“支撑框架”体系与 “框架-支撑”体系的对比 —钢结构主厂房采用“支撑框架”体系 设计的若干体验之二 东北电力设计院 2009年8月

内 容 “钢结构主厂房抗震研究”简介 支撑框架体系简介 两种结构体系特点的比较 两种结构体系在制造、安装 和用钢量方面的对比分析 结论和建议 内 容 1 “钢结构主厂房抗震研究”简介 2 支撑框架体系简介 3 两种结构体系特点的比较 4 两种结构体系在制造、安装 和用钢量方面的对比分析 5 结论和建议

“钢结构主厂房抗震研究”简介 1

※课题名称：“火力发电厂主厂房钢结构抗震设计 ※时间：2006.12～2009.5 ※合作单位：哈尔滨工业大学 ※课题立项背景 方法的研究与应用” ※时间：2006.12～2009.5 ※合作单位：哈尔滨工业大学 ※课题立项背景 △ “支撑框架体系” 没有包括在新版《抗规》中 △ 《抗规》有关的框架-支撑体系的规定适用于 民用房屋 △ 主厂房钢结构设计缺少系统、完整的设计方法 和公式，许多疑难问题亟待解决

怎么办？

专 家 意 见 专家意见（2002年） ☆应针对行业特点，制定本行业的规范和标准 ☆抗震规范的条文是可以突破和补充的（前5章除外） ☆抗震规范的修编参考了美国和其他国家的相关规范，在制定本行业规定时，应借鉴 ☆进行必要的试验研究 专 家 意 见

※课题目标 结合大唐长山热电厂六期工程主厂房钢结构施工图阶段的设计，以中国抗震规范为基础，借鉴国外规范、规定及其他文献，辅以必要的结构试验，研究“延性铰接中心支撑框架”体系（可简称为“支撑框架体系”）的抗震性能，提出适合高烈度区多层厂房抗震设计的原则和方法，作为对现行国家规范的补充，指导当前的长山热电厂六期工程的设计，为今后类似工程的设计奠定一个良好的基础。

※课题内容 1）支撑框架体系整体模型模拟地震振动台 试验 2）板式连接节点的伪静力试验 3）支撑框架体系的有限元数值计算 4）支撑框架体系论证 5）支撑框架体系的结构布置原则和结构分 析方法论述

6）支撑框架体系的构件计算和构造要求的 研究 7）支撑框架体系的支撑节点及节点板计算 和构造要求的研究 8）柱拼接采用高强度螺栓连接计算的研究 9）支撑框架体系与框架支撑体系的经济性 对比分析 10）使用课题研究成果开展长山热电厂主厂 房钢结构设计

支撑框架 体系的振 动台试验

支撑板式连接节点性能及设计方法研究

结构的弹塑性地震反应有限元分析

节点板弹塑性应力的有限元分析

※课题主要研究成果报告 报告之一：总报告 报告之二：主厂房钢结构支撑框架体系的振动台试验 及有限元模拟研究 报告之三：铰接刚架支撑板式连接节点的性能及其设 计方法研究 报告之四：主厂房钢结构支撑框架体系整体弹塑性地 震反应分析 报告之五：主厂房钢结构设计中若干技术问题的讨论 报告之六：主厂房钢构体系的经济性对比分析 报告之七：长山热电厂六期工程钢结构主厂房设计

※课题成果 1）本课题在借鉴国内外特别是美国对支撑 框架体系进行的理论和试验研究以及实践成 果的基础上，针对火力发电厂主厂房钢结构 采用支撑框架体系的抗震性能进行了整体模 型振动台试验和支撑板式连接节点性能试 验，并同时进行了有限元分析。试验和分析 证实，在8度地震区火力发电厂主厂房钢结 构采用支撑框架体系是可行的，合理的，也 是安全的。

2）本课题对支撑框架体系的结构布置原则 和分析方法、构件选择和节点计算以及构造 措施等进行了了研究。在研究国内外特别是 美国钢结构抗震设计方法的基础上，提出了 支撑框架体系抗震设计的一系列规定、计算 方法和公式，其中包括借鉴、完善和改进的 内容，也有本课题提出的新成果，使设计的 全过程均有据可依，具有很强的实用性和可 操作性

3）本课题对支撑框架体系与框架-支撑体系 进行了整体经济性对比分析。研究表明，支 撑框架体系不仅具有制造简单和安装方便的 特点，而且能有效的节约钢材，因此，这种 体系的推广使用将会带来明显的经济效益和 社会效益

4）在本课题进行过程中，在科研成果的指 导下完成了一台660MW机组主厂房钢结 构的设计。该设计体现了支撑框架结构制造 简单、安装方便和节约钢材的特点，业主、 制造厂和施工单位均予以充分肯定。设计工 作为研究工作的深入进行起到促进作用，并 为今后的钢结构抗震设计提供了有益的实践 经验

V形撑与人字形撑组成的大X形支撑

煤仓间底层的横向垂直支撑

建设中的长山热电厂六期工程

从A排外看安装中的主厂房

支撑框架体系简介 2 为什么能抗震？

所谓“支撑框架”实际上是由竖向桁架组成的抗侧力体系，构件连接采用铰接，构件的工作线均汇交于工作点 “支撑框架” 即“建筑工程抗震性态设计通则”中的“中心支撑框架” ，相当于美国抗震规定中的“特殊中心支撑框架（SCBF）” 典型的支撑框架结构

2.1 （特殊）支撑框架的优越性 ※较高的屈曲后能力。大震中不丧失承载力 ※较高的延性。结构在地震中承受多次弹塑性循环变形不断裂 2.1 （特殊）支撑框架的优越性 ※较高的屈曲后能力。大震中不丧失承载力 ※较高的延性。结构在地震中承受多次弹塑性循环变形不断裂 ※具有耗能能力。弹塑性延性变形导致能量的耗散，减小了地震力 ※较好的经济效益。这是地震力减小后的必然结果。不是“硬抗” ※制造简单、安装方便、节约钢材

2.2（延性）支撑框架设计要点 如何实现？ 结构整体的合理布置 刚度均匀、路径明确、支撑足够，并有冗余 控制构件和连接的破坏模式（极限状态） 按分等级次序安排破坏模式，延性（屈服）在前，脆性（块剪、断裂）在后

严谨和细致的细部设计 如节点板计算：节点板的W区屈服；螺栓孔壁承压破坏（前2为延性破坏模式） ； 在组合应力作用下节点板的临界截面屈服；节点板屈曲；节点板边缘屈曲；节点板的块状剪切破坏以及节点板净面积断裂（后2为脆性破坏模式）

严格的构造措施规定 构件长细比 板件的宽厚比（“紧凑型” 截面） 梁的侧向支承的设置 节点板在支撑杆件末端的“2t”

2.3 按分等级排序的破坏模式的概念 支撑构件的4个重要的区-①支撑构件②支撑与节点板的连接 ③节点板 ④节点板与梁和柱的连接

支撑框架构件屈服的分等级次序 顺序：支撑——节点板——连接部件 控制破坏模式：均屈服，非断裂 开始 加荷 支撑构件屈服 节点板屈服 连接部件屈服 脆性破坏模式 顺序：支撑——节点板——连接部件 控制破坏模式：均屈服，非断裂

节点板的典型破坏模式 合意性次序 △节点板的Whitmore 区屈服 △在组合应力下节点板的临界截面屈服 △节点板屈曲 △节点板边缘屈曲 △块状剪切破坏 △节点板净面积断裂

节点板按其合意性等级排序的破坏模式 节点板破坏的等级顺序 (a) (a) (e) 节点板 屈服 节点板 屈服 块状剪切 破坏 (c) (d) 加荷 开始 加荷 开始 节点板 屈曲 节点板 屈曲 节点板 边缘屈曲 节点板 边缘屈曲 (b) (b) (f) (f) 承压 破坏 承压 破坏 净面积 断裂 净面积 断裂 延性破坏模式 延性破坏模式 延性/ 脆性破坏模式 延性/ 脆性破坏模式 脆性破坏模式 脆性破坏模式 节点板破坏的等级顺序

支撑与节点板连接破坏模式按合意性排序 支撑与节点板、节点板与梁柱的典型连接

螺栓滑移 连接角钢和钢板屈服 螺栓孔承压破坏 连接角钢和钢板局部屈曲 螺栓端距断裂和螺栓中距破坏 连接角钢和钢板的有效净断面断裂 块状剪切破坏 螺栓和焊缝断裂

支撑与节点板连接的依合意性等级 排序图 (a) (f) (e) (h) （b） (d) (e) (g) (C) 延性滑移模式 延性破坏模式 边距 破坏 净面积 断裂 (h) （b） (d) 螺栓和焊缝断裂 加荷 开始 螺栓 滑移 毛面积 屈服 局部 屈曲 (e) (g) (C) 螺栓中距破坏 块状剪切破坏 承压 破坏 延性滑移模式 延性破坏模式 延性/脆性破坏模式 脆性破坏模式

两种结构体系特点的比较 3

支撑框架体系与框架-支撑体系特点的比较表 项 目 框架-支撑体系 支撑框架体系 备 注 抗震体系 双重抗侧力结构体系 单体系，构件的工作线汇交于工作点的竖向桁架体系 抗震防线 符合多道抗震设防 可以做到多道设防（体系应有最大可能的内、外部赘余度，有耗能设置）-见右备注 可以做到部分结构或构件的破坏不引起整个体系丧失承载能力 适用条件（最大高度） 抗规 220m（6、7度） 200m（8度） 140m（9度） 无此体系 抗震类别C相当于7.5～8.5度Ⅱ类场地或7.5～8度Ⅲ类场地；E相当于8.5度Ⅳ类场地或9度Ⅲ类和Ⅳ类场地 通则 180m（C） 160m（D） 120m（E）—见右备注 120m（C） 90m（D） 70m（E）---见右备注 美规 不限制 240ft（73.2m）SCBF 节点连接 梁柱刚接 支撑与梁柱刚接或铰接，12层以下可采用单节点板 梁柱铰接 支撑与梁柱铰接，采用单节点板 构造要求 支撑端部应留有2t的距离---见右备注；梁、柱、支撑有长细比、板件宽厚比规定 支撑端部应留有2t的距离---见右备注；梁、柱、支撑有长细比、板件宽厚比规定，强调“紧凑”型截面 用于单节点板连接 t为节点板厚度

支撑框架体系与框架-支撑体系特点的比较表（续） 课题研究成果为设计提供了完整的、系统的、适用的设计原则、结构分析和构件及节点连接计算的方法和公式、构造要求以及相关规定等，有很强的实用性 依据抗规或高规，但以12层为界限的适用于民用多高层建筑的一系列构造措施和要求，对主厂房建筑难以执行 设计方法 铰接 刚接；超过12层时的刚接柱脚宜采用埋入式 柱脚 可采用高强螺栓连接 按50%等强即可 柱的拼接 应验算梁端连接、支撑与节点板的连接、节点板与梁柱的连接、节点板、在人字形支撑不平衡力作用下梁的验算等，包括弹性计算和弹塑性验算 为满足强柱弱梁要求，应验算节点左右梁端和上下柱端的全塑性承载力；应验算节点域的屈服承载力；人字形支撑组合的内力值应乘以增大系数1.5 计算 弹性和弹塑性阶段的计算都是必须进行的 无抗弯要求 框架部分（取消支撑后）应按25%的结构底部剪力进行验算 结构分析 备 注 支撑框架体系 框架-支撑体系 项 目 应采用全熔透焊缝 应100%等强

两种体系特点的分析 框架-支撑体系优于支撑框架体系的特点 1 双重抗震体系 2 完全的多道设防 3 房屋的适用高度更高 但这不是关键的，对支撑框架体系而言 1 虽为单体系，却是延性的、耗能的、抗震 性能良好 2 只要布置合理、结构有冗余，仍属多道设防 3 其适用高度对主厂房足矣

框架-支撑体系优于支撑框架体系的特点 1 节点连接简捷，制作简单 2 结构分析简单（无抗弯要求） 3 计算无强柱弱梁、节点域验算，支撑无 1.5系数，节约钢材 4 柱的拼接可50%等强，可栓接 5 柱脚简单 6 设计方法系统、完整、实用

两种结构体系在制造、安装 和用钢量方面的对比分析 4

4.1 加工制造难度的比较 1）柱截面型式的影响 ▲支撑框架结构 H型钢：可采用角焊缝或与T形对接的组合焊缝， 工厂加工的开放式焊缝 一般无加劲肋 ▲框架-支撑结构 箱型柱：壁板间、隔板与壁板间应采用全熔透对接焊缝， 焊 接量大且质量要求高，焊接变形大，安装困难，返工率高 十字形柱：拼接接头上下各100mm、梁翼缘上下各500mm的 节点范围内以及横向加劲肋与柱翼缘，要求采用全熔透焊缝， 其他部位可采用角焊缝 框架-支撑结构的柱制作难度要大得多

2）梁柱连接制作的比较 ▲支撑框架 梁端连接角钢、高强螺栓，构件制作很简单 ▲框架-支撑结构 短悬臂梁段与柱全焊接。柱、梁翼缘间应采用全熔透坡口焊缝，高烈度时尚应有抗冲击韧性要求。梁的现场拼接采用翼缘焊接腹板螺栓连接或全部螺栓连接 可见框架-支撑结构的梁柱连接的制作比支撑框架难度大得多

3）支撑节点制作的比较 ▲支撑框架结构：单节点板。支撑与节点板、节点板与柱采用螺栓连接，节点板与梁可采用螺栓连接或焊接（工厂） ▲框架-支撑结构：通常支撑端部段在工厂直接焊于梁柱，中段采用现场螺栓拼接。支撑端部焊缝应采用坡口全熔透焊缝，高烈度时尚应有抗冲击韧性要求，端部宜做成圆弧。中柱的梁柱且有支撑汇交的节点，柱的四面有外伸的短悬臂梁，还可能有若干斜向的支撑端杆，恰似树杈一般，制造厂比作狼牙棒 相比之下，框架-支撑结构比支撑框架结构制造工艺复杂，焊接量大，质量要求高，焊接变形难以控制，不容易矫正，给梁和支撑的现场拼装留下隐患，运输也极为不便（超宽）

4）钢材材质选择的差异 ▲支撑框架结构 螺栓连接，对材质无特殊要求 如节点板与梁翼缘焊接，梁翼缘厚度不小于40mm，要求采用厚度方向性能的钢板，由于梁翼缘较少使用厚板，所以这种情况不常遇到 ▲框架-支撑结构 梁和支撑直接焊于柱或柱梁，柱翼缘通常是厚板，所以采用要求厚度方向性能的钢板是不可避免的

5）制造厂反馈的信息 制造厂反映，与加工框架-支撑结构的箱形柱、悬臂梁段和支撑端焊接比较，按我院的设计图纸加工，制作简单得多、工效提高、质量有保证，运输方便，非常欢迎承接这样的加工任务

4.2 构件安装的比较 ▲支撑框架结构：现场基本采用高强螺栓连接，不出现焊接，只要供货及时，制作质量合格，安装进度很快，不会遇到任何困难 ▲框架-支撑结构：柱的拼接必须采用全熔透焊缝。接头多、截面大、熔透、至少二级、高等级焊工、检验难度大、安装定位耳板，厚板预热、时间紧张、大风和低温天气的影响、高空作业等诸多因素，对安装进度影响很大，在监理不力的情况下，质量是难以保证的。如果梁翼缘的拼接也采用焊接，工作量将翻番。上述情况在某电厂工地曾出现，电建公司反映强烈 ▲特别需要指出的是，在涉外工程中，招标书中往往明确提出现场连接应采用高强螺栓，支撑框架体系为解决此问题提供了有利条件

4.3 经济性比较 1）比较的方法 ▲将结构均改为框架-支撑双重体系，采用《抗规》方法重新设计 ▲同样的结构布置、钢材材质、荷载条件、应力比水平 ▲两个H型钢组成的十字形截面柱（未进行采用箱形截面柱） ▲选取横、纵向各一榀典型框架确定梁、柱和支撑的规格尺寸，统计钢材用量，推论整体结构的用钢量

2）对影响经济性因素的分析 框架-支撑比支撑框架 （1）地震作用会增大。原因：梁柱节点改为刚接；支撑截面有所增加；柱截面有所增加；周期降低 （2）支撑截面积有明显增加。原因：采用了规范规定的1.5的内力增大系数和受循环荷载时支撑的强度降低系数；原支撑框架结构支撑的设计，利用效率高，经济性好，有的应力比已接近1.0

▲支撑框架结构的设计，柱的应力比偏小，富余度较大， 否则两种结构柱的用钢量差距还会加大 （3）柱截面面积加大 ▲去掉支撑后框架部分有单独验算25%底部剪力的要求，柱要承受较大的弯矩，此时的验算成为柱截面选择的控制工况 ▲框架要满足“强柱弱梁”的要求。煤仓间梁的截面很大（有的高度超过2m），按公式验算，势必大大增加柱的截面。这里采取规范限制轴压比的规定，即N 与Af 的比值不大于0.4，实质上也是要求加大截面 ▲支撑框架结构的设计，柱的应力比偏小，富余度较大， 否则两种结构柱的用钢量差距还会加大

（4）虽然梁柱刚接能减小竖向荷载作用下横梁的跨中弯矩，梁截面会有一定程度的减小，但由于受支撑竖向不平衡力验算和框架部分25%底部剪力验算的控制，两端刚接横梁截面刚度与铰接相比不会出现近似于最大弯矩比值为[1-(ql2/12)/(ql2/8)]= 33.3% 的降低。计算表明，横梁刚接的用钢量比铰接只降低约10% 而纵向框架计算却得到相反的结果，梁刚接比铰接要增加钢材约8.5%，这是因为纵梁的竖向荷载较小，而刚接后在水平地震作用下，在梁端产生较大弯矩所致

▲对于支撑框架结构：包括节点板、支撑和梁 （5）连接部件和其它附件的钢材量 ▲对于支撑框架结构：包括节点板、支撑和梁 端连接角钢、加劲肋（用于节点板、梁和柱的个别 部位）、柱拼接板等，初略统计约占结构全部主材 重量的不到8% ▲对于框架-支撑结构：包括节点域加劲肋、节点 域腹板加强板、梁和支撑的拼接板等，也在8%内 ▲高强螺栓的数量：支撑框架结构增加了柱的拼 接螺栓，而框架-支撑结构增加了梁和支撑的拼接螺 栓，后者可能更多 ▲附件和螺栓的重量尚未进行统计，初估支撑框 架的用量要小一些，不在本文比较内容之列

两种结构体系整体用钢量的近似对比（一台机组厂房） （6）钢材量比较的统计结果 两种结构体系整体用钢量的近似对比（一台机组厂房） 项 目 支撑框架结构 单体系① （t） 框架-支撑结构 双重体系② 用钢量比较 ②-① (②-①)/① 柱 1052 1405 353 33.5% 横向框架梁 654 588 -66 -10.0% 横向垂直支撑 258 315 57 22% 纵向框架梁 437 474 37 8.5% 纵向垂直支撑 336 421 85 25.3% 总计 2737 3204 465 17.0%

▲从表中可见：在比较的5个项目中，框架-支撑结构仅有一项是节省的；但综合对比多消耗钢材17%，对一台机组在465t以上 ▲长山电厂主厂房含钢量为22.8kg/m3，与目前体积含钢量通常在30kg/m3以上的实际现状比较，一台机组节约钢材在1300t以上

结论和建议 5

1 支撑框架结构比框架-支撑结构制造简单，省工省时，易保证质量；安装方便，有利于加快施工进度；节省钢材，有明显的经济效益 2 支撑框架具有足够的抗震承载能力，用于高烈度区的主厂房是安全可靠的，课题研究成果提出了系列、完整、实用的设计方法，为该体系的推广使用提供了有利条件

专家评审意见 2009.8.18 ▲支撑框架体系抗震性能良好 ▲技术路线正确，研究内容丰富，具有较高的理论意义和实用参考价值，对工程实际应用有指导意义 ▲达到国内同类研究的领先水平 ▲可供修编《土规》参考 ▲编制设计导则

谢 谢！