不同支撑形式在高层钢结构设计中的应用及分析

杨亚楠

(山东高速建筑设计有限公司，山东 济南 250000)

如需保证钢结构体系，使其具有较为良好稳定性能，必须要在框架结构体系当中通过加大构件截面尺寸获得最终效果，但是这种方式一方面性价比较低，同时对于整个钢结构体系稳定性提升所作出的贡献也微乎其微。尤其是对于多高层钢结构建筑物而言，随着建筑物高度不断增大，所承受的风荷载或者地震荷载也尤为明显，也逐渐成为了实际钢结构设计过程当中所需要考虑的重要因素，对于单纯意义上的框架钢结构而言，其整体侧向刚度相对而言比较小，在抵抗水平力作用下，框架起到主要作用，但是最终效果却不理想，当所受到水平较大，那么就会造成结构倒塌现象产生，所以，为了能够保证钢结构整体刚性较为理想，应当结合实际情况在柱间设置针对性支撑，保证其能够与框架构成水平抗侧力体系降低水平作用力影响，最终形成双重抗侧力体系，合理降低地震荷载与风荷载所产生影响，降低钢结构体系所可能出现的水平位移，最大限度上提升建筑物的整体安全性与经济性。因此，如果能够合理对支撑进行有效布置，那么一方面能够提升建筑物侧向刚度，另一方面还能够合理控制侧向位移，最大限度上降低钢结构柱所受到的附加应力。

1 钢结构柱间支撑形式

在几十年前钢铁供不应求，国家通常倡导用钢节约，而如今我国是钢铁强国，建筑业可以选用的钢料品种齐全，我国也是产钢大国，产量早已突破7.18亿吨/年。建筑采取钢材成为国家鼓励的政策支持的对象。随着如今社会发展速度的不断加快，我国建筑工程样式也朝着不断丰富方向发展，建筑开发商在选择结构形式过程中，也不简单局限于混凝土结构，而钢结构建筑已经成为人们所关注的一个全新结构形式。从其自身优势上看，可以概括为以下几个方面：(1)钢结构自身材料质量比较轻，而且承载力较为理想。(2)随着钢结构自身重量不断减轻，能够合理降低基础负荷，从而有效控制基础造价。(3)钢结构材料一方面具有着比较良好强度，同时其自身的韧性、延性也较为合理。(4)合理地降低尺寸，能够不断地提升整体使用面积。(5)钢结构工程施工速度比较快，整个建筑周期较短。(6)能够便于一些大柱网、大开间的建筑功能形式，使得建筑工程获得良好功能性。

对于传统的钢结构形式而言，主要包括框架、框架支撑、钢筒中筒三种体系，对于纯钢框架来说其自身刚度相对而言比较小，这也使得其所具有经济性能也比较差，而对于钢筒中筒结构来说，由于所需要设置的柱间距离比较小，因此导致整个建筑物使用功能受到极大限制，而对于多高层钢结构而言，合理选择钢框架支撑体系是经济性能与功能性都能够合理体现的重要结构形式。在该体系当中合理设置支撑结构，一方面能够提升整个结构刚性，另一方面还能够减小在风作用力与地震作用力影响下钢结构所产生的位移，所以结合实际情况对支撑结构进行合理研究就显得至关重要。从目前的实际角度上来看，使用比较频繁的支撑形式主要包括中心支撑、偏心支撑以及屈曲约束支撑等一系列类型，本文主要是将前两者作为重点加以探究。

1.1 中心支撑框架

从工程实践角度看，中心支撑是应用最为频繁的一种支撑类型，对于中心支撑而言，在整个体系当中不存在偏心情况，因此在实际应用过程中不会受到偏心距影响。另外，按照斜杆布置方式存在的不同，还可以将其细化成为十字型交叉支撑等一系列类型。对于中心支撑结构来说，整体的构造相对而言比较简单，降低整个体系所产生的横向位移情况。但是，由于受到地震力影响，从中心支撑角度看，也更加容易产生屈曲破坏。因此如果项目所在地对抗震性能要求较高，那么需要采取措施进行适当加固。从目前实际应用角度上看，最为常见的中心支撑形式可以概括为是十字交叉支撑与人字形支撑。同时，在不同支撑杆件当中则不需要设置连接件，所以这种方式对于最大限度上减少钢材使用以及安装费用能够起到良好帮助作用，为施工企业带来更为可观经济效益。另外，从人字形支撑角度看，也方便后期可以结合功能需求设置洞口，充分满足立面的实际要求。通过以上论述可以清楚看到，与交叉支撑对比而言，人字形交叉自身的优势还是十分明显，但是在地震作用之下及自身塑性性能却并不是十分理想。从目前很多研究学者所给出的研究结果上来看，在对人字形支撑进行分析过程中，主要还是结合衡量自身所具有的强度与刚度，可以结合实际情况将其划分成为低韧性支撑框架和韧性支撑框架两种类别。从低韧性支撑框架来说，需要保证支撑杆件在发生屈曲之前具有一定刚度即可，不需要结合实际情况考虑支撑杆件屈曲之后的梁由于抗弯承载能力缺乏最终影响整个楼层刚度与强度受到消极影响，也不需要考虑可能会导致所出现的一系列框架失稳问题，对于此类框架体系来说，应当将其应用于楼层较低的结构体系当中。但是对于韧性支撑框架而言，还需要保证支撑杆件在屈曲状态下，整个框架仍需要具有较为良好的强度以及竖向荷载承受能力。在实际开展结构设计的过程当中，需要综合考虑所产生的内力比例情况，选择最为科学性的支撑模式，对于韧性支撑框架来说比较适合于高度在40m～50m之间结构体系之中。

1.2 偏心支撑框架

对于偏心支撑结构体系而言，主要指的是所支撑的每根斜杆，起码有一段能够与框架横梁充分连接在一起，同时令斜杆轴线与横梁轴线的交点偏离梁、柱轴线交点或者另一斜杆与横梁轴线交点一段距离进而最终所形成的耗能梁段的结构体系。当地震烈度较低时，整个框架体系的所有构件全部都处于弹性阶段，因此其自身具备比较良好的刚度，从工作原理与最终所能够获得的效果上看与中心支撑框架比较类似。而如果所遭遇的地震力度比较大，耗能梁端产生剪切屈服力求能够对地震能量加以有效消耗，通过这种方式能够保证支撑构件不会先发生受压屈曲而造成整个结构的承载力呈现出显著降低的情况，同时也使得整个结构体系的延性可以得到最大程度上的提升，保证整个结构在受到地震作用的消极影响不会导致主体承重结受到消极影响。而在多遇地震以及风荷载的综合作用影响之下，耗能梁端以及其他结构构件也会始终处于弹性变形阶段，整个结构自身的抗侧刚度也比较理想，保证结构变形能够始终处于一个正常的变形范畴之内。

在地震作用力影响之下，可能就会出现建筑结构失稳情况，为了能够保证该结构体系具有较为可观侧向刚度，一般情况下要保证消能梁段的长度比较小。通常情况下在实际结构体系当中比较常用的是倒V型与V型支撑，横梁的消能梁段长度应当取整个梁长的15%左右。对于这种支撑框架抗侧力刚度来说，与横梁消能梁段的长度和其所在框架横梁长度的比值息息相关，如果横梁消能梁段的长度比较小，刚度将越接近中心支撑框架，如果其横梁消能梁段比较长，自身抗侧力刚度则相对而言比较小，与纯框架更为接近。

经过很多研究学者以及专业工作人员的多年研究，目前已经形成了形式多样化的偏心支撑钢框架的结构形式，其中目前使用频率最高的就是K型偏心支撑体系。在整个结构体系实际受到外荷载作用之下，偏心支撑结构体系自身的强度与刚度相对而言比较理想，也能够最大程度上的满足层间位移的实际需求。如果整个结构受到了罕遇地震的综合影响，整个体系一方面可以借助于耗能梁端的非弹性变形进行耗能，另外一方面耗能梁段一般都会首先出现剪切屈服情况，最大程度上保护支撑斜杆不屈曲或者屈曲滞后，这种情况也十分合理的保持并相应的延长结构抗震能力以及抗震持续时间，一方面提供了更多的抢救时间，另一方面对于节约钢材也起到了十分积极的帮助作用。通过以上的相关论述可以清楚看到，对于耗能梁段而言，在受到抗震作用的综合影响之下主要发挥了“保险丝”的作用，借助于塑形变形的方式，最大程度上对支撑斜杆当中轴向应力进行了充分限制，合理规避了较大的力传入支撑令其出现屈曲情况，整个结构也具备了比较理想的延性以及耗能能力。

1.3 支撑的布置形式

对于钢结构框架体系当中支撑布置形式来说，根据目前已有研究学者所得到结果发现，在支撑杆件用钢量与规格完全相同情况下，在建筑中间位置设置支撑，那么最终所获得抗侧向刚度要更为理想，而且如果支撑在长度尽量沿着长度方向上连续跨越相邻的几榀框架，也就是应当尽可能的提高支撑的长度，那么对于提升结构侧向刚度也有着良好帮助。与此同时如果能够适当的改善杆件的截面形式以及规格，那么对于提升整个框架的刚度也会起到良好的帮助作用。因此通过以上的相关分析可以发现，对于钢结构中支撑的布置形式来说，其整体位置也会对其侧向刚度产生较大影响。所以在进行实际结构设计过程当中，一方面要保证其自身建筑功能得以顺利实现，同时还应当尽可能合理布置支撑，一方面要做到安全，另外还应当考虑结构的经济性能。

1.4 支撑安装

1.4.1 切料下料

在制备钢料的过程中，不同的材料需要不同的设备进行加工，对于型钢而言可以使用专用的型钢切割设备，而钢板则可以采用半自动切割机取样。

1.4.2 打孔钻孔

在打孔前，首先使用测量常用工具钢尺和定位设备划针对孔洞位置进行测定，标出中心，画出半径，随后在其周围冲出4个孔洞使其相互约为垂直角度，最后使用专业设备严格检查。

1.4.3 螺栓表面喷砂工艺

螺栓表面需要有一定的粗糙度，这需要进行喷砂处理，选用喷砂工艺的压力为7kg/cm2，选取的沙粒为石英砂，沙粒大约均为1.6mm～4mm，进行喷砂后的钢料表层会泛灰白色。随后钢板表面也需要进行磨抛处理，采用了砂轮机进行打磨。值得留意的是，在打磨的过程中需要注意范围，不能低于安装螺栓四倍直径，且打磨的过程需要一定的手法，不能让板材表面出现很深的凹坑，打磨时行进的方向需要垂直手施加压力的方向。

1.4.4 装配箱型柱

通常在安装施工时箱型柱为重中之重，箱型柱的装配从钢料的选购，制备成型、市场交通运输，到最后的起吊装配安装都需要严格把关。因为钢件在潮湿的环境中易生锈，需要把油漆涂刷均匀避免生锈，在此之前去除钢板等易锈区域的残余锈渣、污垢等杂物，必须将除锈效果达到Sa2级(Sa2等级对应的标准为完全的进行喷射等方法去除铁锈，除锈结束后钢料表层无肉眼可见的污渍和氧化层)以上，而机械除锈是远远不够的。后续还需要进行手工去除达到Sa2(此标准为通过手工或者手动劳动工具进行深层次除锈，直到所有氧化皮和油漆残余层等杂物粘连材料表面)。

1.4.5 钢梁依次安装

钢梁有多种安装要求均不同。安装主梁(原料为Q345B钢，经过轧制为H型)时应格外注意需要进行捆绑使其呈串，然后再进行吊装，根据建筑的实际情况控制吊装的根数。次梁的安装通常需要单独分开吊送，外挑梁和承担剪力墙的部位需要根据空间位置和连接处的实际情况进行合理的装配。

1.4.6 高强螺栓特点与装配

钢结构单靠一根根的钢板是毫无作用的，必须有优异的螺栓将它们进行连接。这种螺栓需要有灵活拆换性、施工简易性、受力均匀性。而高强螺栓则是目前最合适的选择。此工程连接钢结构的螺栓连接方法采用的是摩擦型。螺栓的紧固需要经过两次，一次为使用常用的扳手进行初始紧固，然后在使用特定的扭矩扳手进行加紧。

2 结 语

随着最近几年我国房地产行业发展速度的不断加快，人们对于居住环境需求也在不断提升，传统混凝土结构虽然自身结构稳定性较为理想，但是从实际角度看，却存在很多缺点，例如，施工周期长、资金耗费高、建筑自重大等。也正是在这样的情况下，越来越多研究学者开始将关注重点集中在钢结构建筑形式，但是钢结构主体受到材料物理性质限制，也导致自身横向稳定性不理想，为了能够提升整体稳定性，就必须要结合实际情况设置撑杆。因此本文在进行分析过程当中，就对不同支撑形式在高层钢结构设计当中实际应用进行针对性阐述与分析，将中心支撑框架与偏心支撑框架作为重点加以研究。希望对相关设计人员今后能够更好的选择支撑布置形式起到一定参考价值。