钢斜撑在高层结构设计中的应用

文/庞仙台 杭州铁木辛柯钢结构设计有限公司 浙江杭州 310000

钢斜撑在高层结构设计中的应用

文/庞仙台 杭州铁木辛柯钢结构设计有限公司 浙江杭州 310000

近年来，伴随我国建筑行业不断地发展，人们对于居住条件需求越来越高。为了提高城市土地资源的有效利用，国家倡导在城市内建设高层建筑，随之钢结构高层建筑也越来越多，与钢筋砼建筑相比，钢结构的强度高延性好，耐震性能强，特别适用于地震区的高层建筑中。高层钢结构建筑的结构体系有框架结构、框架-支撑结构、框架核心筒结构等；在框架-支撑结构体系中，钢斜撑的作用能大幅提高建筑整体的抗侧刚度和抗扭能力。鉴于此，本文将对钢斜撑在高层结构设计中的应用进行分析探讨。

钢斜撑；高层钢结构；钢结构设计

随着高层结构越来越多，我们为了提升结构的整体抗压、抗扭能力，钢结构越来越多的运用在建筑工程中，并对高层钢结构进行了专门的研究，同时在进行结构设计的时候进行严格的审核。在进行设计的时候一定要分析考虑房屋结构的整体性，我们必须要在不影响整体结构效果的前提下进行结构设计，以达到美观实用的效果。钢斜撑结构能够达到在保证结构设计标准的前提下，提高了整体结构的抗侧力，进而提高结构整体的强度。

一、高层结构中的框架-支撑结构体系

目前，我国的许多高层建筑都有进行钢斜撑的设计，与框架结构相比较，框-撑体系具有较大的抗推刚度，而且由于刚性楼板的协调，结构下部的最大层间侧移角显著减小，框-撑可以用于比框架体系更高的建筑，这一切都归功于钢支撑的作用，支撑在水平荷载作用下所产生的侧移主要是由其中各杆件的轴向变形所引起。

支撑形式有中心支撑、偏心支撑，中心支撑有X支撑，V字撑、人字撑或单斜杆支撑。X支撑、人字型等中心支撑具有很大的抗推刚度和水平承载力。中心支撑的主要缺点在水平地震作用下斜杆反复受压屈曲后承载力急剧下降。偏心支撑的优点是在强烈地震作用下，斜杆因受到消能梁段先行屈曲而进入塑形变形保护，并始终保持平直状态，避免反复压曲、拉伸进而引起刚度退化和强度降低，因此提高了支撑甚至整个结构的延性。

我们在结构设计中，最重要的工作就是合理的布置结构中竖向构件和水平构件，尤其是钢支撑的布置，钢斜撑能够有效地减少柱与梁所承担的荷载作用，提高整个结构的强度，还能够提高整体的美观，使整个建筑看起来更加坚固实用。

二、高层结构中的钢斜撑结构的设计要点

1.模型计算分析处理

在模型分析时，中心支撑的斜杆可按两端铰接杆件进行整体内力分析，不论实际支撑两端是做成铰接的还是刚接的；当支撑斜杆轴线偏离梁与轴线交点不超过斜杆的截面宽度时，模型中仍可按中心支撑进行分析，但在节点设计时应计入由于偏心产生的附加弯矩的影响。

在实际工程中支撑的截面宜采用双轴对称截面，截面形式有双角钢、H型钢、方钢管、矩形钢管等。往往在整体分析时，经常会碰到支撑平面内的正应力很有富余，而平面外的稳定应力已经超过1.0的情况；这种情况下我们该怎么解决呢？通常可以将H型支撑转90度或采用交叉支撑或采用钢管支撑就能很好的解决，因为支撑斜杆平面外的计算长度较大，设计时宜将斜杆截面的强轴置于平面外的方向，采用H型截面时宜将翼缘平行于支撑所在平面；采用交叉支撑时平面内的计算长度系数可取为0.5，平面外的计算长度系数根据经验最小可取0.7（具体根据节点形式）。钢管支撑对整体结构的刚度贡献较大，往往在层高比较高时或建筑高度比较大时采用。H型钢通常用在层高不太高，跨度不太大，双角钢组合的T型截面在设防烈度7度以上时用的较少。

支撑的长细比控制要相对要求严格，因为支撑系统在地震作用下的滞回特性主要取决与斜杆的受压性能。支撑的长细比较大时，滞回曲线所围成的面积就较小，所能吸收的能量较少；在抗震烈度较高的结构中，支撑在长细比上控制的更严。

2.抗震性设计

我们在地震带上建设房子就需要我们进行设计的时候一定要注意建筑整体的抗震要求，1）具有明确的计算简图，合理的地震力传递途径；2）框架-支撑体系具有多道防线，避免了部分结构或构建破坏，而导致整个结构体系丧失整体稳定和继续承载的能力；3）具备必要的水平承载力，良好的侧向变形能力和较大的消耗地震能量的能力；4）沿房屋高度，具有合理的侧向刚度和水平承载力分布，避免因个别楼层的局部削弱或突变，形成柔软或薄弱部位，引起过大的应力集中或塑性变形集中；5）钢结构的整体稳定破坏的结构是很严重的，要避免结构发生整体失稳，构件应合理控制截面尺寸，避免构件的局部失稳；6）结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。钢构件的设计应符合“三强”耐震设计准则，即“强结弱杆，强柱弱梁，强焊弱钢”。

钢结构的抗震要求必须严格遵守力学的要求，我们要对钢结构中的每个部件进行抗震试验，并得出每个结构的构件的抗震能力，对于不符合抗震要求的结构进行修改。我们一定要注意力的传递，力的传递尽量直接，避免多次传递。

3.节点连接设计

我们在进行钢结构的设计中最重要的部分还有节点的设计，节点的设计虽然可以说成细节，俗话说的好“千里之堤，溃于蚁穴”。支撑斜杆采用焊接H型钢截面，其翼缘与腹杆的连接宜采取全熔透连续焊缝。为简化构造方便施工，梁-柱节点宜带有工厂焊接的悬臂梁段，斜杆端部变化处宜做成圆弧。支撑斜杆采用节点板连接时，构造上应采取防止节点板侧向屈曲。支撑斜杆翼缘位于框架平面内时，支撑的出平面的刚度比较大，但是节点构造上比较麻烦。X型支撑的中央节点宜做成在平面外具有较大抗弯刚度的“连续通过型”，来提高支撑出平面的稳定性。H型支撑与框架柱或梁的连接比较方便，通常以栓焊连接为主；钢管支撑节点主要以焊接为主。

我们必须重视节点的设计，在进行节点设计的时候出现一点的失误，就有可能影响整体的结构强度。我们要对节点部位就需要编制设计的规范，并把设计的规范编制成为标准，提高设计的速度和质量方便以后的施工，进而有效地减少失误的发生，提高建筑整体的强度。

结语：

综上所述，我们不难看出在今后的发展中钢斜撑的结构会越来越多的应用到高层建筑中，为了提高钢斜撑设计的强度，就需要我们在一定的结构中进行严格的控制。为了减少由于设计的失误对施工的影响，就需要我们对设计进行严格的监督。结合现阶段的科技力量，提高我们的设计水平，是我们的建筑质量越来越高，并使我国的施工走向世界提供丰厚的经验。

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