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摘要：本文从支撑形式的选取与布置，支撑杆件的内力调整、支撑杆件与节点设计等方面阐述了某高层钢结构住宅中心支撑结构的分析与设计。可供类似工程参考。
关键词：钢结构住宅；中心支撑；设计分析；
引言
钢结构住宅具备环保 、节能等绿色建筑的特征 ，是一种符合住宅建筑产业化发展需求的新型住宅结构形式 。在高层钢结构住宅中 ，框架一支撑结构体系相比框架结构体系而言，可避免过多地加大梁柱截面及用钢量，是一种经济有效的抗侧力结构体系。框架支撑结构体系由框架与支撑框架组成，在刚性楼板或弹性楼板的变形协调下共同工作，是典型的双重抗侧力结构体系，具有两道抗震防线。支撑框架的支撑形式有中心支撑、偏心支撑、钢板剪力墙、内藏钢板支撑剪力墙以及带竖缝混凝土剪力墙板等，其中中心支撑框架可以显著增加框结构的刚度、有效控制侧向变形、减小结构的层间位移、改善结构的内力分布。
本钢结构住宅地下1层 ，地上17层 ，平面外轮廓5 5.9 7 r ex 19.3 7 m，总高度 4 9.3 m，总建筑面积 118 8 7 m2；丙类建筑，7度设防( 0 .1 o g )，地震分组为第二组，三类场地；基本风压 0.5 k N／m2 ，地面粗糙度B类。采用钢框架中心支撑结构体系，其中钢框架由方钢管混凝土柱H型钢梁组成 ，支撑为 H型钢。标准层结构平面如图 1 所示。本文从支撑形式的选取与布置、支撑杆件的内力调整、支撑杆件与节点设计等方面论述了该中心支撑结构的分析与设计，可供类似工程参考 。
1 支撑形式选取与布置
考虑到本工程设防烈度仅为 7度( 0.1 0 g ) ，结构总高度仅为 4 9.3 m，且钢框架本身刚度较大，故采用了钢框架中心支撑结构体系。根据支撑框架柱距与层高的相对关系，采用十字交叉与人字形两种支撑形式。为兼顾建筑功能要求，支撑仅能布置在未设窗的外墙、未设门的分隔墙以及分户墙处。从结构整体受力而言，支撑布置应满足这样要求。
1 ) 首先支撑的数量应使结构具有足够的侧向刚度，满足结构在地震作用及风荷载作用下侧向变形的要求。可以通过控制结构的层间位移及整体位移实现上述要求。
2 ) 支撑的平面布置应尽量使结构在平面上刚度分布均匀，减J J , ~ J U 度偏心以减小扭转效应。可以通过控制结构的周期比( 又称扭平比，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期比值 ) 与位移比( 最大层间位移与该层平均位移比值 ) 实现该要求。增加结构的抗扭刚度可以有效控制结构的位移比，在兼顾均匀的前提下，尽量将支撑布置在建筑物周边并远离质心与刚心，可以实现较大的抗扭刚度。沿竖向结构的侧向刚度宜均匀变化，不应有较大突变，以避免出现薄弱层。可以通过控制层间刚度比、层间抗侧力结构的受剪承载力比来实现 。
3 ) 应尽量使结构两个方向的动力特性相近 。可以通过控制两个方向的周期相近来实现本项要求。经反复调整与分析计算，最终确定的结构平面布置见图 I 。结构的主要计算结果见表 1 。
2 支撑 内力调整与设计
支撑采用 H型钢。当超过 1 2层时，支撑宜采用轧制 H型钢制作 。因为在反复荷载作用下焊接组合H型钢屈曲时常导致组合焊缝出现裂缝。当采用焊接 H型钢时，其翼缘与腹板应采用坡口全熔透焊缝连接。本工程除局部支撑杆件内力较大采用焊接 H型钢外，大部分采用热轧 H型钢 。支撑杆件截面主要采用热轧 H型钢 HW1 5 0 ×1 5 0×7×l 0 和 H W1 7 5 x 1 7 5 x 7 .5 x 1 1。
钢框架.支撑结构的斜杆可按端部铰接杆计算在P K P M 之 S AT WE软件中，通过计算对比分析，發现支撑杆件与梁柱铰接与刚接对结构整体刚度及杆件 内力影响不大 。人字形支撑斜杆的组合内力应乘以增大系数 1 .5 十 字交叉支撑斜杆的组合内力应乘以增大系数 1 .3 t 。需要注意的是 P KP M 之 S A T WE( 2 0 0 4年 5月版 ) 对于人字形与十字交叉两种支撑的内力调整不加区分统一取为 1.5，实际应用时可将十字交叉支撑斜杆的强度及稳定应力比系数乘以0.87以考虑上述情况的影响。结构初步试算后发现较大部分支撑杆件截面由容许长细比控制，若采用 Q3 4 5 B钢是不经济的。并且抗震设防区对于支撑杆件的板件宽厚比要求亦较严格。所以支撑杆件采用 Q2 3 5 B，以获取更大的容许长细比及板件宽厚比。
对于热轧 H型钢，绕其强轴的回转半径约为绕弱轴的1.7倍。从受力均衡与经济角度讲，应通过合理的节点构造措施使其强轴与计算长度较长的平面对应。
对于人字形支撑杆件, 当不设防屈杆时，其平面内外的计算长度相同，均为其几何长度。当设置平面内的防屈杆( 见图 2 a ) 时，其平面内的计算长度可有效缩减。本工程中对人字形支撑，将热轧 H 型钢强轴对应支撑框架平面外，在平面内设防屈杆减小平面内对应弱轴的计算长度，以期尽量实现平面内外的等稳设计，充分利用截面，达到经济的效果。对十字交叉形支撑杆件也将强轴对应支撑框架平面外。平面内的计算长度取支撑杆件端部节点到交叉点的几何长度。确定平面外的计算长度时可考虑两根支撑杆件间的约束将支撑杆件端节点间的几何长度予以折减。控制支撑杆件截面的内力组合均为水平力效应参与的组合，此时十字交叉支撑杆件必为一杆受压一杆受拉，因此可以考虑拉杆对压杆的有利支持来计算压杆平面外计算长度 ，以达到缩减杆件截面、节省用钢量的目的。 计算公式如式( 1 ) ：
式中，为所计算支撑压杆在支撑框架平面外的计算长度；
为所计算支撑压杆的几何长度( 取节点中心间距，交叉点不作为节点考虑 ) ；N为所计算支撑压杆的轴力，取绝对值；为与所计算支撑压杆相交的支撑拉杆的拉力，取绝对值。支撑构件的截面布置见图 2 。
4 节点设计
对高层钢结构，当超过1 2层时，支撑两端与框架的连接可采用刚接构造。对于 H型钢支撑，当强轴对应支撑框架平面外时的常见节点做法见图 3 a 。该种节点受力性能可靠，但端部加工复杂。本工程采用了改进型的节点，将 H型钢直接与钢梁翼缘及柱壁对焊，并在钢梁上对应 H型钢翼缘的平面内设置纵向加劲肋，将钢梁局部做成箱形截面，见图 3 b 。改进后的节点简单可行，降低了施工的难度及造价。
5 结语
我国钢结构住宅目前正在可持续发展，其存在着很多不成熟，本文结合某高层钢结构住宅，详细阐述了中心支撑结构设计的一些技术细节及建议可供设计人员参考。当我们在解决这些问题的时候，不是针对表面去实施，而是要研究解决如何把它做好的问题。从而创造完整的、 配套的、高品质钢结构住宅体系，在当前市场需求与国家支持的良好条件下，完全有效地进行新的建设，推向市场。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：钢结构住宅；中心支撑；设计分析；
引言
钢结构住宅具备环保 、节能等绿色建筑的特征 ，是一种符合住宅建筑产业化发展需求的新型住宅结构形式 。在高层钢结构住宅中 ，框架一支撑结构体系相比框架结构体系而言，可避免过多地加大梁柱截面及用钢量，是一种经济有效的抗侧力结构体系。框架支撑结构体系由框架与支撑框架组成，在刚性楼板或弹性楼板的变形协调下共同工作，是典型的双重抗侧力结构体系，具有两道抗震防线。支撑框架的支撑形式有中心支撑、偏心支撑、钢板剪力墙、内藏钢板支撑剪力墙以及带竖缝混凝土剪力墙板等，其中中心支撑框架可以显著增加框结构的刚度、有效控制侧向变形、减小结构的层间位移、改善结构的内力分布。
本钢结构住宅地下1层 ，地上17层 ，平面外轮廓5 5.9 7 r ex 19.3 7 m，总高度 4 9.3 m，总建筑面积 118 8 7 m2；丙类建筑，7度设防( 0 .1 o g )，地震分组为第二组，三类场地；基本风压 0.5 k N／m2 ，地面粗糙度B类。采用钢框架中心支撑结构体系，其中钢框架由方钢管混凝土柱H型钢梁组成 ，支撑为 H型钢。标准层结构平面如图 1 所示。本文从支撑形式的选取与布置、支撑杆件的内力调整、支撑杆件与节点设计等方面论述了该中心支撑结构的分析与设计，可供类似工程参考 。
1 支撑形式选取与布置
考虑到本工程设防烈度仅为 7度( 0.1 0 g ) ，结构总高度仅为 4 9.3 m，且钢框架本身刚度较大，故采用了钢框架中心支撑结构体系。根据支撑框架柱距与层高的相对关系，采用十字交叉与人字形两种支撑形式。为兼顾建筑功能要求，支撑仅能布置在未设窗的外墙、未设门的分隔墙以及分户墙处。从结构整体受力而言，支撑布置应满足这样要求。
1 ) 首先支撑的数量应使结构具有足够的侧向刚度，满足结构在地震作用及风荷载作用下侧向变形的要求。可以通过控制结构的层间位移及整体位移实现上述要求。
2 ) 支撑的平面布置应尽量使结构在平面上刚度分布均匀，减J J , ~ J U 度偏心以减小扭转效应。可以通过控制结构的周期比( 又称扭平比，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期比值 ) 与位移比( 最大层间位移与该层平均位移比值 ) 实现该要求。增加结构的抗扭刚度可以有效控制结构的位移比，在兼顾均匀的前提下，尽量将支撑布置在建筑物周边并远离质心与刚心，可以实现较大的抗扭刚度。沿竖向结构的侧向刚度宜均匀变化，不应有较大突变，以避免出现薄弱层。可以通过控制层间刚度比、层间抗侧力结构的受剪承载力比来实现 。
3 ) 应尽量使结构两个方向的动力特性相近 。可以通过控制两个方向的周期相近来实现本项要求。经反复调整与分析计算，最终确定的结构平面布置见图 I 。结构的主要计算结果见表 1 。
2 支撑 内力调整与设计
支撑采用 H型钢。当超过 1 2层时，支撑宜采用轧制 H型钢制作 。因为在反复荷载作用下焊接组合H型钢屈曲时常导致组合焊缝出现裂缝。当采用焊接 H型钢时，其翼缘与腹板应采用坡口全熔透焊缝连接。本工程除局部支撑杆件内力较大采用焊接 H型钢外，大部分采用热轧 H型钢 。支撑杆件截面主要采用热轧 H型钢 HW1 5 0 ×1 5 0×7×l 0 和 H W1 7 5 x 1 7 5 x 7 .5 x 1 1。
钢框架.支撑结构的斜杆可按端部铰接杆计算在P K P M 之 S AT WE软件中，通过计算对比分析，發现支撑杆件与梁柱铰接与刚接对结构整体刚度及杆件 内力影响不大 。人字形支撑斜杆的组合内力应乘以增大系数 1 .5 十 字交叉支撑斜杆的组合内力应乘以增大系数 1 .3 t 。需要注意的是 P KP M 之 S A T WE( 2 0 0 4年 5月版 ) 对于人字形与十字交叉两种支撑的内力调整不加区分统一取为 1.5，实际应用时可将十字交叉支撑斜杆的强度及稳定应力比系数乘以0.87以考虑上述情况的影响。结构初步试算后发现较大部分支撑杆件截面由容许长细比控制，若采用 Q3 4 5 B钢是不经济的。并且抗震设防区对于支撑杆件的板件宽厚比要求亦较严格。所以支撑杆件采用 Q2 3 5 B，以获取更大的容许长细比及板件宽厚比。
对于热轧 H型钢，绕其强轴的回转半径约为绕弱轴的1.7倍。从受力均衡与经济角度讲，应通过合理的节点构造措施使其强轴与计算长度较长的平面对应。
对于人字形支撑杆件, 当不设防屈杆时，其平面内外的计算长度相同，均为其几何长度。当设置平面内的防屈杆( 见图 2 a ) 时，其平面内的计算长度可有效缩减。本工程中对人字形支撑，将热轧 H 型钢强轴对应支撑框架平面外，在平面内设防屈杆减小平面内对应弱轴的计算长度，以期尽量实现平面内外的等稳设计，充分利用截面，达到经济的效果。对十字交叉形支撑杆件也将强轴对应支撑框架平面外。平面内的计算长度取支撑杆件端部节点到交叉点的几何长度。确定平面外的计算长度时可考虑两根支撑杆件间的约束将支撑杆件端节点间的几何长度予以折减。控制支撑杆件截面的内力组合均为水平力效应参与的组合，此时十字交叉支撑杆件必为一杆受压一杆受拉，因此可以考虑拉杆对压杆的有利支持来计算压杆平面外计算长度 ，以达到缩减杆件截面、节省用钢量的目的。 计算公式如式( 1 ) ：
式中，为所计算支撑压杆在支撑框架平面外的计算长度；
为所计算支撑压杆的几何长度( 取节点中心间距，交叉点不作为节点考虑 ) ；N为所计算支撑压杆的轴力，取绝对值；为与所计算支撑压杆相交的支撑拉杆的拉力，取绝对值。支撑构件的截面布置见图 2 。
4 节点设计
对高层钢结构，当超过1 2层时，支撑两端与框架的连接可采用刚接构造。对于 H型钢支撑，当强轴对应支撑框架平面外时的常见节点做法见图 3 a 。该种节点受力性能可靠，但端部加工复杂。本工程采用了改进型的节点，将 H型钢直接与钢梁翼缘及柱壁对焊，并在钢梁上对应 H型钢翼缘的平面内设置纵向加劲肋，将钢梁局部做成箱形截面，见图 3 b 。改进后的节点简单可行，降低了施工的难度及造价。
5 结语
我国钢结构住宅目前正在可持续发展，其存在着很多不成熟，本文结合某高层钢结构住宅，详细阐述了中心支撑结构设计的一些技术细节及建议可供设计人员参考。当我们在解决这些问题的时候，不是针对表面去实施，而是要研究解决如何把它做好的问题。从而创造完整的、 配套的、高品质钢结构住宅体系，在当前市场需求与国家支持的良好条件下，完全有效地进行新的建设，推向市场。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。