技术干货框架结构PK框撑结构

图说框架结构(Moment/Rigid Frame)和框撑结构(Braced Frame)的本质区别

10多年前，我在某外企工程公司任职，结构工程师的主要工作是搞搞结构计算，基本是不画图的，有专门的详图工程师负责详图绘制工作。

当时有内部培训， 其中一 位详图工程师提出的问题 是 ： “为什么 有的钢结构 加斜撑， 有的不加斜撑， 什么时候在哪里加斜撑？ ”

这个问题听起来很简单，就用软件做了个很简单的单跨多层的纯框架模型，然后把这个模型复制到旁边并增加了几道斜撑，几秒钟，软件就给出了变形图（如 图  1 ）。

很显然，加斜撑是为了增加框架的侧向刚度，或者说，如果不加斜撑的话，那就得加大梁柱的截面或者加大柱距来减少顶点水平位移，这会导致用钢量比加斜撑要高，或者不被允许（因为空间有限，柱距不能随便加大）。

这种培训在相邻的两天进行了两次，因为是当场信手建得模型，这两次的模型的层数、跨度、梁、柱、撑的截面也是随机选取的。第二天我发现，当天的模型的 “无斜撑框架顶点水平位移/有斜撑框架顶点水平位移”这个比值，跟第一天的比值，不太一样。

 

图   1    纯框架结构和框撑结构在顶点水平力下的变形比较  

也就是说，要想定量的回答这个问题，其实不简单。

于是我翻出结构力学书，从单层的无斜撑和有斜撑的模型开始对比，然后推演到多层情况，用了两章共 80来页，总算能把这个问题比较完整地进行定量解答了。此后，对英文里的Rigid/Moment frame和Braced Frame这两种叫法也有了较为深刻的认识。现在大家的时间都很宝贵，很少有人有耐心把这80页看完。这里试着压缩一下，来阐述这两种结构的本质区别。

 

图   2    单层单跨纯框架结构和框撑结构（计算简图）

 

图   3    单层单跨纯框架结构和框撑结构（三维实体图）

 

试着把我的前同事的问题分解成如下几个问题：

1)  上图（ 图  3 ）尺寸的单层单跨纯框架结构和框撑结构，假设柱子是 HN300x150，横梁是HN200x100，斜撑是Φ 140x6的圆钢管 ,横梁与柱子的腹板刚接，在相同的顶点水平力下，纯框架结构的顶点水平位移是框撑结构顶点水平位移的多少倍？

2)  把上图的两个结构的柱子转 90度，即梁跟柱子的翼缘刚接，那么无斜撑框架的顶点水平位移会变化很大吗？有斜撑框架的顶点水平位移会变化很大吗？

3)  将有斜撑框架结构的柱脚和梁柱连接都改为铰接，其顶点水平位移会有很大变化吗？

 

随便用一款结构软件跑一下，可以很快得到上述问题的答案：

1)  图  2 的纯框架结构的顶点水平位移是带斜撑框架顶点水平位移的 28.545/0.162= 176倍 ；看来斜撑对降低顶点水平位移的贡献是相当可观的。

2)  柱子摆放角度转 90度之后，纯框架结构的顶点水平位移从28.545mm降低为3.974mm，大概是1/7（柱子HN300x150的绕强轴的惯性矩是绕弱轴惯性矩的14倍左右）；带斜撑框架的顶点水平位移从0.162mm降低为0.156mm， 减少了不到 4% 。

3)  对于框撑结构，梁与柱翼缘从刚接变为铰接、柱脚从刚接变为铰接后，顶点水平位移从 0.156mm增加为0.163mm， 增加了不到 4% 。

 

图   4    美国钢结构协会的一个介绍节点和斜撑的资料

 

   美国钢结构协会有一个 30来页的资料（ 图  4 ），用图片和简短的文字来介绍钢结构节点和斜撑。

 

图   5    几种抗侧力体系

 

图  5 很明确地表明，承受侧向力靠三种体系： 1.带斜撑的框架；2.刚架；3.剪力墙。这里很明确地把带斜撑的框架和不带斜撑的纯框架区分为两种体系。

 

图   6    带斜撑框架（ braced frame）和刚架（rigid frame）

 

    图  6 这张照片，很直观地说明了左边的结构叫带斜撑框架（ braced frame），右边这个结构是不带斜撑的刚架（rigid frame）。

 

图   7    刚架（ rigid frame）

图  7 这张照片，强调刚架采用刚接节点（ Moment connections），靠梁柱刚接来提供侧向刚度，照片下面附带一条说明“刚架结构通常比带斜撑的结构要更费钱”(Rigid frames generally cost more than braced frames)。  

图   8    带斜撑框架

图  8 这张照片的旁白强调：在多层建筑中，带斜撑框架经常是最经济的抗风荷载的方法。风荷载就是指水平力了。当然对建筑物来说，抗震设计主要也是考虑水平地震力。

图   9    组合框架

    从 图  9 中我们可以看到，右边这张图出现了 “Moment frame”的字样，其实跟“Rigid frame”经常混用，表示的意思是一样的，这种框架靠的是梁和柱之间的刚性连接形成的弯矩来提供结构的侧向刚度。旁白也提到，左边的带斜撑框架，在水平力下的变形象悬臂梁。

 

知道这两种框架的本质区别有啥实际用处吗？用处还是很大的，已经有好几位读者反馈，他们认真研读了那两章（ 80来页）之后，在实际项目中尽量多采用带斜撑的体系，轻轻松松比优化前节省了几十到上百吨钢材。现在一吨钢材的各种成本现在至少也得一万元呢，也就是说，一个项目就给公司节省了几十万到上百万元，在做总包项目的老板眼里也算有价值的人才了。而且从前面的 图 3 的问题 3我们可以看到，有了斜撑之后，把很多刚接节点改成铰接节点就可以了，柱脚用铰接柱脚就足够了，铰接节点可比刚接节点的加工要省钱很多了。  

 

附一个用长尾夹来夹一沓纸的实验，跟 SAP2000算的单跨多层框架（其实就是所谓的空腹桁架）在水平力下的变形图（已经向右旋转了90度）的对比。是不是有点意思？