高楼结构塑性变形示意图

地震调查资料指出，强烈地震作用下，轴交支撑中的长细比大于50的支撑斜杆，常发生压曲甚至断裂。说明，8度以上抗震设防的结构，不宜再采用轴交支撑，而应改用偏交支撑。

1.偏交支撑的构件特性

图5-15 跨层偏交支撑

（1）偏交支撑（或称偏心支撑）的特征是：支撑斜杆与梁、柱的轴线不是交汇于一点，而是偏离一段距离，形成一个先于支撑斜杆屈服的“消能梁段”，偏交支撑框架的每根斜杆应至少有一端与框架横梁连接，并在斜杆与梁交点至柱之间，或至同一跨内另一斜杆与梁交点之间，形成“消能梁段”。

（2）偏交支撑有以下几种类型：①单斜杆的一端或两端形成“消能梁段”（图5-16a）；②八字形支撑上端形成“消能梁段”（图5-16b）；③人字形支撑上端形成竖向“消能杆段”（图5-16c）；④X形支撑中心节点形成一个“消能板域”（图5-16d）或水平“消能杆段”（图5-10e）；⑤X形支撑中心节点采用弯曲型“消能内框”（图5-16f）。

（3）设计偏交支撑时，应使斜杆受压承载力不小于消能梁段达到屈服强度时斜杆轴力的1.6倍。遭遇强烈地震时，斜杆因受到消能梁段先行屈服及其塑性变形的保护，能始终保持平直状态，避免了反复压曲、拉伸引起的刚度退化和强度劣化，而且提高了支撑乃至整个结构的延性。试验结果表明，消能梁段钢材受剪屈服后经过塑性应变硬化的极限受剪承载力，约为其屈服受剪承载力的1.6倍。

图5-16 几种偏心支撑一个节间的构造示意

（4）强烈地震作用下，框-撑体系将越过弹性阶段，进入塑性变形阶段，偏交支撑的塑性变形，主要发生在各个消能梁段。几种偏交支撑的变形状态如图5-17所示。

图5-17 强烈地震作用下偏交支撑的变形状态

（5）对图5-18所示的40层楼房的偏交支撑框架，采用峰值加速度为0.5g的El Centro（1940）地震波进行地震反应分析，计算出的结构顶点侧移时程曲线，在第6s时刻的最大值为973mm。据此计算，在超过9度的强烈地震作用下，结构顶点侧移角仅为1/163，表明偏交支撑同样具有较强的抗推刚度。

2.偏交支撑的布置要求

（1）高层建筑钢结构中的偏交支撑（或称偏心支撑），有以下五种形式：①八字形支撑（图5-19a）；②单斜杆支撑（图5-19b）；③A形支撑（图5-19c）；④人字形支撑（图5-19d）；⑤V形支撑（图5-19e）。与八字形支撑相比较，A形、V形支撑因每层横梁均多一个消能梁段而具有更大的耗能容量。

（2）支撑的每根斜杆，应至少有一端与框架横梁相连，而且使斜杆轴线与横梁轴线的交点，偏离梁、柱轴线交点或另一斜杆轴线与横梁轴线交点一段距离，形成消能梁段（图5-19中用双细线表示的梁段）。

图5-18 采用钢结构偏交支撑框架的40层楼房

图5-19 偏交支撑的五种形式

a）八字形支撑 b）单斜杆支撑 c）A形支撑 d）人字形支撑 e）V形支撑

（3）每根斜杆只能在一端与消能梁段相连。倘若斜杆的两端均与消能梁段相连，地震时一端的消能梁段屈服时，而另一端的消能梁段可能不屈服，从而降低支撑的承载力和耗能容量。

（4）为使偏交支撑框架具有较大的抗推刚度，并使消能梁段能承受较大剪力，一般宜采用较短的消能梁段。当采用A形或V形支撑时，消能梁段长度a可取0.15L，L是支撑所在跨的框架梁长度。支撑斜杆的倾角通常取35°～50°，过小，就会使消能梁段的轴力增大，节点构造复杂。

（5）总层数超过12层的8、9度抗震设防钢结构宜采用偏交支撑框架，但顶层框架梁可不设置消能梁段，即在顶层改用轴交支撑。此外，当结构底层的弹性承载力等于或大于其余各层承载力的1.5倍时，底层也可采用轴交支撑。

（6）沿竖向连续布置的偏交支撑，在结构底层宜改用轴交支撑；在地下室则宜改成剪力墙的形式延伸至基础，若竖向钢支撑埋置于钢筋混凝土墙体内，其杆件不再验算受压稳定性承载力。

3.偏交支撑的性能

（1）偏交支撑，处于弹性阶段时的抗推刚度（侧向刚度），接近于轴交支撑，进入弹塑性阶段时，其延性和消能能力则接近于延性框架，是一种耐震性能十分良好的抗震构件。

（2）偏交支撑的设计原则是：强柱、强斜杆、弱消能梁段。强烈地震时，通过较弱的消能梁段的先行屈服和塑性变形，来消耗输入结构的地震能量，并保持支撑斜杆不屈曲，从而具有稳定的滞回性能；即使当消能梁段屈服并进入应变硬化阶段，支撑斜杆、框架柱和横梁其余梁段仍能保持在弹性工作阶段。图5-20给出两种偏交支撑框架的塑性变形机构。

图5-20 偏交支撑框架的塑性变形机构

（3）偏交支撑框架的抗推刚度，主要取决于消能梁段长度与所在跨框架梁长度的比值。随着消能梁段变短，其刚度将趋近于轴交支撑框架；相反，随着消能梁段的加长，偏交支撑框架的抗推刚度逐渐减小，以至接近于纯框架。

4.偏交支撑的构造要求

（1）框架梁

1）为使消能梁段具有良好的延性和耗能能力，偏交支撑框架中含有消能梁段的横梁，应采用Q235钢或Q345钢，使其屈服强度不高于345MPa。

2）与偏交支撑消能梁段同一跨度的框架梁，同样承受着较大的轴力和弯矩，为了确保这类横梁的稳定，其上、下翼缘均应设置水平的侧向支承，其间距不应大于，横梁在侧向支承点之间的长细比λ_y，应符合第1章表1-1的规定。

3）消能梁段及与消能梁段同一跨内的框架梁（非消能梁段），其板件的宽厚比不应大于表5-3所规定的限值，以保证框架横梁在消能梁段屈服时的整体稳定。

表5-3 设置偏交支撑的框架梁的板件宽厚比限值

注：1.A、N分别为偏交支撑框架梁的截面面积和轴力设计值，f为钢材的抗压强度设计值。

2.表列数值适用于Q235钢，当材料为其他钢号时，应乘以，其中f_ay为钢材的屈服强度。

（2）支撑斜杆截面

1）支撑斜杆宜采用轧制宽翼缘H型钢或圆形、矩形焊接钢管。

2）支撑斜杆采用焊接H形截面时，其翼缘与腹板的拼装连接宜采用全熔透连续焊缝。

3）支撑斜杆的杆件长细比不应大于。

4）偏交支撑斜杆（图5-14）的板件宽厚比，不应超过现行国家标准GB 50017—2003《钢结构设计规范》规定的轴心受压构件按弹性设计时的板件宽厚比限值，也不应超过表5-2的规定。

（3）支撑斜杆的连接

1）为使支撑斜杆能承受消能梁段的端部弯矩，支撑斜杆与横梁的连接应设计成刚接。

2）支撑斜杆轴线与框架梁轴线的交点，应位于消能梁段的端点（图5-21a）；也可位于消能梁段内部（图5-21b），此种情况将产生与消能梁段端部弯矩方向相反的附加弯矩，从而减小梁段和支撑斜杆的弯矩，对抗震有利。但交点不应位于消能梁段以外，因为它将加大支撑斜杆和消能梁段的弯矩，不利于抗震。

3）支撑斜杆的拼接接头以及斜杆与框架梁的连接节点，均应采用高强度螺栓摩擦型连接。必要时也可采用焊接，但应采用全熔透对接焊缝。

4）支撑斜杆可采用全熔透坡口焊缝直接与框架梁连接（图5-21b），也可以通过节点板与框架梁连接（图5-21a）。前一连接构造具有传递弯矩的能力，后一做法适用于矩形钢管斜杆。

5）当支撑斜杆与框架梁的连接采用节点板时，应注意将连接部位置于消能梁段范围以外，以免节点板的局部加强影响到消能梁段的屈服性能。此外，考虑到消能梁段的剪力很大，节点板靠近梁段的一侧应加焊一块边缘加劲板（图5-21a），以防节点板屈曲。

图5-21 支撑斜杆轴线与框架梁轴线交点的位置

a）交点在消能梁段端点 b）交点在消能梁段内部

5.偏交支撑消能梁段的设计要求

消能梁段是指：在偏交支撑框架中，斜杆与梁交点至柱面的一段梁，或同一跨内相邻两根斜杆与梁交点之间的一段梁（图5-19中用双细线表示的一段梁）。地震作用下，消能梁段将承受很大的均布剪力、较大的杆端弯矩和较小的轴力，地震时它首先屈服，确保支撑斜杆、梁的其余区段和支撑框架其他部位仍处于弹性受力状态。

（1）消能梁段的屈服类型和净长度

1）消能梁段的消能方式与其长度密切相关，取出图5-21a中的消能梁段作为分离体，它的两端作用有剪力V和弯矩M，则有M＝V·a/2，反弯点在跨中。如果弯矩M达到全塑性值M_pf_ay，同时，剪力V达到其屈服剪力V_l＝0.58A_wf_ay，则相应的消能梁段长度将等于a＝2M_lp/V_l。若a小于此数值，则梁段剪力达到全屈服值V_l时，梁段弯矩将小于全屈服值M_lp。实际上，当梁段腹板受剪屈服时，梁段的全塑性弯矩将小于M_lp。根据试验资料，当a≤1.6M_lp/V_l时，梁段单纯受剪屈服。

①当消能梁段的净长度a≤1.6M_lp/V_l时，称为“短梁段”，剪力很大，两端弯矩值相对较小，梁段在其端部尚未弯曲屈服之前即发生剪切屈服，梁段的非弹性变形主要是剪切变形，因而属于“剪切屈服型”。

②当净长度a＞2.6M_lp/V_l时，称为“长梁段”，两端弯矩值相对较大，梁段在尚未剪切屈服之前即发生弯曲屈服，梁段的非弹性变形主要是弯曲变形，因而属于“弯曲屈服型”。式中M_lp和V_l分别为消能梁段的全截面塑性受弯承载力和屈服受剪承载力。(www.xing528.com)

③当消能梁段的净长度介于上述两种情况之间时，称为“中长梁段”。剪切变形和弯曲变形在其非弹性变形中各占较大比重，因而属“剪弯屈服型”。

2）偏交支撑框架的各个消能梁段宜设计成“剪切屈服型”；与柱相连的消能梁段则必须设计成“剪切屈服型”，而不能设计成“弯曲屈服型”，以免在与支撑斜杆相连的柱段产生附加弯矩。

3）试验研究表明，“剪切屈服型”消能梁段对偏交支撑框架抵抗大震特别有利。一方面它使偏交支撑框架的弹性刚度接近于轴交支撑框架；另一方面，它的消能容量和滞回性能又优于“弯曲屈服型”消能梁段。

4）剪切型消能梁段的净长度a最好不超过1.3M_lp/V_l；但也不能太短，过短，则消能梁段的塑性变形角很大，有可能导致消能梁段过早的塑性破坏。一般而言，消能梁段的长度可取框架梁净长度的0.1～0.15倍。

5）消能梁段的轴向力，主要由支撑斜杆轴力的水平分量产生。当此轴力较大时，为保证消能梁段在往复荷载作用下具有良好的滞回性能，除适当降低此梁段的受剪承载力外，还需适当减小该梁段的长度。

6）GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》第8.5.3条规定：当消能梁段承受的轴力N＞0.16Af时，消能梁段的净长度a应符合下列规定：

ρ＝N/V

当ρ（A_w/A）＜0.3时，

当ρ（A_w/A）≥0.3时，

式中 N、V——消能梁段承受的轴向力和剪力设计值；

ρ——消能梁段轴力设计值与剪力设计值的比值；

A、A_w——消能梁段的截面面积和腹板截面面积。

（2）消能梁段的截面尺寸

1）消能梁段的截面尺寸，宜与同一跨度框架梁的截面尺寸相同。

2）消能梁段截面尺寸的选定要适度。为确保偏交支撑地震时不失效，偏交支撑框架的设计要求是：斜杆、梁、柱等杆件的弹性承载力均应大于消能梁段的屈服承载力（含塑性应变硬化）。如果消能梁段的腹板截面尺寸定的过大，就会导致其他杆件截面一连串地加大，造成不经济。因此，消能梁段的截面尺寸应该根据偏交支撑抗侧力所需的最小腹板受剪面积及相应的可能最大截面高度（有利于实现梁段的剪切屈服）来确定，并使腹板高厚比和翼缘宽厚比符合表5-3的规定。

3）试验表明，腹板上加焊的贴板不能同步进入弹塑性变形阶段，所以，不能采取在腹板上贴焊补强板的办法来提高梁段的受剪承载力。

4）消能梁段的腹板上不得开洞，因为它会显著降低腹板的弹塑性变形能力。

（3）消能梁段的加劲肋

1）端部加劲肋

①消能梁段与支撑斜杆的连接处，应在梁腹板的两侧配置横向加劲肋（图5-22），以传递梁段的剪力，并防止梁段腹板屈曲。

②加劲肋的高度等于梁腹板的高度，每侧加劲肋的宽度不应小于（b_f/2-t_w）。

③加劲肋的厚度不应小于0.75t_w，且不应小于10mm。

图5-22 八字形偏交支撑斜杆与框架梁消能梁段的连接

2）中间加劲肋

①消能梁段腹板的中间加劲肋的配置，应按梁段的长度区别对待。对于较短的“剪切屈服型”梁段，中间加劲肋的间距应该小一些；对于较长的“弯曲屈服型”梁段，需要在距梁段两端各1.5倍翼缘宽度处配置加劲肋；对于中长的“剪弯屈服型”梁段，中间加肋劲的配置，则需同时满足对剪切屈服型和弯曲屈服型梁段的要求。

②腹板屈曲会显著降低梁的非弹性往复抗剪能力。为防止腹板过早地因受剪屈曲和反复屈曲变形导致消能梁段刚度退化和强度劣化，使腹板在地震全过程中均能充分发挥其抗剪能力，消能梁段应按表5-4的要求配置中间加劲肋（图5-23）。

表5-4 消能梁段中间加劲肋的配置要求

注：1.V_l、M_lp为消能梁段的受剪承载力和全塑性受弯承载力。

2.b_f、h、t_w为消能梁段的翼缘宽度、截面高度和腹板厚度。

③当消能梁段的截面高度h≤640mm时，可仅在腹板一侧配置单侧加劲肋；当h＞640mm时，应在腹板两侧配置加劲肋，每侧加劲肋的宽度不应小于b_f/2-t_w。

④中间加劲肋的高度等于消能梁段的腹板高度，厚度不应小于t_w和10mm。

3）加劲肋的连接

①横向（端部、中间）加劲肋与消能梁段上、下翼缘和腹板的连接，应沿其三边采取双面角焊缝进行三边围焊。

②加劲肋与腹板连接焊缝的承载力不应低于A_stf。

③加劲肋与翼缘连接焊缝的承载力不应低于0.25A_stf。

A_st＝b_stt_st

式中b_st、t_st——分别为一侧加劲肋的宽度和厚度。

（4）消能梁段与柱的连接

1）与柱相连的消能梁段，其净长度a不应大于1.6M_lp/V_l。

2）当消能梁段与柱翼缘连接时（图5-23），梁翼缘与柱翼缘之间应采用坡口全熔透对接焊缝；梁腹板与连接板之间及连接板与柱翼缘之间应采用角焊缝连接，角焊缝的承载力不得小于消能梁段腹板的轴向屈服承载力、屈服受剪承载力和塑性受弯承载力。

3）消能梁段不宜直接与H形柱的腹板相连接，必须采用这种连接方式时，梁翼缘与柱上连接板之间应采用坡口全熔透焊缝，梁腹板与柱之间应采用角焊缝连接，角焊缝的承载力应分别不小于消能梁段腹板的轴向屈服承载力、屈服受剪承载力和塑性受弯承载力。

图5-23 偏交支撑斜杆与框架梁的连接及消能梁段的中间加劲肋

a）方管截面支撑斜杆 b）H形截面支撑斜杆

（5）消能梁段侧向支撑

1）为确保消能梁段及支撑斜杆的侧向稳定，防止其侧向弯扭屈曲，一般情况下，楼板不能视作侧向支承，消能梁段两端的上、下翼缘，均应设置隅撑，即水平侧向支撑（图5-24）。当梁上翼缘与楼板固定但不能表明梁下翼缘侧向固定时，梁的下翼缘处仍需设置水平侧向支撑。

图5-24 偏交支撑横梁消能梁段端部的侧向支撑

a）上翼缘隅撑 b）下翼缘隅撑

2）为了不妨碍地震时消能梁段端部所产生的较大竖向位移，侧向支撑（隅撑）宜设置在梁的一侧。

3）与消能梁段位于同一跨度的框架梁，同样承受着较大轴力和弯矩，为保持其侧向稳定，其上、下翼缘也应设置水平侧向支撑，其间距不应超过，b_f为梁的上翼缘或下翼缘的宽度。支撑横梁在侧向支承点之间的长细比λ_y，还应符合第1章表1-1的规定。

4）偏交支撑横梁的非消能梁段，当其侧向支承点的间距大于时，可利用钢次梁作为框架梁上、下翼缘的侧向支撑。当次梁截面高度小于主梁截面高度一半，即h_b＜H_B/2时，可采取在次梁竖向平面内设置角撑的做法（图5-25a）；当h_b≥H_B/2时，可采取在次梁竖向平面内加宽连接板的做法（图5-25b）。

图5-25 偏交支撑横梁非消能梁段端部的侧向支撑

a）h_b＜H_B/2时 b）h_b≥H_B/2时