可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架的研究

摘 要：文章主要介紹可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架研究的技術(shù)背景，主要的組成構(gòu)件和其所具備的性能特點，以及鋼結(jié)構(gòu)框架的種類和應用。

關鍵詞：可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架；支撐體系；性能特點

1 研究的技術(shù)背景

對于可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架的研究主要是以給臨時支撐體系提供安全、可靠、方便的應用設備為目的進行的。

目前，在我國臨時支撐體系多以現(xiàn)場綁扎腳手架或者安裝輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件為主，但以上兩種方法由于各自的技術(shù)局限都存在著一些不足。如：對于腳手架其安裝所需要的作業(yè)空間比較大，而且腳手架不易形成開闊的立體空間，同時安裝過程中需要專業(yè)人員的操作，拆卸和組裝所花費的時間都比較長，費用也比較昂貴。而對于采用輕鋼結(jié)構(gòu)的臨時支撐體系如果采用焊接方式安裝，梁、柱構(gòu)件拆卸下來后將不能重復利用，資源浪費比較嚴重，目前基本是采用螺栓連接，這種以螺栓連接的輕鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐體系多以采用實腹式梁和柱為主，但是這種結(jié)構(gòu)重量相對較大，不宜直接安裝，需要采用吊車協(xié)助完成安裝工作，這直接導致了人工和機械成本的整體升高，并且在一些不適合吊車作業(yè)的特殊環(huán)境下還會給輕鋼結(jié)構(gòu)的搭建造成很大的困難。

基于以上多種因素，研究設計一種新型可靠的臨時支撐體系，以解決目前在實際工程建設中遇到的困難將有著十分重要的意義。

2 可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架的組成構(gòu)件

這種可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架主要是由梁、柱、獨立節(jié)點、高強度鋼絲、固定件或地面獨立節(jié)點等幾大部分組成，梁和柱都是由鋼板和鋼管焊接形成的格構(gòu)式桁架構(gòu)成，梁的兩端設置鋼板，在鋼板上有安裝孔，柱的兩端也設置鋼板，在鋼板上也有安裝孔，獨立節(jié)點是由鋼板焊接而成的立方體，獨立節(jié)點上也設有安裝孔。（如圖1）

3 可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架的優(yōu)點

這種可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架主要有以下優(yōu)點：（1）由于其各結(jié)構(gòu)構(gòu)件是模塊化的組裝構(gòu)件，所以結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工簡單方便，同時其采用現(xiàn)場螺栓安裝，使組裝速度大大提高。（2）這種鋼結(jié)構(gòu)框架應用范圍廣，作為臨時支撐體系可在不同地面環(huán)境和外界環(huán)境下應用。（3）組成這種鋼結(jié)構(gòu)框架中的梁、柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件均有格構(gòu)式桁架構(gòu)成，與實腹式鋼結(jié)構(gòu)框架相比重量大大減輕，從而便于安裝和運輸，且加工成本也更為低廉。（4）在這種鋼結(jié)構(gòu)框架中獨立節(jié)點可在各個方向連接，可圍成不同的框架結(jié)構(gòu)，作為支撐體系可使其組成空間更加靈活。

4 可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架的具體實施方式

如圖1所示，這種可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架主要是通過梁、柱之間的獨立節(jié)點來把整個框架構(gòu)件連接到一起而形成的。其中梁、柱都是由鋼管和鋼板通過焊接而形成的格構(gòu)式桁架結(jié)構(gòu)，在梁和柱的兩端均設置鋼板，鋼板上加工有可供螺栓連接的安裝孔。而獨立的節(jié)點則全部是由鋼板焊接而成的方框，在獨立節(jié)點每個面上也均有可供螺栓連接的安裝孔，在獨立節(jié)點的底面其安裝孔將會與柱頂面的安裝孔對齊，并用螺栓連接。獨立節(jié)點的側(cè)面安裝孔將與梁兩端的安裝孔對齊也用螺栓連接牢固。在獨立節(jié)點的另一端則采用高強鋼絲與地面張拉固定。在整個桁架的底端，柱則通過固定件或獨立節(jié)點與地面緊密相連，選擇各種法連接主要與地面基礎條件有關。在柔軟的地面上主要采用固定件連接，這種固定件下部有帶鉤的栓釘，栓釘可以深埋到柔軟的地面內(nèi)，固定件的上端有螺栓釘可與柱底部的安裝孔連接固定。當?shù)孛鏋閯傂缘孛鏁r主要采用地面獨立節(jié)點進行連接，其與上端獨立節(jié)點一樣，也是各面由鋼板焊接而成的立方體，其上下兩端皆是由螺栓通過安裝孔分別與柱底面和地面相連接。

5 可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架的類型與應用

在目前鋼結(jié)構(gòu)框架的應用主要是用作臨時或永久性結(jié)構(gòu)的支撐體系，起到承受水平、垂直等各種荷載的作用。這種可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架由于其自身的特點，多數(shù)也應用在臨時結(jié)構(gòu)支撐體系。

可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)框架主體主要是由鋼管和鋼板焊接而成，同時也是由這些桿件來起到主要的受力支撐作用。然而根據(jù)支撐桿件的設置方式的不同，支撐框架又可分為中心支撐框架、偏心支撐框架和偏離中心支撐框架等幾大類。

（1）中心支撐框架。中心支撐是最為常見的一種支撐類型。中心支撐是指斜桿與橫梁及柱匯交于一點，或兩根斜桿與橫梁匯交于一點，或與柱匯交于一點，匯交時均無偏心距。同時根據(jù)斜桿的布置位置不同，又可分為十字交叉支撐、單斜桿支撐、人字形（也稱K字形）支撐，以及V形支撐等。中心支撐的特點是具有較大的側(cè)向剛度和相對簡單結(jié)構(gòu)，對減小結(jié)構(gòu)的水平位移和改善結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布能起到很好的作用。但在水平地震荷載作用下，中心支撐容易產(chǎn)生不利的側(cè)向屈曲，尤其在多次往復的水平荷載作用下這種影響就更加明顯，特別是當結(jié)構(gòu)的受力進入彈塑性狀態(tài)時，會使其抗剪能力和結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度急劇下降，層間側(cè)移大幅增加，最終導致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)破壞。因此，在地震區(qū)應用時應當慎重。目前為了減少這種危害的發(fā)生，一般可以從以下幾個方面來控制，一方面是通過規(guī)范來嚴格控制使用此種結(jié)構(gòu)的建筑的高度，另一方面，還可以通過提高鋼框架的抗側(cè)能力來提高其安全性。

（2）偏心支撐框架。偏心支撐框架相對于中心框架發(fā)展的比較晚，是相對比較新穎的一種支撐結(jié)構(gòu)形式。1977年美國加州大學通過1：3模型框架的試驗，首次驗證了偏心支撐鋼框架出色的抗震性能。隨后在美國相繼將偏心支撐框架用于一些高層建筑工程作為抗側(cè)力體系的一部分[1]。我國在這方面也做了一定的研究，但目前在實際工程中應用尚不多。偏心支撐的主要特點是每一根支撐斜桿的兩端，至少有一端與梁不在柱節(jié)點處相連。這種支撐斜桿和柱之間，或斜桿和斜桿之間就構(gòu)成了一個耗能梁段。這種耗能梁段的產(chǎn)生可以改變支撐斜桿與梁的先后屈服順序，即在罕遇地震荷載作用時，可以一方面通過耗能梁段的非彈性變形進行耗能，另一方面使耗能梁段的剪切屈服首先發(fā)生，此時同跨的其余梁段并未屈服，這種保護支撐斜桿不屈曲或屈曲在最后發(fā)生的方法，可以有效地保持結(jié)構(gòu)的抗震能力并相應地延長結(jié)構(gòu)的抗震時間，并且還能起到節(jié)約鋼材的效果。偏心支撐框架種類也不較多，根據(jù)支撐斜桿形式的不同，主要有D形、K形、V形和Y形等幾種形式。偏心支撐形式的選用既要考慮結(jié)構(gòu)受力的特點，更要考慮到建筑平面功能的需要，所以在初步設計時，就應當進行多方案的優(yōu)化，并在優(yōu)化的基礎上作出初步選擇，從而為施工圖階段的選擇提供幫助。

（3）偏離中心支撐。偏離中心支撐框架是一種新型的抗側(cè)力支撐體系。偏離中心支撐框架是人為地將兩根交叉支撐斜桿的交點偏離對角線，產(chǎn)生一個預先設定的偏心率[2]。其支撐斜桿由不在同一條直線上的兩根斜桿支撐和拉桿組成。該結(jié)構(gòu)體系的特點是一旦承受水平荷載，其三根支撐桿便會同時受力；并且隨著荷載的增加，初始的幾何尺寸將被改變， 從而形成一種全新的平衡。

這種支撐體一方面能夠為建筑物的底層提供一個較為敞開的空間，能夠?qū)⒅螌Φ讓咏ㄖδ艿挠绊懡档阶畹偷南薅龋硪环矫妫苡行У臏p小地震力對結(jié)構(gòu)的破壞作用，在某種程度上講，它起到了一定的類似于基礎隔震的作用。同時，由于材料的非線性性能，使結(jié)構(gòu)又具有良好的耗能性，但底層的側(cè)移值也會相應地增加。因此，在設計過程中應當格外注意應力應變效應對應用該支撐體系的多層和高層建筑的影響。

參考文獻

[1]Popov E P，Engelhardt M D.seismic eccentrically braced frames [J].Journal of construction steel Research 1988.10：321-354.

[2]Moghaddam H.A.On the characteristics of an off-centre bracing system[J].Journal of construction steel research 1995.35.361-376.

[3]管克儉，王新武，彭少民.鋼框架體系的應用和支撐方法[J].中國工程科學.2003.5.