支撐形式與布置對鋼結構性能影響的研究綜述

易玨飛

[摘 要]鋼結構的抗側性能和穩定性是鋼結構設計重點關注的問題。設置支撐對于提高鋼結構框架的抗側移能力和鋼構件的穩定性有一定的作用。對國內外相關研究總結，分析了不同的支撐形式和布置對鋼結構框架抗側移性能和鋼構件穩定性的影響，得出了一些結論，對于鋼結構設計有一定參考價值。

[關鍵詞]支撐形式和布置 抗側移性能 穩定性

中圖分類號：G281.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）03-0130-01

0 引言

鋼結構是指由鋼材為主要材料構造而成的結構。鋼材強度高、構件截面小，具有良好的力學性能。因為受力特點的原因，鋼材用于純鋼框架結構不能很好的發揮鋼材的優點，故帶有支撐體系的鋼框架結構得到越來越廣泛的應用。

建筑純鋼框架結構一般是由鋼梁和鋼柱組合而成。鋼結構的構件通常細長較大，造成鋼結構的側向剛度和穩定性較差，此問題普遍存在于鋼結構的設計中。支撐在框架-支撐體系中主要承受水平力，可以顯著增強框架的側向剛度和整體穩定性。[1]

1 支撐形式和布置對鋼結構抗側移性能的影響

1.1 中心支撐框架結構

中心支撐的幾何形式通常采用X形支撐、V型支撐、人字形支撐或者單斜桿支撐等[2]。中心支撐構造較為簡單，支撐與梁柱軸線匯交與一點，相對于純框架結構，能增加結構的側向剛度，減小結構的水平位移，改善結構的內力分布。

中心支撐框架結構中支撐的抗震承載力是其抗側移性能的重要部分。《建筑抗震設計規范》在中心支撐系統中考慮了受壓支撐桿在遭受強烈地震下可能發生屈曲而降低承載力的情況，故以折減材料強度的方式進行抗震承載力驗算[3]。

張浩[4]在其對鋼框架支撐結構的研究中發現：對于中心支撐框架結構，當支撐位置由邊跨轉移到中間跨后，在1-4層結構的層間位移和層間位移角有所減小，其余各層卻相反，但是變化的幅度并不大。

黃怡[5]等人在支撐布置方式對鋼結構框架抗側移性能的影響的研究中，選取了圖1的四個支撐布置方案中。研究發現，不同的支撐布置方式對多高層框架的抗側移性能有相同的影響規律；不同的支撐布置方式用鋼量相同，但是對結構抗震性能影響有差異，其中方案A中的剛度、底部剪力、支撐軸力、框架軸力都最大，耗能能力一般，應避免此方案；而D方案的剛度、底部剪力、支撐軸力、框架軸力都最小，具有較好的耗能能力，故推薦D方案。

1.2 偏心支撐框架結構

偏心支撐是指支撐和梁的節點偏離梁柱節點的鋼結構框架，這種形式的共同特征是支撐斜腹桿的軸線和梁柱軸線不交匯于一點，而是偏心連接。相比中心支撐結構體系，偏心支撐結構體系不僅擁有足夠的剛度，在大震作用下，還能通過耗能梁段的塑形變形耗能，具有較好的延性，因而抗震規范規定在偏心支撐結構體系在高是首選的結構形式之一。

偏心支撐框架結構在20世紀70年代開始用于抗震設計。Popov和Rode選擇了某20層偏心支撐框架結構體系進行研究。通過與中心支撐框架結構的比較，表明偏心支撐結構在地震作用下的剛度與中心支撐相差不大，而抗側移能力優于中心支撐結構。在高軒能、彭觀壽[6]的研究中，對于偏心支撐，采用相同的布置方式，當耗能梁段不同時，框架的抗側移性能也不同。在同等的抗側移剛度要求下，偏心支撐可以節省用鋼量。采用相同的布置方式時，單斜桿的偏心支撐抗側移剛度小于人字形支撐。

2 支撐布置對鋼結構構件穩定性的影響

穩定性是決定鋼結構極限承載力的重要因素。《鋼結構設計規范》中要求鋼結構設計中必須保證結構及其構件的穩定，防止出現結構失穩事故。設置支撐是提高構件的穩定性是最常見的方式之一。

2.1 鋼結構構件失穩類型

鋼結構構件的失穩類型分為三種：分支點失穩、極值點失穩和躍越失穩。

分支點失穩是指理想的軸心受壓桿和理想的中面內受壓的平板的失穩。極值點失穩通常用于描述偏心受壓構件，因為其荷載-撓度曲線不同于理想軸心受壓構件在某一點處分岔，而是存在一個單獨的極值點。躍越失穩則是指結構以大幅度的變形從一個平衡位形跳到另一個平衡位形的失穩形式。

2.2 支撐位置對鋼梁穩定承載力的影響研究

鋼結構梁的側向穩定問題是鋼結構在實際工程中的重要問題，設置支撐是保證鋼梁側向穩定性的主要措施。

周紅欽[7]對雙軸對稱工型鋼梁進行研究。研究表明在理想彈性及缺陷彈塑性兩種不同條件下，支撐位置對構件側向穩定性的影響都較大，且隨著支撐點沿著截面高度對受壓翼緣的方向的偏離，支撐對構件穩定性的有利作用不斷降低。支撐位置對構件側向穩定性的影響，在區域上大致相當。

鄒華足[8]研究的是支撐橫向布置位置對鋼梁穩定性能的影響。鋼梁模型如圖2，其中l、ls和lc分別為鋼梁的總跨度、邊梁段的跨度及中間梁段的跨度，側向支撐對稱布置在鋼梁的受壓翼緣，分析過程始終保證鋼梁上翼緣受壓，通過改變荷載大小及邊梁、跨中梁段跨度以研究支撐布置位置對鋼梁穩定性能的影響。研究表明，鋼梁的整體穩定性隨荷載形式不同而略有變化，跨中梁端的穩定性能對鋼梁的整體穩定性起決定作用。不管荷載形式如何，都是當跨中梁端與邊跨梁端跨度相等時的跨中梁端的整體穩定承載力最大，此時鋼梁的整體穩定承載力也達到最大值，當跨中梁段跨度逐漸增大時，鋼梁的整體穩定臨界荷載值逐漸下降。因此，在對鋼梁對稱設置側向支撐時，側向支撐應盡可能地等距布置。

3 結語

支撐的設置對于提高鋼結構框架的抗側移能力和鋼構件的穩定性作用很大。

設置支撐能有效減小鋼結構框架的側移，提高框架的抗側移能力。無論是中心支撐還是偏心支撐，在多高層鋼框架結構中，支撐布置在中間跨的抗側移性能要優于將支撐布置在邊跨；不同的支撐形式和不同的布置位置對鋼結構框架的抗側移性能的影響不同。偏心支撐鋼結構框架具有更好的抗震性能；在大地震烈度設防地區，宜優先考慮偏心支撐體系。設置側向支撐可以提高鋼結構構件的穩定性。支撐位置對構件側向穩定性的影響較大；側向支撐等間距設置，鋼梁的整體穩定性最好。

參考文獻

[1] 李國強.多高層建筑鋼結構設計[M].北京.中國建筑工業出版社，2004.

[2] 哈敏強.幾種鋼框架-支撐結構體系的特點和性能[J] .住宅科技，2004.3.

[3] 建筑抗震設計規范（GB50011-2010）[S].北京.中國建筑工業出版社，2010.

[4] 張浩.支撐形式和布置對鋼結構惻移和內力的影響研究[D].西安理工大學.

[5] 黃怡，王元清，石永久.支撐布置方式對多高層鋼結構抗震性能的影響分析[J].鋼結構.2005，20（81）：41-44.

[6] 高軒能，彭觀壽，張惠華.支撐形式與鋼框架結構的側移剛度[J].工程力學.2010 27（1）：280-285.

[7] 周紅欽.支撐位置對輕型工形鋼梁穩定性的影響[D] 鄭州大學.

[8] 鄒華足.側向支承條件對鋼梁整體穩定承載力影響的研究[D].湖南大學.