钢支撑的长细比限值到底应该取多少？

在钢结构的设计中，经常涉及到许多构造规定。对于支撑构件来说，我国的钢结构设计规范、高钢规和抗震规范均对其长细比进行了限制。那么，为什么要设置这些限值，是否合理？本文对此展开简单地讨论。 1. 我国规范的规定目前国内规范的主要规定包括如下条款：

在钢结构的设计中，经常涉及到许多构造规定。对于支撑构件来说，我国的钢结构设计规范、高钢规和抗震规范均对其长细比进行了限制。那么，为什么要设置这些限值，是否合理？本文对此展开简单地讨论。

1. 我国规范的规定

目前国内规范的主要规定包括如下条款：

(1) 《钢结构设计规范》 GB50017 规定支撑的长细比不应大于 200 ；

(2) 《抗震规范》 GB50011 第 8.4.1 条规定受压支撑长细比不应大于 120(235/ f _y )^0.5 ，四级框架可以按照拉杆设计，此时长细比不应大于 180(235/ f _y )^0.5 。

(3) 《高钢规》 JGJ99-2015 第 7.5.2 条规定与抗震规范 GB50011 类似，其条文说明中提到 120 的出处是美国规范 AISC341-10 ，原文如下：“美国 ANSI/AISC341-10 规定：对普通中心支撑框架（ OCBF ）相当于 Q235 钢支撑长细比的限值为 120 ，而对于延性支撑框架（ SCBF ），不管何钢种的支撑长细比限值均为 200 。考虑到本规程没有“普通”和“延性”之分，因此作出了“杆件的长细比不应大于 120…… ”的规定”。

2. 国外规范的规定

查阅国外的主流规范，主要规定如下：

(1) 欧洲规范 EC8 ，对于中心支撑（含 V 形和人字撑）建议正则化长细比不大于 2.0 ，换算可得长细比限值为不大于 186(235/ f _y )^0.5 。

(2) 美国规范 AISC341-10 对于普通中心支撑框架（抗震性能要求一般 , OCBF ），当支撑类型为 V 形和人字撑时，以及当建筑设有隔震装置时，规定不大于 120(235/ f _y )^0.5 ，除此之外并未找到其它相关的条文规定。对于特殊中心支撑框架（抗震性能要求高， SCBF ），规定长细比不大于 200 。在说明中提到，根据研究发现，采用较大的长细比可以提高受压支撑的性能并且有助于防止支撑杆件的屈曲后断裂， 200 的限值主要是为了避免超长支撑带来的振动影响。

需要说明的是，对于 OCBF 中 V 形和人字撑长细比的规定（ SCBF 中不允许采用这类支撑），主要是为了避免由于受压支撑屈曲在交点处产生的竖向不平衡力对梁的不利影响，这一条规定和我国抗震规范中的 8.2.6.2 条考虑的问题类似。因此，从这一点可以看出，《高钢规》中对支撑长度限值的依据可能是来源于对美国 AISC341 的误读。

3. 支撑长细比限值归纳

由上可知，部分规范对于受压支撑的限值规定出于正常使用条件的考虑（比如 GB50017 和 AISC341-10 对于 SCBF 的 200 ），这种情况下长细比限值无需进行钢号调整；其它规范的限值则与支撑的受力性能相关，比如我国的抗震规范和高钢规、欧洲规范 EC8 和 AISC341 对于 V 形和人字撑的规定，这种情况下支撑的长细比限值与钢号调整系数相关。

4. 支撑的受力性能与长细比的关系

支撑的受力性能与长细比的关系到底怎么样，是否长细比大的支撑受力性能会比较差？本文对截面为 HW400x400x13x21 的两端铰接压杆进行弹塑性分析，其中取屈服强度为 f _y =235MPa ，残余应力为线形分布，最大值为 0.5 f _y ，构件存在绕弱轴的初始弯曲（半个正弦波，最大值为 L/1000 ）。

如图 3 所示为各构件的轴力 - 跨中位移曲线。可以发现随着构件长细比增大，受压支撑的强度逐步减小，最大值差异已通过稳定系数考虑。在达到最高点后，所有的构件承载能力均迅速下降，当位移很大时曲线趋于一致（跨中形成塑性铰，钢塑性控制）。其中，长细比等于 70 的构件由于计算收敛性问题，后半段缺失。从图中可以看出，随着构件长细比的增大，屈曲后的承载能力下降的幅度反而是减小的。也就是说，当变形很大时，长细比大的构件的承载能力减小比例反而小，延性更好，这对于结构的抗震是有利的。

为了进一步说明问题，图 4 中将坐标系进行了无量纲化，纵坐标分别除以各种的最大荷载，横坐标为跨中位移除以杆件长度（表征杆件变形角度）。从图 4 中可以看出，长细比大的杆件屈曲后的性能依然好于长细比小的杆件。从弹塑性计算结果可以看出，长细比大的压杆反而具有更为优异的屈曲后性能。

5. 小结

从本文的分析可以得到下面几个结论：

（1）我国抗震规范和高钢规对受压支撑长细比的限值规定类似，均出于对其受压承载能力的考虑，且与钢材的强度相关；

（2）欧洲规范的限值也与钢材强度相关，但是限值要宽松许多；

（3）美国规范 AISC341 对于对角斜撑和交叉支撑仅要求不大于 200（出于正常使用考虑）。对于 V 形和人字撑要求与我国规范接近，主要是考虑竖向不平衡力的影响；

（4）高钢规受压支撑的限值可能是来源于对 AISC341 条文的误读；

（5）从受压支撑弹塑性分析的结果看，长细比大的支撑反而具有更好的屈曲后性能；

（6）建议我国规范支撑长细比限值参考 AISC341 ：长细比不大于 200 ，但对于 V 形和人字撑不大于 120(235/ f _y )^0.5 。