鋼框架廠房中的支撐作用研究

鮑 巍 陳泉水

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038； 2.四川江銅稀土有限責任公司，四川 西昌 615000)

鋼框架廠房中的支撐作用研究

鮑 巍1陳泉水2

(1.中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038； 2.四川江銅稀土有限責任公司，四川 西昌 615000)

研究了布置不同支撐的有色工業(yè)廠房鋼結構的自振特性、內力、變形等，分析了X形支撐和人字形支撐對結構整體剛度等性能的影響情況，通過某工程實例計算，對不同形式支撐的設計計算進行了探討，可為今后的工程設計提供參考。

框架—支撐結構，側移剛度，有色工業(yè)廠房

0 引言

鋼結構廠房常采用框架結構，框架分為無支撐的純框架和有支撐框架[1]。無支撐的純框架平面布置靈活，延性好，但僅依靠框架作為抗側力構件使其抗側移剛度較小。當建筑較高時，由于風及地震等水平作用引起的側向位移與高度為4次方的函數(shù)關系，導致結構水平位移較大，為保證正常使用，則需加大柱截面，但這樣不經濟且效果并不好。增加支撐可有效提高結構的整體剛度，減小柱截面，節(jié)約用鋼量。并且框架支撐結構成為雙重抗側體系，與無支撐框架相比，抗震性能更好。支撐的形式有多種，有色工業(yè)廠房常采用X形支撐，當受到工藝或建筑設置門窗等的影響無法采用X形支撐時，則采用人字形支撐。由于有多種支撐形式和布置方式可選擇，需研究不同支撐類型及布置方式對鋼框架廠房結構自振特性、內力及抗側剛度的影響，從而指導工程設計。

本文通過有色工業(yè)廠房實際工程算例，研究了布置不同支撐的有色工業(yè)廠房鋼框架結構的自振特性、內力、變形等的影響。

1 計算模型

某有色工業(yè)廠房采用鋼框架結構，共6層，高度為32 m，平面圖見圖1，結構形式見圖2。為便于比較，各個模型的對應梁柱截面都相同，不同的只是有無支撐和有支撐的形式。抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.3g，設計地震分組為第一組。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》[2]，多遇地震影響系數(shù)0.24，結構阻尼比ζ=0.04，場地特征周期為0.35 s。

2 計算結果分析

1)結構模態(tài)分析。

模態(tài)是結構固有的一種特性，它只與結構的形式及材料特性等有關，而與其他輸入無關。模態(tài)分析可得出結構系統(tǒng)的振動特性即結構的固有頻率、自振周期和振型，從而能夠進行下一步的抗震計算。由于低階振型對結構振動的影響要大于高階振型的影響，結構的總地震反應以低階振型反應為主，高振型對結構的地震作用貢獻很小，故本文只列出了前幾個振型的計算結果，如表1所示。

表1 結構自振特性

由計算結果可知，無支撐框架第二振型平動系數(shù)為0.35，扭轉系數(shù)為0.65，即該振型為以轉動為主的振型，會使結構出現(xiàn)過大的扭轉效應，這在結構設計中是應該避免出現(xiàn)的，為此需通過調整平面布置來改善這一狀況，即布置有效、合理的抗側力構件。由加支撐后的計算結果可見，無支撐框架與加X形支撐或人字形支撐的框架相比，后者自振周期短，結構整體剛度大，且其前兩階振型均以平動為主。加X形支撐框架與人字形支撐框架周期及剛度基本接近。

2)水平地震力比較。

由計算結果圖3～圖5可知，由于加支撐后結構整體剛度增大，加支撐后框架的總地震力大于無支撐框架，X形和人字形支撐框架分別增大54%和42%，但框架柱承擔的地震力明顯減小，X形和人字形支撐框架分別為無框架支撐的50%和46%，其余的地震力由支撐承擔，兩種支撐框架中X形支撐比人字形支撐承擔的地震力大9%。在支撐框架中，X形支撐承擔了68%的地震力，人字形支撐承擔了67%的地震力，盡管X形支撐框架比人字形支撐框架的地震力大8%，但兩種形式支撐在各自框架中承擔的地震力基本相同。

3)框架柱軸向力及基礎反力比較。

需要注意的是，與無支撐框架相比，盡管X形和人字形支撐框架中柱承擔的地震力減小近一半，但與支撐相連的框架柱軸力增加較多，見圖6，X形和人字形支撐框架分別增大52%和34%，基礎反力分別增大106%和89%，這是由于支撐承擔了較大的地震力，支撐的豎向分力導致傳遞到基礎的豎向力較大。而其他框架柱則不論有無支撐其軸力基本相同。X形支撐框架中與支撐相連的框架柱，比人字形支撐框架中相應的柱軸力和基礎反力要大一些。由于與支撐相連的框架柱基礎反力增大，故基礎需適當加大。

4)支撐對側移的影響。

由圖7可知，加支撐后，結構側向位移顯著減小，X形和人字形支撐框架的側移比無支撐框架分別減小42%和38%，對于減小側移，加X形支撐比加人字形支撐作用更大些。因此加支撐的框架作為雙重抗側體系，其整體抗側剛度遠大于無支撐框架。加X形或人字形支撐，可有效控制結構變形，利于抗震。

3 結語

1)通過調整結構平面布置即布置有效、合理的抗側力構件如支撐，增大了結構整體剛度，使結構避免出現(xiàn)過大的扭轉效應。

2)加支撐后框架的總地震力大于無支撐框架，但框架柱承擔的地震力明顯減小，其余的地震力由支撐承擔。X形支撐框架比人字形支撐框架的地震力略大。

3)與無支撐框架相比，盡管X形和人字形支撐框架中與支撐相連的框架柱軸力增加較多，由于支撐承擔了較大的地震力，支撐的豎向分力導致傳遞到基礎的豎向力較大，故基礎設計時需適當加大。

4)加X形或人字形支撐，結構在地震作用下側向位移顯著減小，可有效控制結構變形，利于抗震。對于減小側移，加X形支撐比加人字形支撐作用更大。

[1] GB 50017—2003，鋼結構設計規(guī)范[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)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

鮑 巍(1971- )，男，工程師； 陳泉水(1965- )，男，工程師

1009-6825(2015)13-0041-02

TU378.4

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