高层钢结构的抗侧力体系研究综述
摘要：本文详细介绍了目前高层钢结构中的一些常用抗侧力体系：框架体系、中心支撑体系、偏心支撑体系、剪力墙及双重抗侧力体系，分析总结了它们各自的特点、所存在的问题及目前的研究现状。
关键词：钢结构，高层建筑、抗侧力体系、框架体系、支撑体系、剪力墙
1.前言
钢结构具有强度高、重量轻、结构性能好、工业化程度高、施工速度快及可回收重新利用等优点。因此，钢结构在工业与民用建筑中得到了越来越多的应用，特别是在多高层建筑钢结构在民用建筑应用中异军突起，使我国高层建筑高度和规模都上了新的台阶。高层建筑钢结构，最显著的特点就是高。它竖向荷载的作用是次要的，水平荷载的作用则成为主导地位。本文主要对抗侧力体系中的钢框架体系、中心支撑体系、偏心支撑体系和嵌入式墙板体系进行分析，总结它们的特点和研究状况。
2.各种抗侧力体系及特点
2.1钢框架结构体系
钢框架体系传力路线明确、刚度分布均匀、耗能好及延性大，是一种较为常见的抗侧力体系。它与混凝土框架结构体系一样，均属于柔性结构体系，受层间位移的限制。层间位移主要取决于梁柱刚度，因而在设计中起到控制作用的是结构的刚度。在侧向力作用下，节点域在非弹性变形阶段会引起很大的塑性变形，导致节点过早破坏，起不到节点耗能的作用。为了改善结构的抗侧能力，防止结构在罕遇地震作用倒塌，我国规范【10】提出了“强柱弱梁”的设计理念。这个抗震理念极大地改善了结构在罕遇地震作用下的抗震性能。
尽管钢框架结构有这么多的优点，但是它也有的致命弱点。钢框架结构的侧向刚度较小，在强烈地震作用下会产生较大的水平位移，致使其在高层建筑钢结构中的应用受到一定限制，一般不超过30层为宜。当房屋较高，在水平荷载作用下，结构侧移较大，采用纯框架体系影响正常使用，为了满足要求，往往采用超过承载力设计要求的梁、柱截面，框架梁柱的强度可能有“剩余”没有被充分利用，这是不经济的。所以，纯框架在风、地震荷载作用下，侧移不符合要求时，应该采用框架支撑结构体系。
2.2中心支撑体系
中心支撑结构体系是指在钢框架或钢排架体系中设置支撑构件，支撑的两端均位于梁、柱相交处(或至少一端位于梁、柱相交处)。支撑形式有十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形支撑或K形支撑以及V形支撑等类型，见下图1。若选用单斜杆支撑，宜在相应柱间形成对称布置。作为竖向桁架的斜杆支撑主要承担由钢框架传来的侧向作用引起的剪力表现为弯曲型变形，框架为剪切型变形，二者变形相互协调，互为补充。
中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单。在实际工程应用中较为常用的中心支撑是人字形支撑和交叉斜杆支撑。一般地说，人字形支撑结构传力明确，在一定的使用范围内，如在常用的楼层高跨比(0.3-0.6)范围内和相同的楼层抗剪强度下，人字形支撑更为经济。但在地震作用下，人字形支撑塑性性能较差。试验研究表明，在循环荷载作用下，当人字形支撑的横梁刚度较低时，一旦支撑达到极限受力状态，结构的水平承载能力随即大幅下降，通常仅为原来的40%左右。国外研究将人字支撑框架按照横梁的刚度和承载能力分为弱梁支撑框架和强梁支撑框架两大类。对于弱梁支撑框架仅要求梁在支撑杆件屈曲之前拥有足够的承载能力，不考虑在支撑杆屈曲之后梁由于抗弯能力不足导致楼层刚度和承载能力的退化，造成过大的层间侧移并最终导致支撑框架的失稳。这种支撑框架在地震区仅用于四层及以下的钢结构建筑。而强梁支撑框架则要求框架梁在支撑杆屈曲之后具有足够的强度以承担上部竖向荷载和支撑杆屈曲之后传来的荷载，在地震区最高可用于10~12层的钢结构建筑。
图1
与钢框架结构体系相比，框架—中心支撑结构体系在多遇地震作用下及弹性变形范围内具有较大的刚度，很容易满足规范对结构物层间位移的限值要求。但是，在强震作用下，中心支撑特别是K形支撑易发生屈曲，导致整个结构体系的承裁力、耗能能力下降，并引起较大的侧向变形。这种结构体系不宜在强地震区应用。
2.3偏心支撑
偏心支撑框架是近年发展起来的一种支撑结构形式。在偏心支撑结构体系中，偏心支撑是指在钢框架结构体系中至少设置在一端与梁连接另一端连接在梁与柱相交处或在偏离另一支撑的连接点与梁连接，并在支撑与支撑之间形成耗能梁段。其主要形式见下图2(其中e为耗能梁段的长度)。偏心支撑与中心支撑的主要区别——耗能梁段，能在正常使用条件或多遇地震作用下保持在弹性变形阶段;在强震作用下，通过其塑性变形产生塑性铰来消耗地震能量，以保证支撑不发生弯曲。
(a)(b)(c)
图2
正是由于耗能梁段的存在，偏心支撑结构体系才能使其强度刚度充分发挥，才能使其耗能能力增强，大为提高了该结构体系的协调工作能力，兼有中心支撑结构体系及钢框架结构体系的优点。因此，对于偏心支撑体系，耗能梁段的设计是最关键的环节。设计时，应当使耗能梁段的强度低于其他杆件，耗能梁段所采用的材料必须具有较好的延性以适应该梁段工作时产生的弹塑性变形，便于充分发挥耗能梁段的极限强度和延性。这样耗能梁段的材料及构造，决定了耗能梁段的耗能好坏，对偏心支撑钢框架的性能有很大影响因此对于耗能梁段的设计应该充分重视。
由于偏心支撑钢框架强度高、刚度大、延性好、耗能多，在大震作用下，偏心支撑框架的构件内力和节点位移都比相同情况下的中心支撑框架小。同时耗能段先于框架梁柱和支撑先屈服，利用非弹性变形消耗地震能量，增加结构延性，减小了结构的内力和侧移，保证了结构的安全。在地震烈度较高的地区，偏心支撑框架比中心支撑框架更优越，既可以节约材料，又可以调整房屋的变形能力和动力持性，具有较强的稳定性。因此可以说，具有耗能梁段的偏心支撑框架兼顾了抗弯框架和中心支撑框架的优点。
2.4内藏钢板支撑剪力墙
内藏钢板支撑剪力墙是以钢板为基本支撑，外包钢筋混凝土墙板的预制构件。它只在支撑节点处与钢框架相连，混凝土墙板与框架梁柱间留有间隙，因而实际上仍是一种支撑。其支撑形式包括人字形支撑、交叉支撑或单斜杆支撑，见下图。对于内藏钢板支撑，按其与框架的连接，可做成中心支撑，亦可做成偏心支撑。但在高烈度地区宜用偏心支撑。
图3
内藏钢板支撑剪力墙这种抗侧力体系，一方面内藏钢板支撑剪力墙中的钢板支撑在节点处与框架相连，剪力墙的周围与框架间留有空隙，框架只是通过节点直接将作用力传给内藏钢板支撑，在节点处附近内藏钢板支撑剪力墙只表现出内藏钢板的刚度，该刚度远小于受约束区的刚度，这样提高了节点变形能力。另一方面，因无约束的内藏钢板支撑区段很小，并且在约束区段外包的钢筋混凝土剪力墙可以有效地约束内藏钢板支撑，相对于单纯的钢板支撑来说其刚度大为增加，也大为提高内藏支撑的抗屈曲能力，进而大大提高钢板支撑抵抗水平反复荷载作用的能力。因此，能与钢框架协调工作，能极大的改善结构体系的抗震性能。即使在大震作用下，结构变形很大，内藏钢板支撑剪力墙与四周框架梁柱间的空隙闭合，此时，钢筋混凝土剪力墙直接承担水平荷载作用。这样又可以提高整体结构的极限承载能力，对于保证结构的“大震不倒”提供了一定的安全储备。因此，内藏钢板支撑剪力墙是综合了钢框架支撑体系和钢筋混凝土剪力墙抗侧力体系的优点。一些试验资料表明，在地震作用下人字形支撑受力性能好、并且刚度大、延性大及耗能强(耗能系数为0.7以上)，宜优先选用这种支撑形式。
通过对人字形支撑的有限元分析：在弹性阶段范围内，内藏支撑钢板的轴向应变远比单纯钢板支撑小，通过对轴向应变进行积分，由此得出的等效刚度是钢板支撑的3倍多，比《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)附录五中公式的大，说明外包混凝土能够大大提高内藏钢板支撑的刚度，内藏钢板支撑剪力墙的端部受力较大，应力易集中其破坏往往从这里开始。试验资料也充分表明了这一点，故应加强支撑端部的构造措施，提高结构的承载能力内藏钢板支撑剪力墙结构的承载能力。
内藏钢板支撑剪力墙结构体系虽然在现有的工程中应用不多，但是其抗震性能好、造价低(可兼做围护结构)，并且施工速度快(预制构件)，有很大的发展空间。在多高层建筑钢结构中，作为柔性结构的钢框架抗侧力体系由于刚度小、中心支撑体系因耗能能力弱，在工程应用中受到限制，而偏心支撑抗侧力体系，具有钢框架体系和中心支撑体系，得到了广泛应用。内藏钢板支撑剪力墙这种抗侧力体系，由于外包钢筋混凝土对内藏钢板支撑的约束作用，增强了内藏钢板支撑的抗屈曲能力，不仅具有偏心支撑的结构性能，而且具有钢筋混凝土剪力墙的受力特点，这是一种很有发展潜力的抗侧力体系，应当给予充分重视。随着科技发展和耗能装置的出现，目前，把耗能装置与钢框架—支撑抗侧力体系结合起来形成了一种复合耗能的支撑。这种复合支撑大大改善了前述支撑体系的耗能，有着广阔的发展前景。
2.4钢板剪力墙
钢板剪力墙(SteelPlateShearWall简称SPSW)由内嵌钢板和梁柱边框组成，内嵌钢板只承担沿框架梁、柱传递的剪力，而不承担结构的竖向荷载。如果钢板墙沿着建筑物的高度方向连续布置，在水平荷载作用下，其受力情况跟垂直固接在地面上的悬臂梁的腹板十分相似;在框架—钢板墙结果中，框架相当于悬臂梁的翼缘，剪力墙相当于悬臂梁的腹板，而框架梁则相当于悬臂梁腹板的横向加劲肋，见下图4。
图四
对钢板剪力墙的研究缘于对梁腹板的研究。虽然薄板在较低的荷载下就发生了分岔屈曲，但薄板的屈曲并不意味着板失去了继续承受更大荷载的能力，材料性能仍可继续得到发挥。钢板剪力墙的种类很多，根据不同的指标，可以有以下六种分类。它们分别为：(1)薄钢板墙和厚钢板墙;(2)加劲和非加劲钢板墙;(3)开缝钢板墙;(4)螺栓连接和焊接钢板墙;(5)低屈服点钢板墙;(6)防屈曲耗能钢板墙。其中防屈曲耗能钢板墙是一种新的钢板剪力墙形式，即防屈曲耗能钢板剪力墙，其构成由内嵌钢板和前后两侧混凝土盖板组成，内嵌钢板采用低屈服点高延性钢材或高强度高延性钢材，与边缘梁柱构件采用螺栓或焊接连接，与前后表面的混凝土盖板紧密贴合;混凝土盖板与边缘梁柱构件留有一定的间隙，保证内嵌钢板在工作时混凝土盖板不与边缘构件接触，避免受到挤压破坏;内嵌钢板与混凝土盖板之间通过穿透三块板的普通螺栓或预应力高强度螺栓连接，在混凝土盖板上开椭圆型孔，以便螺栓有足够的滑移空间;连接螺栓的位置及分布根据内嵌钢板的面内变形及混凝土盖板的约束刚度确定，保证内嵌钢板在混凝土盖板的面外约束作用下，二者不发生面外局部失稳及整体失稳。混凝土盖板对钢板提供面外约束;内嵌钢板提供面内刚度，在大震作用下发挥耗能作用。防屈曲耗能钢板剪力墙的最大优点是由于其防屈曲功能，钢板在面内有较大的刚度，同时在大震作用下钢板有非常饱满的滞回性能，其耗能效果发挥到了极致。防屈曲耗能钢板剪力墙概念的提出，对高层结构抗侧能力的贡献及钢板墙的消能减震，达到了完美的统一。
2.5带竖缝混凝土剪力墙
钢框架内嵌带竖缝钢筋混凝土剪力墙，是抗震结构采用的一种抗侧力结构体系。由于设置了竖缝，剪力墙的抗侧刚度大大减弱，克服了现浇整体剪力墙整体抗侧刚度大，吸收地震力大的缺点。缝间墙是高跨比约等于2的压弯剪钢筋混凝土构件，在地震作用下，缝间墙产生大量的细微斜裂缝，开裂后产生的混凝土体积膨胀使竖缝剪力墙产生压力，限制了裂缝宽度的发展，因此竖缝剪力墙克服了整体现浇剪力墙在地震作用下裂缝开展集中，裂缝宽度大，破坏部位集中，耗能能力差，延性差的缺点。我国《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)在附录六给出了竖缝剪力墙的设计方法。在内力分析方面，该规程在第5.1.7条指出，装配嵌入式剪力墙，可按照相同水平力作用下侧移相同的原则将其折算成等效支撑或等效剪切板计算。
钢框架内嵌竖缝剪力墙的层间抗侧刚度，在结构变形初期主要由混凝土部分提供，试验表明，缝间墙裂缝开展均匀，说明各部分混凝土及其内配的钢筋受力均匀，能够发挥各部分的耗能和为结构提供阻尼的作用。由于裂缝分布广，且剪力墙和钢框架柱之间留有缝隙，因此层间变形能力大，延性较好。当结构变形较大时，混凝土部分刚度减弱，钢框架抵抗地震作用的份量增大，因此具有很好延性的钢框架是抗震的第二道防线。在罕遇地震作用下产生很大侧移时，剪力墙的对角线的两个角部和钢框架柱翼缘接触，使得混凝土在对角线方向产生斜压，和钢框架一起为整体结构提供了确保大震不倒所需要的后期抗侧刚度。但是，大多数文献中的试件都是单层的无框竖缝剪力墙，多层带框的带竖缝剪力墙在侧向荷载作用下的工作性能到底如何，目前还缺乏试验验证。
4.总结
本文详细介绍了各种钢结构抗侧力体系的特点、适用范围、所遇到的问题及最新研究现状，钢框架支撑结构体系作为一种高效的抗侧力体系，能够显著地改善结构的抗侧刚度和抗震性能。在实际工程应用中，可根据结构受力和建筑功能的需要，在一个工程中选用一种或多种抗侧力结构型式。它作为一种较为新颖的高层结构体系，由于其自身具有优良的结构力学性能和较高的经济性，有广阔的应用前景。特别是偏心支撑、钢板剪力墙、带竖缝混凝土剪力墙和内藏钢板剪力墙等新型的抗侧力构件，应该合理利用，充分发挥其抗震性能好的特点，同时增强经济性。但抗侧力体系的研究尚处于发展阶段，有诸多的问题没有解决限制了它的全面发展，所以，在研究人员的面前尚有很长的路要走，但未来的抗侧力体系必将有一片属于它的天空。
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