钢框架支撑及其设计方法

钢框架的支撑及设计方法

§1.1 引言

在基本工程建设中，经常遇到各种不同类型的结构形式：钢筋混凝土结构、砖石结构、钢结构和木结构等。钢材是国民经济各个部门发展的重要物质，随着国民经济的发展、国家政策的推动以及钢结构设计技术的成熟，钢结构的使用由原来的谨慎使用逐渐转变为建筑结构的主要形式之一。与其它结构类型相比，钢结构具有结构强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、建筑使用面积大、工业化程度高及使用过程中易于加固改造的优越性。目前钢结构已经由过去主要集中于工业建筑领域发展到轻钢结构、桥梁钢结构、高层钢结构、单层厂房框架结构和塔桅结构等（王，2001）（杨，2003）。钢结构构件由于钢材的高强、质轻等特点，相比于同等受力水平的混凝土构件，钢结构具有更小的截面尺寸，构件长细比更大和板件厚度更小，因而在轴压、压弯作用甚至在拉弯作用下，钢结构构件和整体结构都存在稳定问题（Timoshenko，1961）（夏，1988）（袁，2005）。

钢结构的稳定性是决定其极限承载能力的一个特别重要因素，Lindner（2000）、Nethercot （2000）和Gosowski（2003）分别对单根构件、框架结构和带支撑的薄壁钢结构的稳定性做了总结和回顾，如何提高结构或者构件的稳定性和极限承载力成为了设计中的一个主要问题。无论在单层还是多高层钢结构中，利用支撑来提高框架或者构件的承载力均很常见，如图1。

图1. 支撑在钢结构中的应用

§1.2 钢结构中的支撑

约在两百多年前，欧拉最早研究了关于压杆横向屈曲的弹性稳定问题，随着钢结构应用的逐渐扩展，稳定问题的意义愈发重要。Jasinsky（1902）最先研究了在中点或长度方向上多个点处受其它杆件支撑的桁架压杆的极限承载力问题；Boobnov（1913）第一个研究了两端简支于刚性支座，跨度范围内受几个等间距且等刚度弹性支座支撑的等截面连续梁的受力特性，支撑对单根构件承载能力的提高作用是非常显著的。

§1.2.1 钢结构支撑的分类

随着计算机技术的发展以及高层建筑钢结构设计问题的研究（李，1998），钢结构的应用范围逐渐由原来的单、低层厂房钢结构向多高层钢结构发展。按照钢结构支撑的应用范围的不同，可以简单的分为：单、低层钢结构支撑和多高层钢结构支撑。

在单、低层钢结构厂房和大型超市建筑中，刚架、支撑系统和次结构一起构成主要的结构体系，支撑体系将直接关系到整个建筑的安全。在轻钢结构设计中，通常采用抗弯门式刚架作为承重结构，利用纵向支撑体系来传递荷载并保持框架稳定性（张，2003）：通过屋面支撑、柱间支撑来传递风荷载与地震荷载，减小框架柱和屋面上弦压杆的计算长度；利用吊车下水平支撑及柱间支撑来传递吊车力；通过隅撑来保证屋面梁及刚架柱的稳定性；设置檩间拉条作为檩条的侧向支撑，还可以通过支撑来减少屋面悬吊构件的晃动。

在多高层钢结构中，纯框架结构虽然可以提供较大的使用空间，但是其结构刚度较差，通常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、柱和斜支撑杆共同构成的支撑桁架，并通过楼板的变形协调与刚接框架协调工作，形成双重抗侧力结构体系（陈，2000），以提高钢框架的抗侧刚度和抗震性能。根据支撑杆件设置位置的不同，支撑框架可以分为中心支撑框架（CBFS）、偏心支撑框架（EBFS）和偏离中心支撑框架（OBFS）。中心支撑是指斜杆与横梁与柱汇交于一点或两根斜杆与横梁或柱汇交于一点，汇交时均无偏心距。中心支撑虽然构造简单，但是在水平地震力作用下，中心支撑容易产生侧向屈曲，当结构进入弹塑性工作状态后，楼层抗剪能力和结构抗侧刚度急剧下降，层间侧移过大，结构整体失稳破坏。偏心支撑框架是一种新型的支撑结构形式，Popov（1988）通过框架模型试验验证了偏心支撑框架出色的抗震性能，通过耗能梁段改变了支撑杆与梁的屈曲先后顺序。偏离中心支撑框架人为地将两根交叉支撑斜杆的交点偏离框架对角线，产生一个预先设定的偏心率（Moghaddam，1995）。

该种支撑体系一旦承受水平荷载，其三根支撑杆同时受力，初始几何尺寸被改变，因而从一开始就是几何非线性的。由于地震荷载循环往复的特性，偏离中心支撑体系一般为两跨成对的布置而不是单跨布置。

Winter（1958）将支撑分为两类：1、抵抗水平力的支撑（抗风支撑），2、阻止构件发生弱轴方向变形，提高构件承载力的支撑。在第二种支撑中，又分为两种情况，一种是阻止构件发生不利的出平面变形的支撑，如梁的侧向支撑，以阻止梁发生出平面的弯扭屈曲；二是阻止构件发生弱轴平面内的弯曲屈曲，即减少柱子计算长度的支撑。无论哪种支撑，其作用都是提高结构或构件的稳定性，增加其极限承载力。

§1.2.2 钢结构支撑的研究概况

Winter（1958）利用0.75英寸宽的硬纸板作为支撑构件，双槽钢焊接组成的工字形截面柱作为支撑柱，通过支撑构件长度在2～15英寸范围内的变化达到支撑刚度的改变，研究了支撑刚度与柱承载力的关系。试验研究表明，即使是刚度很小的支撑对被支撑柱极限承载力提高的效果也是很明显的。其假定支撑达到完全支撑时，支撑点处柱子形成完全铰点，即柱子内弯矩为零，由此利用平衡法确定理想柱受单道、多道支撑和连续支撑的门槛刚度要求。考虑支撑柱的实际存在的初始缺陷，得到了支撑的内力大小即支撑应当满足的强度要求，Winter较早的提出了支撑要同时满足刚度要求和强度要求才可以使支撑柱达到极限荷载。当支撑对整个框架起作用时，同样要保证框架达到极限承载力时，支撑仍然有一定的刚度富余（童，2004）。

Timoshenko（1961）利用支座不在同一直线的连续梁的方程研究了弹性支座上的连续梁屈曲问题，确定了支撑的门槛刚度以及门槛刚度之前梁的极限承载力与支撑刚度之间近似线性的变化关系。对于受多道等刚度等间距支撑的连续梁，确定了支撑表现为完全支撑时，支撑门槛刚度的表达式：

b P

K

lγ

=(1)

其中

2

2

EI

P

l

π

=，l为支撑间距，γ为与支撑个数有关的系数。

等间距的独立弹性支座上连续压杆的稳定性问题对于交叉梁系和平面板架的稳定性分析有重要意义。布勃诺夫（1913）仅得到了屈曲半波长等于支撑间距的弹性支座的临界刚度要求。巴普柯维奇（1941）用能量法解决了该问题，不仅计算出临界压力，还建立了中间支座的弹性刚度与梁的极限承载力的一般关系式。