钢框架厂房中的支撑作用研究

鲍 巍 陈泉水

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038； 2.四川江铜稀土有限责任公司，四川 西昌 615000)

钢框架厂房中的支撑作用研究

鲍 巍1陈泉水2

(1.中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038； 2.四川江铜稀土有限责任公司，四川 西昌 615000)

研究了布置不同支撑的有色工业厂房钢结构的自振特性、内力、变形等，分析了X形支撑和人字形支撑对结构整体刚度等性能的影响情况，通过某工程实例计算，对不同形式支撑的设计计算进行了探讨，可为今后的工程设计提供参考。

框架—支撑结构，侧移刚度，有色工业厂房

0 引言

钢结构厂房常采用框架结构，框架分为无支撑的纯框架和有支撑框架[1]。无支撑的纯框架平面布置灵活，延性好，但仅依靠框架作为抗侧力构件使其抗侧移刚度较小。当建筑较高时，由于风及地震等水平作用引起的侧向位移与高度为4次方的函数关系，导致结构水平位移较大，为保证正常使用，则需加大柱截面，但这样不经济且效果并不好。增加支撑可有效提高结构的整体刚度，减小柱截面，节约用钢量。并且框架支撑结构成为双重抗侧体系，与无支撑框架相比，抗震性能更好。支撑的形式有多种，有色工业厂房常采用X形支撑，当受到工艺或建筑设置门窗等的影响无法采用X形支撑时，则采用人字形支撑。由于有多种支撑形式和布置方式可选择，需研究不同支撑类型及布置方式对钢框架厂房结构自振特性、内力及抗侧刚度的影响，从而指导工程设计。

本文通过有色工业厂房实际工程算例，研究了布置不同支撑的有色工业厂房钢框架结构的自振特性、内力、变形等的影响。

1 计算模型

某有色工业厂房采用钢框架结构，共6层，高度为32 m，平面图见图1，结构形式见图2。为便于比较，各个模型的对应梁柱截面都相同，不同的只是有无支撑和有支撑的形式。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.3g，设计地震分组为第一组。根据《建筑抗震设计规范》[2]，多遇地震影响系数0.24，结构阻尼比ζ=0.04，场地特征周期为0.35 s。

2 计算结果分析

1)结构模态分析。

模态是结构固有的一种特性，它只与结构的形式及材料特性等有关，而与其他输入无关。模态分析可得出结构系统的振动特性即结构的固有频率、自振周期和振型，从而能够进行下一步的抗震计算。由于低阶振型对结构振动的影响要大于高阶振型的影响，结构的总地震反应以低阶振型反应为主，高振型对结构的地震作用贡献很小，故本文只列出了前几个振型的计算结果，如表1所示。

表1 结构自振特性

由计算结果可知，无支撑框架第二振型平动系数为0.35，扭转系数为0.65，即该振型为以转动为主的振型，会使结构出现过大的扭转效应，这在结构设计中是应该避免出现的，为此需通过调整平面布置来改善这一状况，即布置有效、合理的抗侧力构件。由加支撑后的计算结果可见，无支撑框架与加X形支撑或人字形支撑的框架相比，后者自振周期短，结构整体刚度大，且其前两阶振型均以平动为主。加X形支撑框架与人字形支撑框架周期及刚度基本接近。

2)水平地震力比较。

由计算结果图3～图5可知，由于加支撑后结构整体刚度增大，加支撑后框架的总地震力大于无支撑框架，X形和人字形支撑框架分别增大54%和42%，但框架柱承担的地震力明显减小，X形和人字形支撑框架分别为无框架支撑的50%和46%，其余的地震力由支撑承担，两种支撑框架中X形支撑比人字形支撑承担的地震力大9%。在支撑框架中，X形支撑承担了68%的地震力，人字形支撑承担了67%的地震力，尽管X形支撑框架比人字形支撑框架的地震力大8%，但两种形式支撑在各自框架中承担的地震力基本相同。

3)框架柱轴向力及基础反力比较。

需要注意的是，与无支撑框架相比，尽管X形和人字形支撑框架中柱承担的地震力减小近一半，但与支撑相连的框架柱轴力增加较多，见图6，X形和人字形支撑框架分别增大52%和34%，基础反力分别增大106%和89%，这是由于支撑承担了较大的地震力，支撑的竖向分力导致传递到基础的竖向力较大。而其他框架柱则不论有无支撑其轴力基本相同。X形支撑框架中与支撑相连的框架柱，比人字形支撑框架中相应的柱轴力和基础反力要大一些。由于与支撑相连的框架柱基础反力增大，故基础需适当加大。

4)支撑对侧移的影响。

由图7可知，加支撑后，结构侧向位移显著减小，X形和人字形支撑框架的侧移比无支撑框架分别减小42%和38%，对于减小侧移，加X形支撑比加人字形支撑作用更大些。因此加支撑的框架作为双重抗侧体系，其整体抗侧刚度远大于无支撑框架。加X形或人字形支撑，可有效控制结构变形，利于抗震。

3 结语

1)通过调整结构平面布置即布置有效、合理的抗侧力构件如支撑，增大了结构整体刚度，使结构避免出现过大的扭转效应。

2)加支撑后框架的总地震力大于无支撑框架，但框架柱承担的地震力明显减小，其余的地震力由支撑承担。X形支撑框架比人字形支撑框架的地震力略大。

3)与无支撑框架相比，尽管X形和人字形支撑框架中与支撑相连的框架柱轴力增加较多，由于支撑承担了较大的地震力，支撑的竖向分力导致传递到基础的竖向力较大，故基础设计时需适当加大。

4)加X形或人字形支撑，结构在地震作用下侧向位移显著减小，可有效控制结构变形，利于抗震。对于减小侧移，加X形支撑比加人字形支撑作用更大。

[1] GB 50017—2003，钢结构设计规范[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

Research of brace in steel frame factory building

Bao Wei1Chen Quanshui2

(1.ChinaENFIEngineeringCo.,Ltd,Beijing100038,China; 2.SichuanJiangtongCo.,Ltd,Xichang615000,China)

Some types of braced frames are researched about frequency, inner force and deformation. The influence on the overall stiffness of the structure and performance of X type brace and herringbone brace are discussed. According an example, structure design with different braces and layout are analyzed. Conclusions of the article can provide guidance for design on plant.

braced frames structure, resistant lateral rigidity, nonferrous steel industrial plant

2015-02-28

鲍 巍(1971- )，男，工程师； 陈泉水(1965- )，男，工程师

1009-6825(2015)13-0041-02

TU378.4

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