淺談鋼結構中心支撐框架的抗震承載力設計

【摘要】隨著鋼結構建筑在城市建設中的數量增加，以及其技術的不斷成熟，結構體系也呈現出多樣化的趨勢。單純的框架結構結構、框架中心支撐結構、框架偏心支撐結構等，都在建筑中有所應用。但是在抗震角度看，中心支撐的框架結構可以幫助建筑抵抗地震的復雜應力改變，而保持鋼結構建筑的相對穩定。下面就對其設計的主要思路與設計方法進行簡要的介紹。

【關鍵詞】鋼結構建筑；中心支撐；承載力；設計方法

一、鋼結構中心支撐框架設計概述

鋼結構中心支撐框架的形式在許多的民用建筑中被使用，同時在工業廠房中也十分常見，其主要的作用就是為建筑提供抗側力的結構支撐。中心框架的結構形式在大多數的地震中都很好的保護了建筑主體的穩定性。在相關研究中可以證明鋼結構的支撐可以明顯的改善框架結構在地震中對側向盈利的抵抗，減少側向出現的位移程度，因此鋼結構的支撐設計是鋼結構抗震設計的一個重要內容，被國際建筑設計界普遍重視。具體看，作用在中心支撐框架的地震側向力，傳統上應該利用桁架來進行抵抗，并利用放大側向力的方式進行設計和驗算。中心支撐的幾何形式有很多種，如X型、V型、人型結構等等。中心支撐的幾何形狀選擇、支撐桿的長細比和寬厚比、支撐桿和主框架的連接形式等，都會對支撐結構的功能產生較大的影響。同時應注意的是支撐桿在地震中所承受的載荷變化是十分復雜的，其必須具備多種性能特征，包括拉伸強度、屈服強度、往復載荷等等，這些性能都代表了支撐體系的基本性能，而要進行精確的計算與分析，達到準確分析地震中的支撐結構的受力情況是十分困難的。所以在設計中只能在計算機與仿真系統的幫助下獲得相對穩定的設計參數與形式，從而保證支撐結構的作用。

二、中心支撐結構的承載性能分析

首先，在強烈地震中，支撐結構往往會受到壓力、拉力等作用，且壓力屈服與拉力屈服在短時間內將交替出現，且呈現非線性的變化。因為結構設計中往往是采用的是支撐結構的鉸接來分析承載情況，所以支撐框架在受力變形的時候可以用軸向的力矩改變作為對其承載的描述方法。在受到軸向壓力時其呈現受壓屈服，壓力持續增加則進入彎曲變形，持續增加則出現塑性鉸，位移增加。同時支撐承載力退化。到達一定界限時就會出現回拉作用，彈性恢復作用力支撐結構呈現恢復趨勢，變為拉伸階段。如果拉力繼續增加則再次出現塑性鉸。此時就會出現強化支撐的效果。

其次研究表面，鋼支撐的結構在產生滯回性能時，其性能與長細比之間的關系較大。支撐桿在軸向往復運動的時候，其承載壓力的能力會有所降低。進入塑性屈曲階段后，支撐體系的抗壓承載能力則會下降的較快。對于長細比較小的短支撐結構，其體現的抗震性能較好。且在受到屈曲壓力的時候鋼材料的屈服強度得以體現。而長細比較大的支撐結構，支撐屈曲的承載力要小于屈服強度。但是支撐細長比不是越小越好，如果過小則剛性增加，在地震中柔性作用效果不足，地震中水平向位移如果過大則會出現彈性差，能耗低，導致斷裂。

三、鋼結構中心支撐框架設計方法

1、設計方法簡介

我國在采用抗震設計時要求進行兩個階段的設計，一是彈性設計結構件的各個參數；二是對設計結果進行相關彈性驗算。多數的框架結構各個層之間的剪切力都是根據抗震設計的第一個階段的地震反應曲線而設定的。在中心支撐結構的設計中，考慮其結構受到的是反復的軸向作用，支撐的抗壓承載要小于抗拉的載荷，所以在支撐結構的抗震設計中應主要考慮受壓情況。但是在設計中發現，支撐結構首次受到壓屈曲后，第二次出現屈曲載荷將下降，且每次出現屈曲載荷都會呈現下降趨勢，但下降的程度趨于收斂。支撐受壓屈后的抗壓力載荷的下降幅度與長細比之間有直接的關系，長細比大則下降幅度大，反之則是下降幅度小。此時在假設剪力僅僅受到支撐承擔，在支撐結構的設計中有兩種方法來進行近似處理。

1）按照國家規范，在地震作用下受到反復的軸向作用，支撐結構的抗震應按照受壓結構進行計算與設計。其設計中相關的參數包括軸向壓力、強度降低系數、長細比等，軸心受壓構件的穩定系數按照鋼結構設計規范選擇。同時還包括了支撐截面積、支撐角度等，這些參數構成公式，可以幫助進行細化計算。

2）簡化的支撐結構設計，考慮的是支撐結構受到壓屈曲后導致其承載能力失效的情況，并退出工作狀態。此時只要計算受拉桿提供的承載力。

3）假定一堆支撐桿受到剪力可以被分為兩個部分，一部分是結構受到的壓屈曲的承載能力，另一個則是結構件受到拉力屈服后的承載力。研究中發現，這樣的方法先解決的是桿件的屈曲后的受剪力的強度。此時對于中等和大長細比的支撐桿，受到壓屈曲前度在結構變形較大時可以視為恒定。按照歐洲的規范來計算，可以獲得一個新的計算與設計方法。

2、設計方法的對比

在設計中應選擇較為貼近需求的設計方式來進行設計，所以在下面的分析中對三種方式的設計效果進行對比。1）設計條件：設計對象選擇為單跨人字形中心支撐的框架，統一的高度為3.3m，跨度設計6m，設計中為了簡化設計過程，其選擇的地震力的設計值為162kn。如果受到支撐剪力參與系數為該層支撐承擔水平剪力與整體支撐框架結構在該層的柱與支撐分別所承載的水平剪力和值之間的比值，設定為0.4，則支撐設計剪力的值為64.8kn，支撐材料選擇軋制鋼管，其界面類型設定為A類標準。支撐設計成梁柱節點為鉸接。考慮在有限元設計計算中人字形的支撐容易屈曲后不出現收斂，增加鉸接框架后如果支撐突然屈曲，能夠承受支撐的豎向力則對整個建筑的穩定性有所保障。其僅僅抵抗水平的設計值，然后利用程序對不同的長細比條件下的支撐系統進行設計對比。2）對比結果分析：方法一，雖然在設計中可以滿足承載力要求，但是對于長細比很大的情況，屈服前水平承載力增加快，而屈服時承載力已經大于設計剪力，此時需要增加承載力來彌補問題的出現，此時截面積必須進行增加。方法三，按照相關歐洲標準，壓桿屈曲強度一定時，支撐的長細比對結構層的剪力位移影響較小。實際上，支撐框架結構在不同的長細比下其體現的初始剛度相同，所以在同一個設計水平力下，計算得出的截面面積是相同的，其不受到長細比的影響。其極限的承載力反而更加接近與設計需要的剪力值。方法二，在設計是雖然與方法三相似，但是其承載力要大于設計剪力值，競技性較差。其中規范要求的設計方式考慮了長細比對壓桿穩定性和循環載荷下的強度降低的因素，導致不同的長細比下水平承載能力的離散性較大，對工程設計不利。

四、結束語

中心支撐框架結構在建筑中可以幫助其抵抗地震中產生的水平向作用力，保證建筑的基本穩定。在實際設計中對其承載能力的設計相對復雜，多數的設計方式都是在固定載荷值的前提下對各項參數的選擇進行計算與分析，并獲得相近的設計結果。從設計方法上看，規范要求的支撐設計方法，細桿要比中等長細比壓桿和短桿表現出更大的剛性，強度大，其抗震性能受到支撐長細比的變化影響較大，方法三則不會受到長細比的影響，具有固定初始剛度、穩定極限承載力的優勢。

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