浅谈钢结构支撑系统的分类和应用

浅谈钢结构支撑系统的分类和应用

李军

四川省建筑设计研究院有限公司   四川省成都   610000

（身份证号码511023198604179198）

摘要：本文旨在对钢结构支撑系统的基本概念、分类、结构设计及其在建筑工程中的应用等方面进行较为全面的梳理和介绍，并对钢结构支撑系统的应用进行较为系统的研究。通过介绍钢结构支撑系统的定义及其在建筑中的重要作用，对横向支撑系统、纵向支撑系统和特殊支撑系统的特点进行了详细的论述。在结构设计部分，对支撑系统的结构形式选择、荷载分析、节点设计以及稳定性等方面进行了较为深入的探讨。通过典型的应用案例分析，验证了系统在实际工程项目中的应用效果，提出了支撑系统对提高结构的整体稳定性和刚度起做至关重要的作用，从而提高和保证建筑结构的整体稳定性和安全性。

关键词：钢结构支撑系统：横向支撑、纵向支撑、垂直支撑、系杆、特殊支撑；结构设计整体稳定性、刚度。

1 引言

随着城市化进程的加速和建筑技术的发展，钢结构因重量轻、强度高、抗震性能优越、韧性和塑性变形好、施工快捷、装配率高、环保节能可二次循环利用等特点，在现代建筑中得到了广泛的应用。钢结构支撑系统作为保证结构稳定性和安全性的重要组成部分，在建筑结构设计和施工过程中起做至关重要的作用。本文将探讨钢结构支撑系统的基本概念、分类、结构设计以及在实际工程中的应用，旨在为钢结构设计人员提供有价值的参考和指导。

2 钢结构支撑系统的基本概念与作用

2.1 钢结构支撑系统的定义

钢结构支撑系统是在钢结构建筑中，为保证结构的整体稳定性和抵御外部荷载的作用而设置的一系列支撑构件和连接件的系统，通过合理的布局和设计，有效地将水平荷载传递至基础，保证建筑结构在正常使用条件下和遇到极端荷载时的安全稳定，支撑系统一般有横向支撑、纵向支撑、柱间支撑和特殊支撑等多种形式，每一种形式都有特定的作用和适用范围。横向支撑主要是用来抵御侧向荷载（水平荷载），如风力和地震力；纵向支撑则主要是增强结构的竖向刚度和整体稳定性；垂直支撑则是为了保证结构钢架（桁架）的平面外的稳定性，同时减少平面外的计算长度；而特殊支撑是根据建筑结构的具体需求而设计的，如斜拉索支撑等。

2.2 钢结构支撑系统在建筑中的作用

在建筑中，钢结构支撑系统的主要作用包括以下几个方面：（1）保证结构的空间整体性。通过支撑系统的设置，即使在遇到外部作用如风荷载、地震荷载时，也能大大提高建筑物结构稳定性。（2）避免侧向失去稳定的压杆。在钢结构中，侧向失稳很容易发生在压杆上，而支撑系统可以有效地阻止这种情况的发生，使结构稳定性得到提高。（3）防止拉杆震动过大。支撑系统可以在风力或其它动态荷载的作用下降低拉杆的震动幅度，避免结构因震动过大而受到破坏。（4）水平荷载的承担与传递。如风荷载、地震荷载、吊挂水平荷载等能有效地承受和传递，直接将这些水平荷载传递到竖向构件并传递给基础，使结构免遭破坏。（5）施工安装时保证结构的临时稳定。在施工过程中，支撑系统可以在施工期间抵御可能遇到的外部荷载的同时，保证结构暂时稳定，便于施工作业[1]。

为了达到这些作用，支撑系统通常分为横向水平支撑、纵向水平支撑、垂直支撑和系杆等不同类型。同时横向水平支撑和纵向水平支撑形成的封闭支撑体系可以大大提高房屋的纵向刚度。柱间支撑分为上层柱间支撑和下层柱间支撑，它们分别承受不同的荷载。通过这些支撑系统的合理设计和布置连成一个空间不变的几个体系，能够显著提高钢结构建筑的整体稳定性能和刚度。

3 钢结构支撑系统的分类

3.1 横向支撑系统

横向支撑系统是钢结构支撑体系中的一个重要组成部分，主要用于抵抗侧向荷载，如风荷载和地震荷载，以保证结构的整体稳定性和安全性。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）和《门式刚架轻型钢结构工程设计与实例》等资料，横向支撑系统的设计和布置需要综合考虑结构的类型、荷载特性以及建筑的使用要求。横向支撑系统主要包括上弦横向支撑、下弦横向支撑以及竖向支撑。上弦横向支撑通常设置在屋架的上弦平面内，能够有效地传递水平荷载至柱间支撑或基础，对于保证屋盖的整体稳定性至关重要。下弦横向支撑则主要设置在屋架的下弦平面，用于提高屋架下弦的平面外稳定性。竖向支撑通常设置在柱间，以增强结构的竖向稳定性，并将水平荷载传递至基础。

横向支撑系统的设计需考虑以下几方面：根据结构的跨度和荷载情况，合理确定横向支撑的间距。例如，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）规定，无檩屋盖的横向支撑间距不宜超过60m，在8°设防时，应在厂房单元端开间及上柱支撑开间各设一道支撑。横向支撑可以采用交叉式、人字形或单斜杆等形式。交叉式支撑的稳定性较好，能够有效分散荷载，但需要考虑支撑杆件与结构构件的连接细节。支撑杆件与结构构件的连接是保证支撑系统有效工作的关键。例如，支撑杆件与柱之间的连接应采用焊接或高强螺栓连接

，并优先采用高强螺栓，确保连接处有足够的承载力。支撑杆件的选型需要考虑荷载大小和结构的刚度要求。通常选用型钢，如角钢、槽钢、圆钢管等，确保支撑杆件有足够的刚度和承载力。

3.2 纵向支撑系统

纵向支撑系统是钢结构支撑体系中的另一个重要组成部分，主要用于提高结构的纵向稳定性，抵抗纵向荷载，如地震荷载、温度变化引起的膨胀收缩等。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版），纵向支撑系统的设计和布置需考虑结构的类型、荷载特性和建筑的使用要求。纵向支撑系统主要包括柱间支撑和屋盖纵向水平支撑。柱间支撑通常设置在柱之间，以增强结构的纵向刚度，并将水平荷载传递至基础。屋盖纵向水平支撑则设置在屋盖结构中，用于提高屋盖结构的整体稳定性。

根据房屋结构的长度和荷载情况，合理确定柱间支撑的间距。例如，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）规定，厂房单元的各纵向柱列，应在厂房单元中部设置一道下柱支撑；8度、9度设防区则当厂房单元长度大于90m时，应在厂房单元1/3区段内各布置一道下柱支撑。柱间支撑通常采用交叉式（X）、门架式等。交叉式支撑构造简单、传力直接、使用普遍被广泛的运用到工程中，但需要考虑支撑杆件与结构构件的连接细节。支撑杆件与结构构件的连接是保证支撑系统有效工作的关键。例如，支撑杆件与柱之间的连接应采用焊接或高强度螺栓连接，确保连接处有足够的承载力。支撑杆件的选型需要考虑荷载大小和结构的刚度要求。通常选用型钢，如角钢、槽钢等，确保支撑杆件有足够的刚度和承载力[2]。纵向支撑系统的设计还需要考虑结构的稳定性，例如，在设置柱间支撑时，应考虑支撑杆件的长细比(仅用于刚性支撑情况下)，以确保支撑系统的刚度。

3.3 特殊支撑系统

特殊支撑系统是指在特定条件下为了满足特定需求而设计的支撑系统，这些系统通常用于解决常规支撑系统难以应对的问题或特殊情况。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版），特殊支撑系统的设计需综合考虑建筑结构的特殊性、使用要求以及外部环境条件。特殊支撑系统主要包括消能支撑、预应力支撑、复合支撑系统等。消能支撑主要用于吸收和消耗地震能量，减轻结构的地震响应；预应力支撑通过预加张力来提高结构的稳定性和承载能力；复合支撑系统则是结合多种支撑形式的优点，以满足特定结构的多重需求。

消能支撑主要用于吸收和消耗地震能量，减轻结构的地震响应。消能支撑一般采用屈曲约束支承（BRB）、阻尼器等耗能能力较强的材料。消能元件在设计时需要考虑其能量消耗能力和恢复能力的特点，才能保证在地震荷载情况下有效地吸收能量。预应力支撑通过预先施加张力来提高结构的稳定性和承载能力。为了保证有效传递预应力，设计时需要考虑到预应力的大小、方向和预应力的损耗。复合支撑系统则是结合多种支撑形式的优点，以满足特定结构的多重需求。复合支撑系统能够在满足结构在不同方向受力需求的同时，将横向支承、纵向支承和特殊支承的功能相结合[3]。结构的总体性能、荷载分布、使用要求等都需要在设计时综合考虑，以保证各支撑系统之间的协同工作。确保支撑杆件与结构构件之间的连接可靠，能够有效地传递荷载，特殊支撑系统中的节点设计尤为重要。例如，消能支撑与结构构件的连接，需要考虑其特殊的耗能特性，在不影响结构整体稳定性的情况下，保证在地震荷载作用下能有效地吸收能量。

4 钢结构支撑系统结构设计

4.1 支撑系统的结构形式选择

钢结构支撑系统设计中直接影响结构安全性和经济性的关键步骤是支承系统的结构形式选择。支撑系统一般包括以下几种形式，如水平支撑、柱间支撑、垂直支撑、系杆等。侧向荷载、抗风荷载、抗地震荷载采用横向水平支承；横向水平支撑一般布置在屋盖两端（或则设置的每个温度区段的两端）的两榀钢架（屋架）之间。结构纵向稳定性提高采用纵向水平支撑，通常设置于钢架（屋架）两端节点处同时沿房屋全长布置，这样横向水平支撑和纵向水平支撑共同构成一个封闭的支撑体系，以保证屋盖结构有足够的水平刚度。垂直支撑位于屋盖水平支撑的同一开间内，形成一个跨长为屋架间距的平行弦桁架，当跨度小于30m的屋架通常在屋架两端和跨中各设置一道垂直支撑。当跨度大于30m时，则在两端和跨度1/3处分别设置4道；针对特定的工程需求，采用消能支撑、预应力支撑等特殊支撑。选择支撑材料需要综合考虑荷载的大小，结构的刚性要求，还有工程造价费用等方面的因素。常用的支撑截面采用热轧的型钢（如角钢、槽钢、钢管、圆钢等）。 支撑杆件的长细比直接影响到其稳定性和承载能力。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）规定了不同烈度和支撑形式下的长细比限值，例如，中心支撑的长细比不宜大于120。支撑杆件与结构构件之间的连接是保证支撑系统有效工作的关键。连接方式通常包括焊接、高强度螺栓连接等。例如，支撑杆件与柱之间的连接应采用焊接或高强度螺栓连接，确保连接处有足够的承载力

[4]。支撑系统的节点设计需考虑荷载传递路径、节点刚度等因素。例如，支撑杆件与柱之间的连接节点应设计成能够承受并传递荷载的结构形式，确保荷载能够有效传递至基础。支撑系统的稳定性分析是设计过程中的重要环节，需考虑结构的整体稳定性以及支撑系统的局部稳定性。例如，在设置柱间支撑时，应考虑支撑杆件的长细比（刚性支撑），以确保支撑系统的稳定性和刚度性。

4.2 支撑系统的设计荷载分析

支撑系统需要考虑的主要荷载包括动载、活载、风载、雪载和地震荷载等，其设计荷载分析是保证结构安全和稳定的关键步骤。动载是指设备震动荷载，风荷载和雪荷载是外部荷载，地震荷载是在地震作用下荷载。通常最关键的考虑因素是地震荷载和水平荷载的组合。

4.3 支撑系统的节点设计

支撑系统的节点设计是保证钢结构支撑系统总体稳定性和安全性的关键环节。根据支撑系统的不同种类选择适当的节点形式，如交叉支撑系统中采用X形或门架形节点，人字支撑或V形支撑系统中的节点则需考虑支撑杆件与梁或柱的连接方式。节点连接方式的选择不仅要考虑支撑杆件与结构构件之间的连接可靠性，还要保证连接处具有足够的承载力。常用的连接方式包括焊接及高强度螺栓连接，例如，在人字支撑或V形支撑系统中，支撑杆件与梁或柱之间的连接应采用焊接或高强度螺栓连接，以确保节点的可靠性。节点设计还需符合相关规范要求。节点的承载力分析是节点设计中必不可少的环节，是保证节点在各种荷载作用下安全性与稳定性的关键。例如，在交叉支撑系统中，需要考虑节点板的厚度以及支撑杆件与节点板的连接方式。节点细节设计应从节点板的厚度、支撑杆件的直径以及节点板与支撑杆件之间的焊接质量等多个方面进行考虑，确保节点板的厚度足够以充分发挥承载力，支撑杆件与节点板之间的焊接需验算焊缝强度，确保在大震作用下不致破坏，从而保证连接的牢固可靠。节点的稳定性分析同样至关重要，需确保在各种荷载作用下节点不会出现失稳情况。例如，在设置柱间支撑时，应考虑杆件的长细比，确保支撑系统的稳定性和可靠性。节点设计不仅要保证杆件在各种荷载作用下的稳定性和承载能力，还需进行节点的刚度分析，使节点的刚度与结构的整体刚度相匹配，从而确保结构的整体稳定性与安全性。

5 钢结构支撑系统的实际应用与案例分析

5.1 典型案例分析

成都东部集团有限公司东部新区文化产业园体育馆（如下图1），该体育馆下部采用现浇钢筋混凝土框架结构，屋盖采用空间钢结构桁架，设计时充分考虑了地震荷载、风荷载的影响。支撑系统包括横向水平支撑、纵向水平支撑和垂直支撑，其中横向水平支撑和纵向水平支撑采用X形交叉支撑形式，截面采用圆钢管140X5，并且形成封闭的支撑体系，大大提高屋盖结构稳定性。垂直支撑采用平面钢桁架，确保主桁架平面图外的稳定性。节点设计采用了高强度螺栓连接，确保了连接处的承载力。

图1屋盖平面布置图

5.2 应用效果评估

该钢体育馆的支撑系统表现出良好的性能，具体如表1所示。支撑杆件的长细比限值控制在200以内，确保了结构的刚度。支撑系统在罕遇地震作用工况下的承载力达到了120%，提供了充足的余量，表现出优越的抗震性能。节点连接强度达到支撑杆件承载力的1.2倍，保证了连接的可靠性。结构在风荷载作用下的最大位移仅为层高的1/400。

5.3 钢结构支撑系统的设计与施工要点总结

在设计与施工钢结构支撑系统时，需综合考虑荷载分析、支撑体系设计、节点设计及材料选择。通过精确计算地震荷载、风荷载，确保结构的安全性。采用X形交叉支撑形式，增强横向和纵向水平支撑的稳定性，并设置垂直支撑，确保结构在平面外的稳定性。节点设计采用高强度螺栓连接，保证连接处的承载力不低于支撑杆件的承载力。施工时，严格按照设计图纸进行精确放样和安装，使用临时支撑确保结构在施工过程中的稳定性，并通过位移监测和应力监测确保施工质量和结构安全。

6 结语

钢结构支撑系统作为现代建筑结构中不可或缺的一部分，结构设计的合理性直接影响到建筑物的安全性、稳定性和经济性。未来，随着新材料、新技术的不断发展，装配式率的不断提高，建筑钢结构将在建筑中越来越多，钢结构设计将会更加精细化、智能化，能够更好地适应复杂多变的建筑环境需求，为人们提供更加安全、舒适的生活和工作空间。

参考文献

[1]闫崴,尹胜兰,岂泽宇,等.塞内加尔某体育场钢结构罩棚设计[J].建筑结构,2022,52(S1):556-560.

[2]杨福林,马昊.钢结构工业厂房设计及施工问题探讨[J].住宅与房地产,2021,(07):117-118.

[3]李旭,田伟,王立志,等.某机场大跨度连跨钢结构机棚优化设计与研究[J].工程建设与设计,2019,(22):11-13.

[4]刘江.基于厂房设计的钢结构设计要点研究[J].科技创新导报,2017,14(28):161-162.

[5]梁文锋,徐双,谭第益,等.某建筑钢结构减震方案设计研究[J].建筑技术开发,2024,51(02):18-20.

[6]齐翰.环形大跨钢结构施工临时支撑设计与荷载优化[J].建筑技术,2023,54(05):588-591.

[7]张耀春,周绪红 .钢结构设计原理（第二版）