建筑结构丨钢结构中斜撑的作用是什么?

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作者:猪小宝··|,来源:知乎

我们可能小时候都学过··|,三角形具有稳定性··|,而四边形就没有··|--。

比如我们用木条钉一个长方形··|,用力一推··|,就变成平行四边形了··|--。但如果用木条钉一个三角形··|,就很难让它变形··|--。

但可惜的是··|,我们的房子在立面上大多数都是长方形的··|,方方正正的小盒子··|,但我们显然不想让我们的房子轻轻一推或者随便一地震就变成平行四边形··|,然后发生垮塌事故··|--。

怎么办呢|-··?

还是用木条的例子··|--。就好比说我要用木条钉一个四边形的画框··|--。怎么样能让这个画框更结实更不容易变形呢|-··?

三种常见的方法:

1、在画框的角部钉加固小木条··|,让木条与木条之间的夹角保持90度··|,这样一来··|,画框就很难变成平行四边形了··|--。

2、在这个画框的背面钉一个 X 形的木条··|,或者人字形、V 字形、K 字形的木条··|,变四边形为多个三角形的组合··|,这样画框也很难再变形了··|--。

3、在画框的四根木条之间镶进去一块结实的木板··|,因为木板很难变形··|,所以··|,画框被里面的这块木板撑住··|,也不会轻易变形了··|--。


在实际的结构工程中··|,第一种叫做“框架 moment frame”··|,第二种叫做“带支撑的框架braced frame”··|,第三种叫做“带边框的框架-剪力墙”··|--。


对于第一种框架来说··|,关键的部位就是梁和柱相交的节点区域··|,也就是相当于我们上面木条画框里角部的加固小木条··|--。简单说··|,地震的时候··|,节点区域是真正的耗能区域··|--。

对于第二种带支撑的框架来说··|,按照耗能部位的不同··|,其实又可以分成好几类··|--。

比如这一种 CBF··|,也就是中心支撑··|,一般来说是支撑本身是耗能构件··|,地震能量主要由斜向支撑的受拉和受压屈服来消耗··|--。

而另一种 EBF··|,也就是偏心支撑··|,虽然看起来跟中心支撑差不多··|,但其实耗能部位完全不同··|,设计考虑也不一样··|--。主要的耗能部位集中在特殊设计的耗能梁段··|--。

当然还有另一种可能··|,就是这个带支撑的框架有额外的耗能和限位机构··|,可能是液压或者橡胶阻尼器··|,也可能是形状记忆合金这样的智能材料··|,甚至可能是可以主动响应的液压千斤顶··|--。

当然··|,以上我画的都是非常非常夸张的示意图··|,现实中的变形当然要比这个小得多··|--。

那么现实中是什么样的呢|-··?

这是地震中变形的 CBF 支撑··|--。中间区域并不是油漆被磨掉了··|,而是因为钢梁的变形过大··|,超过了油漆层的变形能力··|,所以油漆在地震中脱落了··|,显示出了明显的变形区域··|--。

这是地震中变形的 CBF 的 X 形支撑··|--。可以明显看到这个 X 形支撑原来的位置··|,也就是装饰面层里那个 X 形的凹槽··|--。

这是地震后的 EBF 偏心支撑··|--。同样··|,我们可以看到中间的耗能梁段的掉漆··|--。

事实上··|,带支撑的框架是一种很高效的抗震体系··|,而且尤其适合已有房屋的抗震加固··|,后期加装相对方便··|--。所以在日本、加州这些地震高发区域比较常见··|--。

举个例子··|,这是日本东北大学的化学系教学楼:

这栋教学楼在 2011 年矩震级高达 9.1 级的东日本大地震中毫发无损··|--。

即便是以轻灵著称的妹岛老师的作品··|,该有支撑的地方一样要有··|--。我个人觉得··|,这才是好的建筑师··|--。

比如 Tsuchihashi 住宅··|,

再比如 Shibaura House··|,斜撑更为明显:

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