可拆卸的钢结构框架的研究

可拆卸的钢结构框架的研究
摘 要：文章主要介绍可拆卸的钢结构框架研究的技术背景，主
要的组成构件和其所具备的性能特点，以及钢结构框架的种类和应
用。
关键词：可拆卸的钢结构框架；支撑体系；性能特点
1 研究的技术背景
对于可拆卸的钢结构框架的研究主要是以给临时支撑体系提供
安全、可靠、方便的应用设备为目的进行的。
目前，在我国临时支撑体系多以现场绑扎脚手架或者安装轻型钢
结构构件为主，但以上两种方法由于各自的技术局限都存在着一些
不足。如：对于脚手架其安装所需要的作业空间比较大，而且脚手
架不易形成开阔的立体空间，同时安装过程中需要专业人员的操
作，拆卸和组装所花费的时间都比较长，费用也比较昂贵。而对于
采用轻钢结构的临时支撑体系如果采用焊接方式安装，梁、柱构件
拆卸下来后将不能重复利用，资源浪费比较严重，目前基本是采用
螺栓连接，这种以螺栓连接的轻钢结构临时支撑体系多以采用实腹
式梁和柱为主，但是这种结构重量相对较大，不宜直接安装，需要
采用吊车协助完成安装工作，这直接导致了人工和机械成本的整体
升高，并且在一些不适合吊车作业的特殊环境下还会给轻钢结构的
搭建造成很大的困难。
基于以上多种因素，研究设计一种新型可靠的临时支撑体系，以
解决目前在实际工程建设中遇到的困难将有着十分重要的意义。
2 可拆卸的钢结构框架的组成构件
这种可拆卸的钢结构框架主要是由梁、柱、独立节点、高强度钢
丝、固定件或地面独立节点等几大部分组成，梁和柱都是由钢板和
钢管焊接形成的格构式桁架构成，梁的两端设置钢板，在钢板上有
安装孔，柱的两端也设置钢板，在钢板上也有安装孔，独立节点是
由钢板焊接而成的立方体，独立节点上也设有安装孔。（如图1）
3 可拆卸的钢结构框架的优点
这种可拆卸的钢结构框架主要有以下优点：（1）由于其各结构构
件是模块化的组装构件，所以结构构件加工简单方便，同时其采用
现场螺栓安装，使组装速度大大提高。（2）这种钢结构框架应用范
围广，作为临时支撑体系可在不同地面环境和外界环境下应用。（3）
组成这种钢结构框架中的梁、柱结构构件均有格构式桁架构成，与
实腹式钢结构框架相比重量大大减轻，从而便于安装和运输，且加
工成本也更为低廉。（4）在这种钢结构框架中独立节点可在各个方
向连接，可围成不同的框架结构，作为支撑体系可使其组成空间更
加灵活。
4 可拆卸的钢结构框架的具体实施方式
如图1所示，这种可拆卸的钢结构框架主要是通过梁、柱之间的
独立节点来把整个框架构件连接到一起而形成的。其中梁、柱都是
由钢管和钢板通过焊接而形成的格构式桁架结构，在梁和柱的两端
均设置钢板，钢板上加工有可供螺栓连接的安装孔。而独立的节点
则全部是由钢板焊接而成的方框，在独立节点每个面上也均有可供
螺栓连接的安装孔，在独立节点的底面其安装孔将会与柱顶面的安
装孔对齐，并用螺栓连接。独立节点的侧面安装孔将与梁两端的安
装孔对齐也用螺栓连接牢固。在独立节点的另一端则采用高强钢丝
与地面张拉固定。在整个桁架的底端，柱则通过固定件或独立节点
与地面紧密相连，选择各种法连接主要与地面基础条件有关。在柔
软的地面上主要采用固定件连接，这种固定件下部有带钩的栓钉，
栓钉可以深埋到柔软的地面内，固定件的上端有螺栓钉可与柱底部
的安装孔连接固定。当地面为刚性地面时主要采用地面独立节点进
行连接，其与上端独立节点一样，也是各面由钢板焊接而成的立方
体，其上下两端皆是由螺栓通过安装孔分别与柱底面和地面相连
接。
5 可拆卸的钢结构框架的类型与应用
在目前钢结构框架的应用主要是用作临时或永久性结构的支撑
体系，起到承受水平、垂直等各种荷载的作用。这种可拆卸的钢结
构框架由于其自身的特点，多数也应用在临时结构支撑体系。
可拆卸的钢结构框架主体主要是由钢管和钢板焊接而成，同时也
是由这些杆件来起到主要的受力支撑作用。然而根据支撑杆件的设
置方式的不同，支撑框架又可分为中心支撑框架、偏心支撑框架和
偏离中心支撑框架等几大类。
（1）中心支撑框架。中心支撑是最为常见的一种支撑类型。中
心支撑是指斜杆与横梁及柱汇交于一点，或两根斜杆与横梁汇交于
一点，或与柱汇交于一点，汇交时均无偏心距。同时根据斜杆的布
置位置不同，又可分为十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形（也称
k字形）支撑，以及v形支撑等。中心支撑的特点是具有较大的侧
向刚度和相对简单结构，对减小结构的水平位移和改善结构的内力
分布能起到很好的作用。但在水平地震荷载作用下，中心支撑容易
产生不利的侧向屈曲，尤其在多次往复的水平荷载作用下这种影响
就更加明显，特别是当结构的受力进入弹塑性状态时，会使其抗剪
能力和结构的抗侧刚度急剧下降，层间侧移大幅增加，最终导致结
构整体失稳破坏。因此，在地震区应用时应当慎重。目前为了减少
这种危害的发生，一般可以从以下几个方面来控制，一方面是通过
规范来严格控制使用此种结构的建筑的高度，另一方面，还可以通
过提高钢框架的抗侧能力来提高其安全性。
（2）偏心支撑框架。偏心支撑框架相对于中心框架发展的比较
晚，是相对比较新颖的一种支撑结构形式。1977年美国加州大学通
过1：3模型框架的试验，首次验证了偏心支撑钢框架出色的抗震
性能。随后在美国相继将偏心支撑框架用于一些高层建筑工程作为
抗侧力体系的一部分[1]。我国在这方面也做了一定的研究，但目
前在实际工程中应用尚不多。偏心支撑的主要特点是每一根支撑斜
杆的两端，至少有一端与梁不在柱节点处相连。这种支撑斜杆和柱
之间，或斜杆和斜杆之间就构成了一个耗能梁段。这种耗能梁段的
产生可以改变支撑斜杆与梁的先后屈服顺序，即在罕遇地震荷载作
用时，可以一方面通过耗能梁段的非弹性变形进行耗能，另一方面
使耗能梁段的剪切屈服首先发生，此时同跨的其余梁段并未屈服，
这种保护支撑斜杆不屈曲或屈曲在最后发生的方法，可以有效地保
持结构的抗震能力并相应地延长结构的抗震时间，并且还能起到节
约钢材的效果。偏心支撑框架种类也不较多，根据支撑斜杆形式的
不同，主要有d形、k形、v形和y形等几种形式。偏心支撑形式
的选用既要考虑结构受力的特点，更要考虑到建筑平面功能的需
要，所以在初步设计时，就应当进行多方案的优化，并在优化的基
础上作出初步选择，从而为施工图阶段的选择提供帮助。
（3）偏离中心支撑。偏离中心支撑框架是一种新型的抗侧力支
撑体系。偏离中心支撑框架是人为地将两根交叉支撑斜杆的交点偏
离对角线，产生一个预先设定的偏心率[2]。其支撑斜杆由不在同
一条直线上的两根斜杆支撑和拉杆组成。该结构体系的特点是一旦
承受水平荷载，其三根支撑杆便会同时受力；并且随着荷载的增加，
初始的几何尺寸将被改变， 从而形成一种全新的平衡。
这种支撑体一方面能够为建筑物的底层提供一个较为敞开的空
间，能够将支撑对底层建筑功能的影响降到最低的限度，另一方面，
它能有效的减小地震力对结构的破坏作用，在某种程度上讲，它起
到了一定的类似于基础隔震的作用。同时，由于材料的非线性性能，
使结构又具有良好的耗能性，但底层的侧移值也会相应地增加。因
此，在设计过程中应当格外注意应力应变效应对应用该支撑体系的
多层和高层建筑的影响。
参考文献
[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]管克俭，王新武，彭少民.钢框架体系的应用和支撑方法[j].
中国工程科学.2003.5.