Effect of Bracing Configuration on the Lateral Response of Multi- Storey Steel Buildings under Wind Loading: A Comparative Study Using Tekla Structures
本研究利用 Tekla Structures 证明，在 ASCE 7–16 风载荷作用下的十层钢结构建筑三种同心支撑配置中，X 型支撑与倒 V 型及 K 型支撑系统相比，具有更优越的侧向刚度和更小的漂移。
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高大的钢结构建筑就像矗立在天空下的巨大骨架，虽然它们必须支撑自身的重量，但它们面临着一个更持久的对手：风。随着建筑高度的增加，挤压建筑的空气力量也随之增强，试图使建筑向侧面弯曲。如果建筑摇晃过度，即使不会倒塌，内部人员也会感到不适，墙壁或窗户也可能出现裂缝。为了阻止这种摇晃，工程师们添加了一层被称为“支撑”的隐藏支撑层。可以将这些支撑想象成对角线杆件，它们将一个灵活的矩形转变为一个刚性的三角形，使整个框架变得更加坚硬。然而，并没有一种完美的单一形状。工程师们可以以不同的模式排列这些杆件，例如交叉线、倒V型或类似于字母K的形状，每种模式对风的反应各不相同。关于哪种模式效果最好的问题，不仅关乎安全性，更在于寻找最有效利用材料的方法，使建筑既坚固又不会过于沉重或昂贵。
在最近的一项研究中，研究人员试图通过在完全相同的条件下测试三种最常见的支撑模式来解决这个问题。他们针对的是一座十层高的钢结构建筑，该建筑具有方形平面并高三十二米。利用先进的计算机软件，他们构建了这个建筑的数字版本，并使其承受一股强烈的风载荷，该载荷经过计算，符合高风区实际工程建设的标准。他们实验的关键在于严格控制：他们保持了建筑的大小、楼层的重量以及风的强度在每次测试中完全一致。他们唯一改变的是对角支撑的排列方式。在第一个版本中，他们使用了X型支撑系统，即两根杆件在框架中间相互交叉。在第二个版本中，他们使用了倒V型系统，即两根杆件在梁顶汇合，形成一个向下指向的V字形。在第三个版本中，他们使用了K型支撑系统，即杆件连接到垂直柱子的中间，形成一个K字形。
这次对比的结果清晰且具有决定性。配备X型支撑系统的建筑表现最为稳固。当风冲击模型时，这种配置使建筑的摇晃程度最小，结构顶部仅偏离原位约14.8毫米。各层之间的相对位移也非常小，层间最大位移仅为1.7毫米。倒V型系统的表现处于中等水平。它比K型支撑的版本更硬，但不如X型支撑那样刚硬，导致屋顶位移为26.8毫米，峰值楼层偏移为3.1毫米。然而，K型支撑系统表现最差。在同样的风压下，这种排列方式导致屋顶的挠度几乎是X型支撑版本的近三倍，达到了43.6毫米。表现最好与最差者之间的差异非常显著，K型支撑的建筑顶部摇晃幅度几乎是X型支撑的三倍。
为什么X型支撑会胜出？答案在于力是如何在结构中传递的。在X型支撑设计中，对角杆件直接协同工作，沿着其整个长度进行拉力和推力作用以抵御风力。这为力向下传导至地面创造了一条非常直接的路径，使建筑极其坚硬。在其他两种设计中，杆件连接在梁或柱的中间点，这迫使那些水平或垂直构件为了适应运动而发生轻微弯曲。这种弯曲引入了一定的灵活性，而X型支撑则避免了这一点。研究证实，虽然这三种设计都足够强大，能够满足安全标准且不会失效，但对于同等用钢量而言，X型支撑提供了最高的刚度。这意味着，对于位于多风地区的建筑，选择X型模式可以在不需要额外材料的情况下，为防止摇晃提供最佳保护。
研究人员使用一种名为Tekla Structures的特定软件工具进行了这项工作，这种软件在进行此类对比时不如其他工程程序常用。通过使用这一平台，他们提供了一个看待经典问题的全新视角，证明了该软件在处理复杂风载分析方面与传统工具同样出色。该研究并未探讨地震或动态震动，而是专注于建筑在持续强风下的表现。它也没有测试每一种可能的建筑形状或高度，但由于结果在十层高度内具有一致性，表明这些系统的排名是可靠的。对于设计高大钢结构建筑的建筑师和工程师来说，信息非常明确：如果目标是在保持结构经济性的同时，最大限度地减少建筑在风中的移动，那么在所测试的选项中，交叉X型支撑是最有效的选择。
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