钢结构工程研究⑥ 《钢结构》2006增刊
支撑类型和布置方式对高层钢框架结构抗
侧移刚度的影响
陈明华 高轩能
（华侨大学土木工程学院，泉州，362021）
提 要：以高层钢框架支撑结构为对象，建立了典型的钢框架支撑结构抗侧移刚度理论分析模型，通过计算不同支撑类型及支撑布置方式下的钢框架支撑结构顶点位移，研究了支撑型式对高层钢框架结构抗侧移刚度的影响。研究结果表明，对于不同的支撑类型，支撑沿竖向集中布置于中间跨的钢框架结构抗侧移刚度好于将支撑布置在边跨以及其他跨上。对于相同的支撑布置方式，单斜杆中心支撑框架明显比人字形中心支撑框架经济。
关键词：支撑类型 布置方式 高层钢框架 顶点位移 抗侧移刚度
1．引言
由于纯框架体系刚度小，通常6层以上的钢框架结构建筑，层间位移起控制作用，增加支撑体系，可提高结构整体刚度，减少梁、柱用钢量，并使梁、柱节点承受的弯矩减小，节点构造也相对简单，因而框架-支撑体系在中、高层钢结构建筑中得到了广泛应用[1]。但在中、高层钢结构中，有多种支撑布置方案可供选择，如中心支撑、偏心支撑等，每种支论尚待商榷。
及支撑布置的经济性。
本文以常用的3框架模型（简称模型1）（简称模型2）和偏心支撑框架模型（简称模型3），以考察支撑类型对钢框架支撑结构的220
钢结构工程研究⑥ 《钢结构》2006增刊
抗侧移刚度的影响。3种模型均采用6跨20层的钢框架支撑结构。钢框架几何尺寸、梁柱截面和荷载作用情况如图1所示。为分析方便起见，取框架的梁柱截面相同，支撑杆件采用φ89×3的热轧无缝钢管，水平荷载简化为顶层作用集中力P ＝100kN 。
为了反映支撑布置方式对钢框架支撑结构的抗侧移刚度的影响，本文对各个计算模型均采用了若干种不同的支撑布置方式。对于模型1，采用了11种支撑布置方式（如图2所示）；对于模型2，采用了3种支撑布置方式（如图3所示）。对于偏心支撑，文献[3]指出，耗能梁段长e ＝(1～1.3)M p /Vp 时，该梁段对偏心支撑框架的承载力、刚度和耗能特别有利，本文计算模型的M p /Vp ＝1.416m ，因此，对于模型3，分别取耗能梁段长e ＝1.35m 、1.4m 和1.45m ，各采用5种支撑布置方式（如图4所示）。
2.2 结构侧移刚度计算
本文采用通用有限元分析软件ANSYS 进行结构的顶层位移和侧移刚度计算，计算中梁柱选用梁单元，支撑采用杆单元。为减小计算量，本文在计算中均采用柱脚刚接，柱绕强轴弯曲并考虑剪切变形影响的计算模型。材料的弹性模量及泊松比取值为E=2.06×105MPa ，泊松比ν=0.3。钢框架支撑结构在不同支撑类型和不同支撑布置方式下的顶点位移和抗侧移刚度计算结果如表1～表3所示。
表1 模型1顶点位移及抗侧移刚度 支撑
布置
形式
顶点
位移 15.79216.59917.34815.997/mm
抗侧
移刚6332.36024.55764.46251.2度
/N/mm
表2 模型2顶点位移及抗侧移刚度
支撑布置形式顶点位移
/mm 抗侧移刚度/N/mm
表3 模型3顶点位移及抗侧移刚度 支撑e=1.45m布置
顶点位移/mm 形式
17.253
17.55317.595
17.77717.783
16.783
16.60016.664e=1.35m5829.95710.45638.26003.56046.7e=1.4m5813.35697.05625.25981.26024.1e=1.45m 抗侧移刚度/N/mm
为便于比较分析，本文同时对文献[2]中的算例，20层钢框架支撑结构的顶点位移进行了计算。计算时，取钢材的弹性模量E=2.06×105MPa ，泊松比ν=0.3。顶点位移取为顶层最
221
钢结构工程研究⑥ 《钢结构》2006增刊
大水平位移，计算结果如表4所示。
从表4可以看出，文献[2]与本文计算结果相差很大。为了验证本文ANSYS 计算结果，再采用文献[4]中介绍的两种计算框架侧移近似方法，即连续法和D 值法对相应的纯框架结构的顶点位移进行计算，所得结果分别为11.3705mm 和11.4000mm ，这两个结果与文献[2]的相应结果彼此不能同时成立，否则有违客观事实，因为框架支撑结构的抗侧移刚度必然比相同结构的纯框架大。而上述结果与本文相应结构（纯框架、柱脚刚接）的计算结果（12.113mm ）相近。由此可知，本文ANSYS 分析模型选取合理，计算结果可信，而文献
[2]的结果有误，据此得出的结论值得商榷。
表4 钢框架支撑结构顶点位移结果对比（单位/mm）
支撑布置方式 文献[2] 本文计算结果
的结果 2B 2C 2G 纯框架
剪切变形 没有说明 不考虑 不考虑考虑 考虑 考虑 考虑 柱弯曲方向 没有说明 强轴 强轴 强轴 强轴 弱轴 弱轴 支座形式 没有说明 刚接 刚接 刚接 铰接 刚接 铰接
3．计算结果分析
钢结构工程研究⑥ 《钢结构》2006增刊
2F ）。第2类，支撑沿框架横向布置于中间跨（图2中2D 、2E 、2H 、2K 、2L ）。第3类，支撑沿框架横向布置于边跨，即布置于1-2、5-6跨（图2中2B 、2C 、2G ）。第4类，每跨均设有支撑，侧重于中间跨（图2中2J ）。以上各种支撑布置方式下结构的抗侧移刚度的计算结果如表5所示。
从表5中可以看出，第2、4类支撑布置方式下结构抗侧移刚度较大，第1类支撑布置方式的结构抗侧移刚度次之，第3类支撑布置方式的结构抗侧移刚度最小，表明单斜杆中心支撑沿框架横向布置在中央可获得较大的抗侧移刚度。抗侧移刚度的最大值与最小值之间相差约为10%，表明在不改变材料用量的情况下，采用合适的支撑方式可获得很好效益。 表5 模型1的抗侧移刚度（单位/N/mm）
3.2 模型2
模型2型的33-4、6跨(图3中于边跨，即布置于示。从表2与模型1类似。
3.3 模型3
模型3置于1、3-4、61-2、5-6跨（图42-3、4-5跨（图4
钢结构工程研究⑥ 《钢结构》2006增刊
置方式下结构的抗侧移刚度的计算结果如表2所示。
从表2数据可知，在耗能梁段长度相同的情况下，第3类支撑布置方式的结构抗侧移刚度最大，第1类支撑布置方式的结构抗侧移刚度次之，第2类支撑布置方式的结构抗侧移刚度最小。此外，框架结构的抗侧移刚度随耗能梁段的长度变化而有所改变，在相同支撑布置形式下，耗能梁段的长度e 越长，结构的抗侧移刚度越小，耗能梁段e 越短，结构的抗侧移刚度越大，但影响不是太大。容易得出，当e 取值为零时，支撑布置方式即为单斜杆中心支撑布置方式。
3.4 比较分析
为了比较不同支撑类型和支撑布置方式对钢框架支撑结构抗侧移刚度的影响，将模型1分别与模型2和模型3在各种支撑布置方式下的钢框架支撑结构的抗侧移刚度进行了比较，结果如表6和表7所示。
表6 模型1、2结构抗侧移刚度的比较 表6为模型1和模型2的结构抗侧
移刚度比较结果。从表6中可以看出，对
抗侧移刚度于钢框架结构，在相同的位置分别布置单模型模型(N/mm) 支撑布置方式 1 2 斜杆支撑和人字形支撑，即不论何种布置
模型1模型2方式，所得到的结构抗侧移刚度均改变不
2A 6042.3大。但人字形支撑布置的用钢量却比单斜3A 6017.91、3-4/6跨 2F 6024.5杆支撑布置多很多。本文中，单斜杆中心
2B 5885.5支撑的用钢量只有人字形中心支撑的632C 5784.03B 5841.1边跨 ℅，而两者的抗侧移刚度却相近，表明在2G 5764.4
高层钢框架支撑结构中，采用单斜杆中心2D 6284.6支撑比采用人字形中心支撑经济。 2E 6332.3
2H 3C 6251.26321.1中间跨 表7为模型1与模型3的结构抗侧移2K 6174.0刚度比较结果。从表7中可以看出，对于2L 6314.3
钢框架结构，在相同位置分别布置单斜杆
中心支撑和偏心支撑时，偏心支撑框架的结构抗侧移刚度比单斜杆中心支撑框架的有所降低，但降低幅度不大，按本文算例数据，结构抗侧移刚度降低大致在3℅～6℅以内。与此
表7 模型1、3结构抗侧移刚度的比较 支撑布置方式
模型1 模型3 模型1 结构抗侧移刚度的变化（%） 模型3
e=1.45m
同时，采用偏心支撑时，支撑用钢量明显降低。如在本文中，e=1.4m时，偏心支撑的用钢量为单斜杆中心支撑用钢量的84%。另外，有试验表明，偏心支撑框架体系是一种非常刚224
钢结构工程研究⑥ 《钢结构》2006增刊
劲的结构体系，它具有极好的耗能能力以抵抗大的地震作用[3][5][6]。
4．结论
通过上述研究分析，可以得出如下结论：
（1）在高层钢框架结构中，不论采用单斜杆中心支撑、人字形中心支撑，还是偏心支撑，支撑沿竖向集中布置于中间跨的抗侧移刚度好于将支撑布置在边跨以及其他跨上，但是数值差别不是很显著。这一结论与文献[2] 有所不同。
（2）在相同支撑布置形式下，采用单斜杆中心支撑比采用人字形中心支撑经济。
（3）偏心支撑框架在节省用钢量、不至于降低抗侧移刚度很多的情况下，可保证与单斜杆中心支撑框架相当的抗侧移刚度。
（4）在高层钢框架结构中，应尽可能选择偏心支撑类型，并以沿框架竖向集中布置于中间跨的支撑布置方式为宜。
参 考 文 献
[1] 黄怡, 王元清, 石永久. 支撑布置方式对多高层钢结构抗震性能的影响分析[J].钢结
构,2005,Vol.20(81):41-44,22.
[2] 周学军, 陈鲁, 曲慧. 多、高层钢结构支撑的布置方式对框架侧向刚度的影响[J].钢结
构,2003,Vol.18(66):51-54.
[3] 陈富生,邱国桦,范重. 高层建筑钢结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.
[4] 包世华. 新编高层建筑结构[M]. 北京:中国水利水电出版社,2001.
[5] 赵宝成, 顾强. 偏心支撑钢框架在循环荷载作用下非线性有限元分析[J]. 土木工程学
报,2005,Vol.38(2):27-31.
[6] 张峰. 偏心支撑钢框架耗能梁段的设计[J]. 建筑技术开发. 2005,Vol.32(5):23-24.
[7] 博加科技编著. 有限元分析软件—ANSYS融会与贯通[M].北京:中国水利水电出版社,2002:333-340.
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支撑类型和布置方式对高层钢框架结构抗
侧移刚度的影响
陈明华 高轩能
（华侨大学土木工程学院，泉州，362021）
提 要：以高层钢框架支撑结构为对象，建立了典型的钢框架支撑结构抗侧移刚度理论分析模型，通过计算不同支撑类型及支撑布置方式下的钢框架支撑结构顶点位移，研究了支撑型式对高层钢框架结构抗侧移刚度的影响。研究结果表明，对于不同的支撑类型，支撑沿竖向集中布置于中间跨的钢框架结构抗侧移刚度好于将支撑布置在边跨以及其他跨上。对于相同的支撑布置方式，单斜杆中心支撑框架明显比人字形中心支撑框架经济。
关键词：支撑类型 布置方式 高层钢框架 顶点位移 抗侧移刚度
1．引言
由于纯框架体系刚度小，通常6层以上的钢框架结构建筑，层间位移起控制作用，增加支撑体系，可提高结构整体刚度，减少梁、柱用钢量，并使梁、柱节点承受的弯矩减小，节点构造也相对简单，因而框架-支撑体系在中、高层钢结构建筑中得到了广泛应用[1]。但在中、高层钢结构中，有多种支撑布置方案可供选择，如中心支撑、偏心支撑等，每种支论尚待商榷。
及支撑布置的经济性。
本文以常用的3框架模型（简称模型1）（简称模型2）和偏心支撑框架模型（简称模型3），以考察支撑类型对钢框架支撑结构的220
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抗侧移刚度的影响。3种模型均采用6跨20层的钢框架支撑结构。钢框架几何尺寸、梁柱截面和荷载作用情况如图1所示。为分析方便起见，取框架的梁柱截面相同，支撑杆件采用φ89×3的热轧无缝钢管，水平荷载简化为顶层作用集中力P ＝100kN 。
为了反映支撑布置方式对钢框架支撑结构的抗侧移刚度的影响，本文对各个计算模型均采用了若干种不同的支撑布置方式。对于模型1，采用了11种支撑布置方式（如图2所示）；对于模型2，采用了3种支撑布置方式（如图3所示）。对于偏心支撑，文献[3]指出，耗能梁段长e ＝(1～1.3)M p /Vp 时，该梁段对偏心支撑框架的承载力、刚度和耗能特别有利，本文计算模型的M p /Vp ＝1.416m ，因此，对于模型3，分别取耗能梁段长e ＝1.35m 、1.4m 和1.45m ，各采用5种支撑布置方式（如图4所示）。
2.2 结构侧移刚度计算
本文采用通用有限元分析软件ANSYS 进行结构的顶层位移和侧移刚度计算，计算中梁柱选用梁单元，支撑采用杆单元。为减小计算量，本文在计算中均采用柱脚刚接，柱绕强轴弯曲并考虑剪切变形影响的计算模型。材料的弹性模量及泊松比取值为E=2.06×105MPa ，泊松比ν=0.3。钢框架支撑结构在不同支撑类型和不同支撑布置方式下的顶点位移和抗侧移刚度计算结果如表1～表3所示。
表1 模型1顶点位移及抗侧移刚度 支撑
布置
形式
顶点
位移 15.79216.59917.34815.997/mm
抗侧
移刚6332.36024.55764.46251.2度
/N/mm
表2 模型2顶点位移及抗侧移刚度
支撑布置形式顶点位移
/mm 抗侧移刚度/N/mm
表3 模型3顶点位移及抗侧移刚度 支撑e=1.45m布置
顶点位移/mm 形式
17.253
17.55317.595
17.77717.783
16.783
16.60016.664e=1.35m5829.95710.45638.26003.56046.7e=1.4m5813.35697.05625.25981.26024.1e=1.45m 抗侧移刚度/N/mm
为便于比较分析，本文同时对文献[2]中的算例，20层钢框架支撑结构的顶点位移进行了计算。计算时，取钢材的弹性模量E=2.06×105MPa ，泊松比ν=0.3。顶点位移取为顶层最
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钢结构工程研究⑥ 《钢结构》2006增刊
大水平位移，计算结果如表4所示。
从表4可以看出，文献[2]与本文计算结果相差很大。为了验证本文ANSYS 计算结果，再采用文献[4]中介绍的两种计算框架侧移近似方法，即连续法和D 值法对相应的纯框架结构的顶点位移进行计算，所得结果分别为11.3705mm 和11.4000mm ，这两个结果与文献[2]的相应结果彼此不能同时成立，否则有违客观事实，因为框架支撑结构的抗侧移刚度必然比相同结构的纯框架大。而上述结果与本文相应结构（纯框架、柱脚刚接）的计算结果（12.113mm ）相近。由此可知，本文ANSYS 分析模型选取合理，计算结果可信，而文献
[2]的结果有误，据此得出的结论值得商榷。
表4 钢框架支撑结构顶点位移结果对比（单位/mm）
支撑布置方式 文献[2] 本文计算结果
的结果 2B 2C 2G 纯框架
剪切变形 没有说明 不考虑 不考虑考虑 考虑 考虑 考虑 柱弯曲方向 没有说明 强轴 强轴 强轴 强轴 弱轴 弱轴 支座形式 没有说明 刚接 刚接 刚接 铰接 刚接 铰接
3．计算结果分析
钢结构工程研究⑥ 《钢结构》2006增刊
2F ）。第2类，支撑沿框架横向布置于中间跨（图2中2D 、2E 、2H 、2K 、2L ）。第3类，支撑沿框架横向布置于边跨，即布置于1-2、5-6跨（图2中2B 、2C 、2G ）。第4类，每跨均设有支撑，侧重于中间跨（图2中2J ）。以上各种支撑布置方式下结构的抗侧移刚度的计算结果如表5所示。
从表5中可以看出，第2、4类支撑布置方式下结构抗侧移刚度较大，第1类支撑布置方式的结构抗侧移刚度次之，第3类支撑布置方式的结构抗侧移刚度最小，表明单斜杆中心支撑沿框架横向布置在中央可获得较大的抗侧移刚度。抗侧移刚度的最大值与最小值之间相差约为10%，表明在不改变材料用量的情况下，采用合适的支撑方式可获得很好效益。 表5 模型1的抗侧移刚度（单位/N/mm）
3.2 模型2
模型2型的33-4、6跨(图3中于边跨，即布置于示。从表2与模型1类似。
3.3 模型3
模型3置于1、3-4、61-2、5-6跨（图42-3、4-5跨（图4
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置方式下结构的抗侧移刚度的计算结果如表2所示。
从表2数据可知，在耗能梁段长度相同的情况下，第3类支撑布置方式的结构抗侧移刚度最大，第1类支撑布置方式的结构抗侧移刚度次之，第2类支撑布置方式的结构抗侧移刚度最小。此外，框架结构的抗侧移刚度随耗能梁段的长度变化而有所改变，在相同支撑布置形式下，耗能梁段的长度e 越长，结构的抗侧移刚度越小，耗能梁段e 越短，结构的抗侧移刚度越大，但影响不是太大。容易得出，当e 取值为零时，支撑布置方式即为单斜杆中心支撑布置方式。
3.4 比较分析
为了比较不同支撑类型和支撑布置方式对钢框架支撑结构抗侧移刚度的影响，将模型1分别与模型2和模型3在各种支撑布置方式下的钢框架支撑结构的抗侧移刚度进行了比较，结果如表6和表7所示。
表6 模型1、2结构抗侧移刚度的比较 表6为模型1和模型2的结构抗侧
移刚度比较结果。从表6中可以看出，对
抗侧移刚度于钢框架结构，在相同的位置分别布置单模型模型(N/mm) 支撑布置方式 1 2 斜杆支撑和人字形支撑，即不论何种布置
模型1模型2方式，所得到的结构抗侧移刚度均改变不
2A 6042.3大。但人字形支撑布置的用钢量却比单斜3A 6017.91、3-4/6跨 2F 6024.5杆支撑布置多很多。本文中，单斜杆中心
2B 5885.5支撑的用钢量只有人字形中心支撑的632C 5784.03B 5841.1边跨 ℅，而两者的抗侧移刚度却相近，表明在2G 5764.4
高层钢框架支撑结构中，采用单斜杆中心2D 6284.6支撑比采用人字形中心支撑经济。 2E 6332.3
2H 3C 6251.26321.1中间跨 表7为模型1与模型3的结构抗侧移2K 6174.0刚度比较结果。从表7中可以看出，对于2L 6314.3
钢框架结构，在相同位置分别布置单斜杆
中心支撑和偏心支撑时，偏心支撑框架的结构抗侧移刚度比单斜杆中心支撑框架的有所降低，但降低幅度不大，按本文算例数据，结构抗侧移刚度降低大致在3℅～6℅以内。与此
表7 模型1、3结构抗侧移刚度的比较 支撑布置方式
模型1 模型3 模型1 结构抗侧移刚度的变化（%） 模型3
e=1.45m
同时，采用偏心支撑时，支撑用钢量明显降低。如在本文中，e=1.4m时，偏心支撑的用钢量为单斜杆中心支撑用钢量的84%。另外，有试验表明，偏心支撑框架体系是一种非常刚224
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劲的结构体系，它具有极好的耗能能力以抵抗大的地震作用[3][5][6]。
4．结论
通过上述研究分析，可以得出如下结论：
（1）在高层钢框架结构中，不论采用单斜杆中心支撑、人字形中心支撑，还是偏心支撑，支撑沿竖向集中布置于中间跨的抗侧移刚度好于将支撑布置在边跨以及其他跨上，但是数值差别不是很显著。这一结论与文献[2] 有所不同。
（2）在相同支撑布置形式下，采用单斜杆中心支撑比采用人字形中心支撑经济。
（3）偏心支撑框架在节省用钢量、不至于降低抗侧移刚度很多的情况下，可保证与单斜杆中心支撑框架相当的抗侧移刚度。
（4）在高层钢框架结构中，应尽可能选择偏心支撑类型，并以沿框架竖向集中布置于中间跨的支撑布置方式为宜。
参 考 文 献
[1] 黄怡, 王元清, 石永久. 支撑布置方式对多高层钢结构抗震性能的影响分析[J].钢结
构,2005,Vol.20(81):41-44,22.
[2] 周学军, 陈鲁, 曲慧. 多、高层钢结构支撑的布置方式对框架侧向刚度的影响[J].钢结
构,2003,Vol.18(66):51-54.
[3] 陈富生,邱国桦,范重. 高层建筑钢结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.
[4] 包世华. 新编高层建筑结构[M]. 北京:中国水利水电出版社,2001.
[5] 赵宝成, 顾强. 偏心支撑钢框架在循环荷载作用下非线性有限元分析[J]. 土木工程学
报,2005,Vol.38(2):27-31.
[6] 张峰. 偏心支撑钢框架耗能梁段的设计[J]. 建筑技术开发. 2005,Vol.32(5):23-24.
[7] 博加科技编著. 有限元分析软件—ANSYS融会与贯通[M].北京:中国水利水电出版社,2002:333-340.
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