竖向支撑力学特性-高楼钢结构体系与工程实例

1.轴力杆系

由水平杆件、竖向杆件和斜向杆件共同组成的几何不变的三角形杆系的构架，称为轴力杆系构件。所谓轴力杆系构件，是指三角形杆系构件不论是在水平荷载还是竖向荷载作用下，所有杆件均仅承受轴向拉力或轴向压力，而不会产生垂直于杆轴方向的剪力和弯矩。

图5-4 几何不变的轴力杆系构件

a）桁架 b）支撑

在水平位置立放，用以承担竖向荷载的轴力杆系构件，称为桁架（图5-4a）。沿高度方向设置，用以承担水平荷载的轴力杆系构件，称为竖向支撑，简称支撑（图5-4b）。

2.支撑的侧移曲线

支撑在水平荷载作用下所产生的侧移，主要是由于其中各杆件的轴向拉伸或轴向压缩变形引起的（图5-5a）；与框架侧移是由杆件弯、剪变形所引起的情况相比较，其量值要小得多，表明竖向支撑的抗推刚度要比框架大得多。此外，由于杆件的轴向承载力远大于其弯、剪承载力，所以，在水平荷载作用下，竖向支撑又有着比框架大得多的水平承载力。

从图5-5可以看出，支撑侧移主要是由水平荷载倾覆力矩使支撑整体弯曲产生的，支撑的一侧拉伸、一侧压缩，导致楼面的倾斜转动，由下到上逐层积累，使支撑侧移曲线的层间侧移角θ（θ＝δ/h），由下而上逐层增大（图5-5b），整个侧移曲线呈现出弯曲型抗侧力构件的变形状态（图2-18a）。

3.支撑变形特点

取出竖向支撑的一个节间来分析，水平荷载作用下竖向支撑的侧移Δ（图5-6a）由两部分组成：

（1）在倾覆力矩M_i作用下，竖向支撑整体弯曲所产生的侧移Δ_b（图5-6b）。

图5-5 竖向支撑的侧移曲线

a）杆件变形状态 b）支撑侧移曲线

（2）在水平剪力V_i作用下，竖向支撑整体受剪所产生的侧移Δ_s（图5-6c）。

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图5-6 竖向支撑一个节间的侧向变形

a）支撑侧移 b）整体弯曲变形 c）整体剪切变形

与框架体系不同，高层建筑竖向支撑的侧移Δ（图5-7a），以弯曲型侧移分量Δ_b（图5-7b）为主，剪切型侧移分量Δ_s（图5-7c）所占比例较小。所以，竖向支撑基本上属于弯曲型抗侧力构件。

4.支撑的帽桁架

于框架的一个跨间内设置的单片竖向支撑，在侧力作用下的受力状态类似于悬臂杆（图5-7）。以24层、高84m的楼房为例，在同一轴线上两个分开的跨间内各设置一片竖向支撑（图5-8a），由于连接两片竖向支撑的各层横梁，相对于支撑而言，其竖向抗弯刚度甚小，其作用近似于两端铰接的连杆，因而两片支撑均独自受力，其受力状态和侧移曲线均接近于图5-7所示的单片支撑。

图5-7 侧力作用下竖向支撑的侧移分量

a）支撑的侧移 b）弯曲侧移分量 c）剪切侧移分量

若在上述两片支撑的顶部用帽桁架连接（图5-8b），由于帽桁架的较大竖向抗弯刚度，将原来的悬臂杆转换为单层刚架，抗推刚度显著增大，结构顶点侧移由原来的218mm减小为173mm，减幅达21%，见表5-1、图5-9。

图5-8 竖向支撑的布置

a）两片独立支撑 b）增设帽桁架

图5-9 两种支撑布置方案的侧移曲线

表5-1 水平荷载下24层楼房两种支撑布置方案的侧移值