiàn)的一系列框架失穩(wěn)問(wèn)題，對(duì)于此類框架體系來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)將其應(yīng)用于樓層較低的結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中。但是對(duì)于韌性支撐框架而言，還需要保證支撐桿件在屈曲狀態(tài)下，整個(gè)框架仍需要具有較為良好的強(qiáng)度以及豎向荷載承受能力。在實(shí)際開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，需要綜合考慮所產(chǎn)生的內(nèi)力比例情況，選擇最為科學(xué)性的支撐模式，對(duì)于韌性支撐框架來(lái)說(shuō)比較適合于高度在40m～50m之間結(jié)構(gòu)體系之中。

1.2 偏心支撐框架

對(duì)于偏心支撐結(jié)構(gòu)體系而言，主要指的是所支撐的每根斜桿，起碼有一段能夠與框架橫梁充分連接在一起，同時(shí)令斜桿軸線與橫梁軸線的交點(diǎn)偏離梁、柱軸線交點(diǎn)或者另一斜桿與橫梁軸線交點(diǎn)一段距離進(jìn)而最終所形成的耗能梁段的結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)?shù)卣鹆叶容^低時(shí)，整個(gè)框架體系的所有構(gòu)件全部都處于彈性階段，因此其自身具備比較良好的剛度，從工作原理與最終所能夠獲得的效果上看與中心支撐框架比較類似。而如果所遭遇的地震力度比較大，耗能梁端產(chǎn)生剪切屈服力求能夠?qū)Φ卣鹉芰考右杂行模ㄟ^(guò)這種方式能夠保證支撐構(gòu)件不會(huì)先發(fā)生受壓屈曲而造成整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力呈現(xiàn)出顯著降低的情況，同時(shí)也使得整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的延性可以得到最大程度上的提升，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)在受到地震作用的消極影響不會(huì)導(dǎo)致主體承重結(jié)受到消極影響。而在多遇地震以及風(fēng)荷載的綜合作用影響之下，耗能梁端以及其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件也會(huì)始終處于彈性變形階段，整個(gè)結(jié)構(gòu)自身的抗側(cè)剛度也比較理想，保證結(jié)構(gòu)變形能夠始終處于一個(gè)正常的變形范疇之內(nèi)。

在地震作用力影響之下，可能就會(huì)出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)失穩(wěn)情況，為了能夠保證該結(jié)構(gòu)體系具有較為可觀側(cè)向剛度，一般情況下要保證消能梁段的長(zhǎng)度比較小。通常情況下在實(shí)際結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中比較常用的是倒V型與V型支撐，橫梁的消能梁段長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)取整個(gè)梁長(zhǎng)的15%左右。對(duì)于這種支撐框架抗側(cè)力剛度來(lái)說(shuō)，與橫梁消能梁段的長(zhǎng)度和其所在框架橫梁長(zhǎng)度的比值息息相關(guān)，如果橫梁消能梁段的長(zhǎng)度比較小，剛度將越接近中心支撐框架，如果其橫梁消能梁段比較長(zhǎng)，自身抗側(cè)力剛度則相對(duì)而言比較小，與純框架更為接近。

經(jīng)過(guò)很多研究學(xué)者以及專業(yè)工作人員的多年研究，目前已經(jīng)形成了形式多樣化的偏心支撐鋼框架的結(jié)構(gòu)形式，其中目前使用頻率最高的就是K型偏心支撐體系。在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系實(shí)際受到外荷載作用之下，偏心支撐結(jié)構(gòu)體系自身的強(qiáng)度與剛度相對(duì)而言比較理想，也能夠最大程度上的滿足層間位移的實(shí)際需求。如果整個(gè)結(jié)構(gòu)受到了罕遇地震的綜合影響，整個(gè)體系一方面可以借助于耗能梁端的非彈性變形進(jìn)行耗能，另外一方面耗能梁段一般都會(huì)首先出現(xiàn)剪切屈服情況，最大程度上保護(hù)支撐斜桿不屈曲或者屈曲滯后，這種情況也十分合理的保持并相應(yīng)的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)抗震能力以及抗震持續(xù)時(shí)間，一方面提供了更多的搶救時(shí)間，另一方面對(duì)于節(jié)約鋼材也起到了十分積極的幫助作用。通過(guò)以上的相關(guān)論述可以清楚看到，對(duì)于耗能梁段而言，在受到抗震作用的綜合影響之下主要發(fā)揮了“保險(xiǎn)絲”的作用，借助于塑形變形的方式，最大程度上對(duì)支撐斜桿當(dāng)中軸向應(yīng)力進(jìn)行了充分限制，合理規(guī)避了較大的力傳入支撐令其出現(xiàn)屈曲情況，整個(gè)結(jié)構(gòu)也具備了比較理想的延性以及耗能能力。

1.3 支撐的布置形式

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)框架體系當(dāng)中支撐布置形式來(lái)說(shuō)，根據(jù)目前已有研究學(xué)者所得到結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在支撐桿件用鋼量與規(guī)格完全相同情況下，在建筑中間位置設(shè)置支撐，那么最終所獲得抗側(cè)向剛度要更為理想，而且如果支撐在長(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)當(dāng)盡可能的提高支撐的長(zhǎng)度，那么對(duì)于提升結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度也有著良好幫助。與此同時(shí)如果能夠適當(dāng)?shù)母纳茥U件的截面形式以及規(guī)格，那么對(duì)于提升整個(gè)框架的剛度也會(huì)起到良好的幫助作用。因此通過(guò)以上的相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)中支撐的布置形式來(lái)說(shuō)，其整體位置也會(huì)對(duì)其側(cè)向剛度產(chǎn)生較大影響。所以在進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，一方面要保證其自身建筑功能得以順利實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)盡可能合理布置支撐，一方面要做到安全，另外還應(yīng)當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能。

1.4 支撐安裝

1.4.1 切料下料

在制備鋼料的過(guò)程中，不同的材料需要不同的設(shè)備進(jìn)行加工，對(duì)于型鋼而言可以使用專用的型鋼切割設(shè)備，而鋼板則可以采用半自動(dòng)切割機(jī)取樣。

1.4.2 打孔鉆孔

在打孔前，首先使用測(cè)量常用工具鋼尺和定位設(shè)備劃針對(duì)孔洞位置進(jìn)行測(cè)定，標(biāo)出中心，畫出半徑，隨后在其周圍沖出4個(gè)孔洞使其相互約為垂直角度，最后使用專業(yè)設(shè)備嚴(yán)格檢查。

1.4.3 螺栓表面噴砂工藝

螺栓表面需要有一定的粗糙度，這需要進(jìn)行噴砂處理，選用噴砂工藝的壓力為7kg/cm2，選取的沙粒為石英砂，沙粒大約均為1.6mm～4mm，進(jìn)行噴砂后的鋼料表層會(huì)泛灰白色。隨后鋼板表面也需要進(jìn)行磨拋處理，采用了砂輪機(jī)進(jìn)行打磨。值得留意的是，在打磨的過(guò)程中需要注意范圍，不能低于安裝螺栓四倍直徑，且打磨的過(guò)程需要一定的手法，不能讓板材表面出現(xiàn)很深的凹坑，打磨時(shí)行進(jìn)的方向需要垂直手施加壓力的方向。

1.4.4 裝配箱型柱

通常在安裝施工時(shí)箱型柱為重中之重，箱型柱的裝配從鋼料的選購(gòu)，制備成型、市場(chǎng)交通運(yùn)輸，到最后的起吊裝配安裝都需要嚴(yán)格把關(guān)。因?yàn)殇摷诔睗竦沫h(huán)境中易生銹，需要把油漆涂刷均勻避免生銹，在此之前去除鋼板等易銹區(qū)域的殘余銹渣、污垢等雜物，必須將除銹效果達(dá)到Sa2級(jí)(Sa2等級(jí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為完全的進(jìn)行噴射等方法去除鐵銹，除銹結(jié)束后鋼料表層無(wú)肉眼可見(jiàn)的污漬和氧化層)以上，而機(jī)械除銹是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。后續(xù)還需要進(jìn)行手工去除達(dá)到Sa2(此標(biāo)準(zhǔn)為通過(guò)手工或者手動(dòng)勞動(dòng)工具進(jìn)行深層次除銹，直到所有氧化皮和油漆殘余層等雜物粘連材料表面)。

1.4.5 鋼梁依次安裝

鋼梁有多種安裝要求均不同。安裝主梁(原料為Q345B鋼，經(jīng)過(guò)軋制為H型)時(shí)應(yīng)格外注意需要進(jìn)行捆綁使其呈串，然后再進(jìn)行吊裝，根據(jù)建筑的實(shí)際情況控制吊裝的根數(shù)。次梁的安裝通常需要單獨(dú)分開吊送，外挑梁和承擔(dān)剪力墻的部位需要根據(jù)空間位置和連接處的實(shí)際情況進(jìn)行合理的裝配。

1.4.6 高強(qiáng)螺栓特點(diǎn)與裝配

鋼結(jié)構(gòu)單靠一根根的鋼板是毫無(wú)作用的，必須有優(yōu)異的螺栓將它們進(jìn)行連接。這種螺栓需要有靈活拆換性、施工簡(jiǎn)易性、受力均勻性。而高強(qiáng)螺栓則是目前最合適的選擇。此工程連接鋼結(jié)構(gòu)的螺栓連接方法采用的是摩擦型。螺栓的緊固需要經(jīng)過(guò)兩次，一次為使用常用的扳手進(jìn)行初始緊固，然后在使用特定的扭矩扳手進(jìn)行加緊。

2 結(jié) 語(yǔ)

隨著最近幾年我國(guó)房地產(chǎn)行業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，人們對(duì)于居住環(huán)境需求也在不斷提升，傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)雖然自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較為理想，但是從實(shí)際角度看，卻存在很多缺點(diǎn)，例如，施工周期長(zhǎng)、資金耗費(fèi)高、建筑自重大等。也正是在這樣的情況下，越來(lái)越多研究學(xué)者開始將關(guān)注重點(diǎn)集中在鋼結(jié)構(gòu)建筑形式，但是鋼結(jié)構(gòu)主體受到材料物理性質(zhì)限制，也導(dǎo)致自身橫向穩(wěn)定性不理想，為了能夠提升整體穩(wěn)定性，就必須要結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置撐桿。因此本文在進(jìn)行分析過(guò)程當(dāng)中，就對(duì)不同支撐形式在高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行針對(duì)性闡述與分析，將中心支撐框架與偏心支撐框架作為重點(diǎn)加以研究。希望對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員今后能夠更好的選擇支撐布置形式起到一定參考價(jià)值。