鋼框架偏心支撐耗能梁段研究

1、偏心支撐鋼框架耗能梁段研究前言當(dāng)抗彎鋼框架采取合理的設(shè)計(jì)和施工時(shí)，可以表現(xiàn)出良好的延性，但抗彎鋼框架結(jié)構(gòu)彈性剛度較差，一般設(shè)計(jì)時(shí)由側(cè)移控制。中心支撐框架雖然有很好的抗側(cè)移剛度，但它的耗能能力由于支撐的屈曲而受影響。20世紀(jì)70年代早期，在日本提出了一種吸取抗彎鋼框架和中心支撐各自?xún)?yōu)點(diǎn)而改良的鋼結(jié)構(gòu)體系，稱(chēng)為偏心支撐鋼框架（EBF）。與中心支撐鋼框架相比，偏心支撐鋼框架在以下幾個(gè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì):(1)能夠準(zhǔn)確有效地控制結(jié)構(gòu)在水平地震下的變位，減小層間及整體結(jié)構(gòu)的側(cè)移;(2)具有較大的結(jié)構(gòu)延性;(3)耗能梁段的剪切屈服起到類(lèi)似“保險(xiǎn)絲”的作用，耗散強(qiáng)烈地震時(shí)過(guò)多的能量;(4)耗鋼量小，可節(jié)省20

2、%-30%的鋼材;(5)適用范圍廣，不僅適用于高層建筑結(jié)構(gòu)，而且可用到多層建筑;(6)提供一種剛性的結(jié)構(gòu)體系而不過(guò)多地耗費(fèi)鋼材，具有較好的經(jīng)濟(jì)性;典型的偏心支撐形式見(jiàn)圖，有加勁肋的關(guān)鍵的一段梁叫耗能梁段。圖偏心支撐的常見(jiàn)類(lèi)型圖2 水平地震作用下偏心、中心支撐的變形狀態(tài)偏心支撐鋼框架通過(guò)耗能梁段的彎曲和剪切將支撐中的軸力傳遞給柱或另一根支撐，耗能梁段以穩(wěn)定的工作性能來(lái)?yè)?dān)當(dāng)結(jié)構(gòu)中的“保險(xiǎn)絲”，耗散地震能量。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期目的，耗能梁段需采取合理的構(gòu)造細(xì)節(jié)以具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定的能量耗散能力，其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件（耗能梁段以外的梁、支撐、柱和節(jié)點(diǎn)）需按能力方法設(shè)計(jì)，以耗能梁段實(shí)際能力產(chǎn)生的力而不是規(guī)范規(guī)定的設(shè)

3、計(jì)地震荷載來(lái)設(shè)計(jì)。1.基本性能1.1內(nèi)力分布特點(diǎn)偏心支撐鋼框架由于其框架梁與框架柱是剛性連接，而支撐斜桿與框架的梁、柱為鉸接或剛性連接，因此這類(lèi)框架既有框架的一些受力特點(diǎn)，即框架柱及框架梁均產(chǎn)生彎矩、剪力及軸向力；又有豎向懸臂桁架的受力特點(diǎn)，即支撐斜桿承擔(dān)大部分水平剪力及相應(yīng)的軸向力。但是，由于設(shè)置耗能梁段，故也有較明顯的差異之處。由圖3可知，偏心支撐有如下受力特點(diǎn)：在水平地震作用下，耗能梁段承受較大的桿端彎矩和豎向剪力，其軸向力較?。缓哪芰憾蝺蓚?cè)或一側(cè)的框架梁，承受較大的彎矩和軸向力；耗能梁段在跨中存在反彎點(diǎn)，故沿其縱軸變形呈形。圖3型和型偏心支撐的內(nèi)力分布1.2耗能破壞機(jī)構(gòu)考察圖4所示的理

4、想彈塑性偏心支撐破壞機(jī)構(gòu)，一旦耗能梁段剪切屈服，其塑性機(jī)構(gòu)如圖所示，運(yùn)用簡(jiǎn)單的塑性理論，可得： 或 (1)式中：為塑性側(cè)移角（或塑性樓層側(cè)移比）；為耗能梁段的塑性轉(zhuǎn)角。從式（）可以看出，耗能梁段的延性決定了整個(gè)偏心支撐框架的延性，在耗能梁段長(zhǎng)度一定的情況下，耗能梁段的塑性轉(zhuǎn)角越大，樓層的塑性轉(zhuǎn)角也越大，即延性越好。結(jié)構(gòu)在大震下彈塑性變形驗(yàn)算時(shí)，不僅要滿(mǎn)足彈塑性層間位移角限值的要求，還要根據(jù)式（）驗(yàn)算耗能梁段的轉(zhuǎn)角是否超過(guò)耗能梁段本身的最大塑性轉(zhuǎn)角。圖4偏心支撐的耗能塑性破壞機(jī)構(gòu)2.耗能梁段的設(shè)計(jì)2.1耗能梁段的類(lèi)型圖5為分離的耗能梁段，忽略軸力、彎矩與剪力的相互作用，當(dāng)耗能梁段兩端的彎矩和都達(dá)

5、到其塑性彎矩時(shí)，兩端則形成彎曲鉸，當(dāng)剪力達(dá)到塑性剪力時(shí)，剪切鉸形成。圖5耗能梁段的內(nèi)力平衡塑性鉸彎矩和塑性鉸剪力按下式計(jì)算： ， （2）當(dāng)彎曲鉸和剪切鉸同時(shí)形成時(shí)，可由平衡條件得到： （3）式（）即為剪切型和彎曲型耗能梁段的分界。當(dāng)，剪切鉸先于彎曲鉸形成，這種耗能梁段稱(chēng)為剪切型耗能梁段。當(dāng)，彎曲鉸先于剪切鉸形成。這種耗能梁段稱(chēng)為彎曲型耗能梁段，則相應(yīng)的剪力為 （）基于理想的塑性理論，對(duì)式（）可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行修正，以考慮彎矩和剪力的相互作用。然而試驗(yàn)研究結(jié)果表明，其相互作用非常小，故可以忽略。試驗(yàn)同時(shí)也表明，設(shè)置合理加勁肋的剪切型耗能梁段由于應(yīng)變硬化，抗剪強(qiáng)度可達(dá)到1.5，耗能梁段兩端端彎矩可達(dá)到

6、1.2。所以式（）可修正為： （）試驗(yàn)研究表明，當(dāng)偏心支撐中采用長(zhǎng)耗能梁段時(shí)，偏心支撐的非彈性變形能力會(huì)明顯降低，按照以上的邏輯，當(dāng)彎曲鉸主要控制耗能梁段的性能時(shí)，耗能梁段兩端的彎矩可達(dá)到1.3 ，剪力控制在之內(nèi)。則：為彎曲型耗能梁段；可認(rèn)為是過(guò)渡區(qū)，此時(shí)，耗能梁段同時(shí)發(fā)生剪切和彎曲屈服，稱(chēng)為彎剪型耗能梁段。圖6對(duì)偏心支撐中的耗能梁段進(jìn)行了分類(lèi)，當(dāng)長(zhǎng)耗能梁段用于和型偏心支撐時(shí)，耗能梁段與柱焊接節(jié)點(diǎn)承受大的彎矩，很可能發(fā)生耗能梁段與柱連接節(jié)點(diǎn)的脆斷。在沒(méi)有受建筑方面要求的限制時(shí)，耗能梁段宜選剪切型耗能梁段，一般可取0.100.15的梁長(zhǎng)度。剪切型耗能梁段不但延性好，而且抗側(cè)移剛度大，但耗能梁段不

7、應(yīng)過(guò)短，耗能梁段越短，其塑性變形越大，這樣可能使得耗能梁段過(guò)早地破壞，同時(shí)耗能梁段與非耗能梁段的夾角越大，從而導(dǎo)致樓板破壞更嚴(yán)重。所以建議剪切型耗能梁段長(zhǎng)度一般要大于。圖6耗能梁段的分類(lèi)2.2軸力對(duì)耗能梁段的影響軸力的存在降低了耗能梁段的抗彎和抗剪以及變形能力，當(dāng)軸力超過(guò)全截面屈服軸力的時(shí)，由-的相互關(guān)系計(jì)算降低后的塑性彎矩： （6）降低的剪力為： （7）將式（）、式（）中的、代替式（）中和，且當(dāng)時(shí)可以計(jì)算降低的為： （8）其中 , 當(dāng)時(shí)，可以忽略軸力的影響。3.抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)和應(yīng)注意的問(wèn)題3.1偏心支撐框架在抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)和應(yīng)注意的問(wèn)題（1）為使消能梁段有良好的延性和消能能力，其鋼材應(yīng)采取Q23

8、5或Q345；（2）板件寬厚比應(yīng)符合表1要求；（3）消能段長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足以下二式的要求：當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，式中，消能梁段塑性受剪承載力；消能梁段塑性受彎承載力；消能梁段腹板高度；消能梁段腹板厚度；消能梁段截面塑性抵抗矩；消能梁段截面面積；消能梁段腹板截面面積。表1偏心支撐框架梁板件寬厚比限值（4）為使消能梁段在反復(fù)荷載下具有良好的滯回性能，需采取合適的構(gòu)件并加強(qiáng)對(duì)腹板的約束： a支撐斜桿軸力的水平分量成為消能梁段的軸向力，當(dāng)此軸向力較大時(shí)，除降低此梁段的受剪承載力外，還需減少該梁段的長(zhǎng)度，以保證它具有良好的滯回性能。b由于腹板上貼焊的補(bǔ)強(qiáng)板不能進(jìn)入彈塑性變形，因此不能采用補(bǔ)強(qiáng)板；腹板上開(kāi)洞也會(huì)影響其彈塑

9、性變形能力。c. 消能梁段與支撐斜桿的連接處，需設(shè)置與腹板等高的加勁肋，以傳遞梁段的剪力并防止連梁腹板屈曲。d. 消能梁段腹板的中間加勁肋，需按梁段的長(zhǎng)度區(qū)別對(duì)待，較短時(shí)為剪切屈服型，加勁肋間距小些；較長(zhǎng)時(shí)為彎曲屈服型，需在距端部1.5倍的翼緣寬度處配置加勁肋；中等長(zhǎng)度時(shí)需同時(shí)滿(mǎn)足剪切屈服型和彎曲屈服型的要求。偏心支撐的斜桿中心線(xiàn)與梁中心線(xiàn)的交點(diǎn)，一般在消能梁段的端部，也允許在消能梁段內(nèi)（如圖7），此時(shí)將產(chǎn)生與消能梁段端部彎矩方向相反的附加彎矩，從而減少消能梁段和支撐桿的彎矩，對(duì)抗震有利；但交點(diǎn)不應(yīng)在消能梁段以外，因此時(shí)將增大支撐和消能梁段的彎矩，于抗震不利。圖7 偏心支撐與消能梁段的局部構(gòu)造

10、（5）為保證在塑性變形過(guò)程中消能梁段的腹板不發(fā)生局部屈曲，應(yīng)按下列規(guī)定在梁腹板兩側(cè)設(shè)置加勁肋（圖8）：圖8 偏心支撐框架消能梁段加勁肋的布置1）在與偏心支撐連接處應(yīng)設(shè)加勁肋。2）在距消能梁段端部處，應(yīng)設(shè)加勁肋。為消能梁段翼緣寬度。3）在消能梁段中部應(yīng)設(shè)加勁肋，加勁肋間距C應(yīng)根據(jù)消能梁段長(zhǎng)度a確定。當(dāng)時(shí)，最大間距為；當(dāng)時(shí)，最大間距為。當(dāng)a介于以上兩者之間時(shí)，最大間距用線(xiàn)性插值確定。其中、分別為消能梁段腹板厚度與高度。消能梁段加勁肋的寬度不得小于，厚度不得小于或10mm。加勁肋應(yīng)采用角焊縫與消能梁段腹板和翼緣焊接，加勁肋與消能梁段腹板的焊縫應(yīng)能承受大小為的力，與翼緣的焊縫應(yīng)能承受大小為/4的力。其

11、中為加勁肋的截面面積，為加勁肋屈服強(qiáng)度。4.偏心支撐設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題及建議）偏心支撐的能力設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的按彈性?xún)?nèi)力設(shè)計(jì)的方法不同，偏心支撐中耗能梁段按結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)絲的作用設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)地震荷載要求，其他所有構(gòu)件（耗能梁段外的梁，支撐，柱和節(jié)點(diǎn)）都必須按耗能梁段中實(shí)際或者期望的力設(shè)計(jì)，不能按規(guī)范規(guī)定的地震所產(chǎn)生的荷載設(shè)計(jì)。）當(dāng)按耗能梁段破環(huán)，其他構(gòu)件基本處于彈性階段時(shí)，能力設(shè)計(jì)要求在規(guī)范規(guī)定的屈服強(qiáng)度基礎(chǔ)上，不僅要考慮應(yīng)變硬化，還要考慮材料超強(qiáng)而引起的強(qiáng)度提高。而偏心支撐在我國(guó)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)這兩個(gè)因素都未很好考慮，首先材料屈服強(qiáng)度的提高離散性很大，還未對(duì)其做出較好的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其次，我

12、國(guó)尚未作過(guò)獨(dú)立足尺耗能梁段的低周反復(fù)試驗(yàn)研究，對(duì)耗能梁段由于應(yīng)變硬化而產(chǎn)生的超強(qiáng)還不清楚，只是參考國(guó)外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。）耗能梁段外其他構(gòu)件的設(shè)計(jì)除了按規(guī)范規(guī)定的荷載組合確定外，對(duì)于包括地震效應(yīng)的荷載組合，應(yīng)以一個(gè)荷載來(lái)代替地震效應(yīng)，式中對(duì)于支撐定義為至少耗能梁段達(dá)到所產(chǎn)生的支撐軸力和彎矩，對(duì)于柱和非耗能梁段定義為至少耗能梁段達(dá)所產(chǎn)生的軸力和彎矩。而我國(guó)規(guī)定其他構(gòu)件的設(shè)計(jì)按包括水平荷載的最不利荷載組合下效應(yīng)乘以放大系數(shù)，此放大系數(shù)包括兩部分，一部分為耗能梁段的超強(qiáng)系數(shù)，另一部分為耗能梁段的剪切強(qiáng)度與耗能梁段剪力設(shè)計(jì)值之比。從上可以看出，我國(guó)對(duì)耗能梁段外其他構(gòu)件的設(shè)計(jì)不僅放大了水平荷載產(chǎn)生的效應(yīng)，同時(shí)

13、也放大了重力荷載代表值效應(yīng)，顯然過(guò)于保守。）偏心支撐結(jié)構(gòu)中有一類(lèi)耗能梁段與柱直接相連，耗能梁段與柱相連節(jié)點(diǎn)與特殊抗彎鋼框架的節(jié)點(diǎn)受力和變形不同，甚至有時(shí)比特殊抗彎鋼框架的受力和變形更嚴(yán)重，所以此連接節(jié)點(diǎn)成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加倍注意，如按我國(guó)目前規(guī)范規(guī)定的全焊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，很可能在耗能梁段未充分發(fā)揮其耗能能力前，節(jié)點(diǎn)早已脆性破壞。）偏心支撐中非耗能梁段的梁承受較大的彎矩和軸力，不應(yīng)按一般設(shè)計(jì)軟件所提供的梁受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮軸力的影響，按壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。）偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在大震下進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算時(shí)，不僅要滿(mǎn)足彈塑性層間位移角限值的要求，還要特別驗(yàn)算耗能梁段的轉(zhuǎn)角是否超過(guò)耗能梁段本身的最

14、大塑性轉(zhuǎn)角，這一點(diǎn)在我國(guó)規(guī)范中未規(guī)定，設(shè)計(jì)者應(yīng)重視。5. 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用實(shí)例美國(guó)新標(biāo)準(zhǔn)偏心支撐框架設(shè)計(jì)的修訂，以及構(gòu)件和連接設(shè)計(jì)的一些問(wèn)題，最大的特點(diǎn)就是相關(guān)構(gòu)件的內(nèi)力增大系數(shù)進(jìn)行了顯著的降低，降低幅度相對(duì)比較大。我們國(guó)家的抗規(guī)規(guī)定也結(jié)合國(guó)情做了相應(yīng)的修改，有利于偏心支撐框架的利用。偏心支撐框架在彈性階段有較大的剛度，在彈塑階段有良好的延性和優(yōu)越的耗能能力。通過(guò)這樣的修改相信會(huì)給偏心支撐框架帶來(lái)良好的應(yīng)用前景。該結(jié)構(gòu)體系在美國(guó)和日本的高地震烈度區(qū)使用較多。具有代表性的是具有代表性的偏心支撐鋼框架建筑為1981年建成的位于圣地亞哥港19層的美國(guó)銀行大廈。國(guó)內(nèi)同濟(jì)大學(xué)的土木樓的樓梯間就使用了偏心支撐。

15、圖9 同濟(jì)大學(xué)土木學(xué)院大樓偏心支撐參考文獻(xiàn)1GB50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范2JGJ99-98高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程3申林，蔡益燕，郁銀泉偏心支撐鋼框架設(shè)計(jì)方法建筑結(jié)構(gòu)，2002（2）：13-164黃世敏，楊沈等.建筑震害與設(shè)計(jì)對(duì)策.中國(guó)計(jì)劃出版社，ZOOg.H5周俐俐，王汝恒.鋼結(jié)構(gòu).中國(guó)水利水電出版社，2009.086劉大海，楊翠如.高樓鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)M.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，20047哈敏強(qiáng).幾種鋼框架一支撐結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)和性能J.住宅科技，2004，38C.W. Roeder, E.P. Popov Eccentrically braced steel frames for

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