浅谈多高层钢结构柱间支撑形式

周美川

（甘肃建筑职业技术学院，兰州 730050）

浅谈多高层钢结构柱间支撑形式

周美川

（甘肃建筑职业技术学院，兰州 730050）

随着我国经济的发展，多高层钢结构建筑发展迅速，其中以撑框架体系最为常见。设置钢结构支撑对钢结构的承载力、延性、变形能力、抗震性能、经济性等几个方面都有较为有利的影响，能够有效地增强建筑结构的整体性和刚度以及减少钢材用量。通过探讨多高层钢结构柱间支撑形式，以利于钢结构设计中对比并选用合理的柱间支撑。

钢结构；中心支撑；偏心支撑

0 引言

在多高层钢结构建筑中，单纯框架结构体系若采用较大柱距、可通过加大构件截面尺寸等措施增大侧向刚度，抵御各种水平力的作用；随着建筑物高度的增加，由于风荷载或地震作用成为设计时的控制因素，单纯的框架结构的侧向刚度一般较弱，对于单纯的框架结构，框架是唯一的抗侧力体系，其破坏后整体结构也就倒塌，在框架结构的柱间设置支撑，依靠支撑和框架共同抵抗水平作用，构成双重抗侧力体系，能够有效的抵抗地震作用及风荷载，保证结构的侧向位移在合理的范围内，提高了建筑的安全性、适用性和经济性。合理的布置支撑，不但可以有效地增大结构的侧向刚度，有效地控制结构的侧向位移，而且还可以有效地降低支撑所引起的柱的附加内力。

1 钢结构柱间支撑形式

1.1 中心支撑框架

中心支撑这种支撑的类型是工程中最常见的支撑的类型之一。中心支撑通常是指支撑斜杆和框架横梁以及框架柱交汇于一点，或者两根支撑斜杆与框架横梁交汇于一点，或者支撑斜杆与框架柱汇交于一点，但汇交时无偏心距。依据斜杆布置方式的不同，通常分为十字形交叉支撑、单斜杆型中心支撑、人字形中心支撑、K字形中心支撑、V形中心支撑等。中心支撑具构造比较简单，能有效地减少结构的侧向位移。但是在地震作用下，中心支撑相比偏心支撑容易发生侧向屈曲破坏。所以，在高烈度抗震设防地区应用时，应当慎重采用。

在实际工程项目的应用中中心支撑最常见的是十字交叉支撑和人字形支撑。与十字交叉支撑相比较，人字形支撑的支撑杆件长度较短，支撑杆件之间不设连接件，所以可以有效地减少钢材材料和制作安装的费用，降低造价。而且，人字形支撑非常有利于在支撑杆件之间布置洞口，能更好地满足建筑立面布置的需要。虽然人字形支撑与十字交叉支撑相比较，有很多的优越性，然而在地震作用下，人字形支撑体系的塑性性能较差。国外研究将人字形支撑依据横梁的强度和刚度，分为低韧性支撑框架和韧性支撑框架两大类[1]。对于低韧性支撑框架，只要求梁在支撑杆件发生屈曲之前有足够的强度，不考虑在支撑杆件屈曲之后的梁由于抗弯承载能力不足而导致的楼层刚度和强度的退化，产生过大的层间侧移而最终导致支撑框架失稳。这种支撑框架体系一般用于4层及以下的钢框架中。对于韧性支撑框架，则要求即使支撑杆件屈曲，框架仍然能够承担一定的强度和竖向荷载以及支撑杆件屈曲以后支撑传来的荷载。在具体结构设计中，依据框架梁承担支撑杆件产生的内力的比例，使支撑框架的变形能力和延性各不相同，能够适用于不同的楼层高度，最高能用于10~12层的钢结构建筑。

1.2 偏心支撑框架

偏心支撑是指支撑斜杆与梁的交点从节点中心（或梁轴线）移开小段距离，形成一个消能梁段。对于偏心支撑的每一根斜杆，应该至少有一端和框架中横梁相连，每一根斜杆只能有一端和消能梁段相连，假如支撑斜杆的两端都与消能梁段相连接，则地震情况下，支撑斜杆的一端的消能框架横梁段屈服时，而支撑斜杆的另一端的横梁消能梁段可能不屈服，这就减少了支撑的承载力和横梁的耗能能力。为了使偏心支撑框架有比较大的侧向刚度，而且使消能梁段横梁能抵抗较大的剪力，一般最好采用比较短的消能横梁段。当采用倒V形或V形支撑时，横梁的消能梁段长度a可取15%L，L是指支撑所在跨的框架横梁长度。支撑斜杆与水平线的倾角一般取35°~50°，倾角过小则会增大消能横梁段的轴力。总层数超过12层且抗震设防烈度为8、9度的钢结构最好采用偏心支撑框架，但顶层框架梁一般内力较小，可不设置消能梁段，而采用中心支撑。

偏心支撑框架的抗推刚度一般取决于横梁消能梁段长度与其所在跨框架横梁长度的比值。横梁消能梁段越短，其抗推刚度将越接近中心支撑框架；相反，横梁消能梁段的消能梁段越长，偏心支撑框架的抗推刚度越小，将越接近纯框架。

偏心支撑当处于弹性阶段工作时其抗推刚度与中心支撑相差不多，当进入弹塑性阶段工作时，其延性水平和耗能能力趋近于延性框架，所以偏心支撑是一种抗震性能非常良好的结构构件，非常适合于高烈度区或高层钢结构建筑采用。偏心支撑在设计时应注意“强柱、强斜杆、弱消能梁段”。大震时，利用较弱的横梁的消能梁段塑性变形来吸收并消耗输入结构的地震能量，以保证支撑斜杆不发生屈曲破坏，从而具有良好的滞回性能；即使最后横梁消能梁段屈服后进入硬化阶段，偏心支撑斜杆、柱以及横梁其余梁段仍然能处于弹性工作阶段。

1.3 支撑的布置形式[3]

对于钢结构中支撑布置的位置，相关的研究和试验表明，在支撑杆件的用钢量和规格都相同的条件下，在建筑的中间位置布置支撑，结构的抗侧向刚度相对于支撑布置在建筑的两侧要强许多，并且如果支撑在长度尽量沿着长度方向上连续跨越相邻的几榀框架，也就是应尽可能地增加支撑的长度，也可以对结构的刚度起到增大的作用。另外，通过改变支撑杆件自身的截面形式和规格，改变支撑自身的刚度，也能有效地加强结构的侧向刚度。总之，钢结构中支撑的布置形式和位置能够显著的影响结构的侧向刚度和位移，所以，结构设计时在保证建筑的使用功能的前提下，应该合理的布置支撑，力求做到既安全可靠，又经济合理。

2 结语

支撑—框架钢结构建筑柱间的支撑体系在设计时，应按注意一定的原则：首先要尽量地使支撑体系传力明确、合理、简捷，缩短支撑体系传力路径； 其次要使采用的计算模型和实际结构相符合，保证计算精度达到工程的要求；再次要方便施工并且满足施工工况下结构的安全和可靠； 最后要保证节点的强度、刚度和稳定的要求，使结构具有安全可靠的连接。

[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]杨晓东，郭静.单层钢结构厂房X型柱间支撑问题的探讨[J].钢结构，2006，21（04）：53-57.

[3]周学军，陈鲁，曲慧.多、高层钢结构支撑的布置方式对框架侧向刚度的影响[J].钢结构，2003，18（04）：51-54.

TU973+.15

A

1673-1093（2015）07-0069-02

周美川（1984），男，就职于甘肃建筑职业技术学院，讲师，从事教学工作。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.07.016

2015-03-19；

2015-03-26