1、钢框架支撑体系的应用和分析方法摘 要 本文介绍了中心支撑体系、偏心支撑体系等钢框架支撑体系，并总结了各自体系的类型、特点和应用范围，据此，判断不同高度的建筑所需要选择的钢框架支撑体系。此外，本文根据梁所能承受的支撑杆传来的荷载比例的不同，支撑框架具有不同程度的变形能力和延性，详细叙述了钢框架中心支撑体系的设计原则，并从偏心支撑体系的工作原理出发，根据设计原理及构造要求叙述其设计分析方法，以期对支撑结构的设计和应用具有一定的参考价值。 关键词: 钢结构；支撑体系；计算原则；设计方法 中图分类号： TU391 文献标识码： A 引言 地震和爆炸等偶然作用可能造成的严重经济损失和人员伤亡。为了节约有
2、限的空间，保持环境的可持续发展，建成高层，超高层建筑越来越流行。而这种结构不能仅仅使用之前的混凝土结构或砌体结构等，我们开始更多地使用钢结构，混合结构，或者筒体结构等结构体系，以增强结构的抗震能力或者稳定能力，其中使用更多地钢材是因为其具有良好的延性。然而回顾 1994 年美国的诺斯里奇地震、1995 年的阪神地震，发现钢结构在地震力作用下会出现脆性破坏，即延性好的钢材未必得到延性好的钢结构建筑，并不一定取得预期的结构安全效果。所以，对钢结构建筑如何设计使其在其使用期内充分发挥较好的延性性能成为关注的焦点。 在钢结构建筑中，框架结构体系不设置竖向支撑，可采用较大的柱距，并能提供较大的使用空间。
3、当房屋高度较大时，可在框架的纵横方向设置支撑或剪力墙，这样就形成了框架-支撑体系。支撑钢框架体系在框架体系中的某一跨或某几跨间，沿框架竖向设置由框架梁、柱和支撑斜杆共同构成的支撑桁架，与钢框架一起共同承担侧向荷载，形成两道抗侧力防线：第一道防线是竖向支撑，第二道防线是框架。在水平力的作用下，支撑杆件只承受拉压轴向力，并通过楼板的变形协调与刚接框架共同工作，形成双重抗侧力结构的结构体系1 。钢框架支撑体系有多种不同的类型，分别适用于不同高度的建筑。 1. 框架支撑结构体系类型 1.1 中心支撑框架 中心支撑是常用的支撑类型之一。中心支撑是指斜杆与横梁及柱汇交于一点，或两根斜杆与横梁汇交于一点，或
4、与柱汇交于一点，汇交时均无偏心距。根据斜杆的不同布置，可分为十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形(或称 K 字形)支撑，以及 V 形支撑等。 中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单，对减小结构的水平位移和改善结构的内力分布能起到一定的作用。但在平地震作用下，中心支撑容易产生侧向屈曲，尤其在往复的水平地震作用下，当结构的受力进入弹塑性范围时，楼层的抗剪能力和结构的抗侧刚度急剧下降，层间侧移过度增大，最终导致结构整体失稳破坏。因此，在地震区应用时应当慎重。一方面通过严格控制适用的建筑高度来规范使用；另一方面，通过提高钢框架的抗侧能力来保证其安全使用。 1.2 偏心支撑框架 偏心支撑框架是近期发展起来
5、的一种支撑结构形式。1977 年美国加州大学通过 1:3 模型框架的试验，首次验证了偏心支撑钢框架出色的抗震性能。随后在美国相继将偏心支撑框架用于一些高层建筑工程作为抗侧力体系的一部分2 。 偏心支撑的主要特点是每一根支撑斜杆的两端，至少有一端与梁不在柱节点处相连。这种支撑斜杆和柱之间，或斜杆和斜杆之间就构成了一个耗能梁段。采用耗能梁段的目的是改变支撑斜杆与梁(耗能梁段)的先后屈服顺序，即在罕遇地震时，一方面通过耗能梁段的非弹性变形进行耗能；另一方面使耗能梁段的剪切屈服在先(同跨的其余梁段未屈服)，保护支撑斜杆不屈曲或屈曲在后，从而有效地保持并相应地延长结构抗震能力的持续时间，并达到节约钢材的
6、目的。 2. 中心支撑框架的分析原则 在实际工程应用中最为常用的中心支撑是人字形支撑和交叉斜杆支撑。与交叉斜杆支撑相比，人字型支撑的支撑杆较短，支撑杆之间不需要连接件，因而可减少制作和安装造价。 虽然人字型支撑与交叉斜杆支撑相比具有较多优越的特性，但在地震荷载作用下，人字支撑体系塑性性能较差。试验表明3，在循环荷载作用下，当人字形支撑的横梁刚度较低时，一旦支撑达到水平极限受力状态，结构的水平承载能力随即大幅下降，通常仅为原来的 40%左右。对于低韧性支撑框架，仅要求梁在支撑杆件屈曲之前拥有足够的强度，不考虑在支撑杆屈曲之后的梁由于抗弯能力不足导致楼层刚度和强度的退化，造成过大的层间侧移并最终导
7、致支撑框架的失稳。这种支撑框架体系仅能用于 4 层及以下的钢框架中。而韧性支撑框架则要求在支撑杆屈曲之后，具有一定的强度以承担上部竖向荷载和支撑杆屈曲之后传来的荷载。 在设计过程中，根据梁所能承受的支撑杆传来的荷载比例的不同，支撑框架具有不同程度的变形能力和延性，分别适用于不同的楼层高度，最高可用于 10-12 层的钢结构建筑。这个高度与我国目前已颁布的“钢结构住宅建筑产业化技术导则”中推荐的钢结构住宅的高度基本吻合。因此，可以预见这类支撑体系在我国钢结构住宅建设中具有一定的应用价值。 3. 偏心支撑设计方法 目前，偏心支撑框架结构是一种新型的结构形式，它较好地结合了纯框架结构和中心支撑框架结
8、构两者的长处，与钢框架结构相比，它每层加有支撑，具有更大的抗侧移刚度及极限承载力；与中心支撑框架结构相比，它在支撑的一端有耗能梁段，在大震作用下，耗能梁段在巨大剪力作用下，先发生剪切屈服，从而保证支撑的稳定，使得结构的延性好，滞回环稳定，具有良好的耗能能力。 3.1 偏心支撑框架设计 偏心支撑体系的设计原则与其工作原理一致:在中、小地震作用下，所有构件在弹性阶段工作，由支撑提供主要的抗侧力刚度，体系的工作性能与中心支撑框架相似；在大地震作用下,保证支撑不发生受压屈曲，耗能梁段发生塑性变 形吸收地震能量，体系的工作性能与抗弯框架相似。 强度和延性是结构抗震设计中的两个重要指标。对于偏心支撑来讲，
9、耗能连梁的强度和延性直接关系到偏心支撑框架整体的强度和延性。因此，偏心支撑框架的设计首先应当合理地选择耗能连梁的几何尺寸，并对耗能连梁进行细部设计，以保证偏心支撑框架的整体延性水平；然后，进行偏心支撑框架其他杆件的设计时应当使这些杆件的强度高于耗能连梁，以便于充分发挥耗能连梁的极限强度和延性。 3.2 偏心支撑体系构造措施 3.2.1 框架部分的构造措施 当房屋高度不高于 100m 且框架部分承担的地震剪力不大于结构底部总地震剪力的 25%时，一、二、三级的抗震构造措施可按框架结构降低一级的相应要求采用；其他情况框架部分的构造措施仍按现行抗震规范要求的纯框架结构抗震构造措施的规定执行。 3.2
10、.2 偏心支撑杆件的构造措施 偏心支撑框架的支撑杆件的长细比不应大于 12O(235/f)0.5 其中 f表示钢材的屈服强度。支撑杆件的板件宽厚比不应超过现行国家标准 GB 500172010钢结构设计规范规定的轴心受压构件在弹性设计时的宽厚比限值。 4. 结语 钢框架支撑结构体系作为一种高效的双重抗侧力体系，能够显著地改善钢框架的抗侧刚度和抗震性能。在实际工程应用中，可根据结构受力和建筑功能的需要，在一个工程中选用一种或多种支撑结构型式。本文通过对四种常用支撑结构型式的介绍，总结了它们的类型、特点和应用范围，本文根据梁所能承受的支撑杆传来的荷载比例的不同，支撑框架具有不同程度的变形能力和延性，详细叙述了钢框架中心支撑体系的设计原则，并从偏心支撑体系的工作原理出发，根据设计原理及构造要求叙述其设计分析方法，对支撑结构的设计和应用具有一定的参考价值。参考文献 陈富生，邱国桦，范重. 高层建筑钢结构设计M.北京：中国建筑工业出版社，2000 Popov E P, Engelhardt M D. Seismic eccentrically braced framesJ. Journal of Construction Steel Research, 1988,(10):321354 管克俭，王新武，彭少民.钢框架支撑体系的应用和分析方法.中国工程科学，2003,5(5):8183
