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抗彎鋼框架采取合理的設計和施工時，可以表現(xiàn)出良好的延性，但抗彎鋼框架結構彈性剛度較差，一般設計時由側移控制。中心支撐框架雖然有很好的抗側移剛度，但它的耗能能力由于支撐的屈曲而受影響。20世紀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優(yōu)點而改良的鋼結構體系，稱為偏心支撐鋼框架（EBF）。與中心支撐鋼框架相比，偏心支撐鋼框架在以下幾個方面具有明顯優(yōu)勢:(1)能夠準確有效地控制結構在水平地震下的變位，減小層間及整體結構的側移;(2)具有較大的結構延性;(3)耗能梁段的剪切屈服起到類似“保險絲”的作用，耗散強烈地震時過多的能量;(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構，而且可用到多層建筑;(6)提供一種剛性的結構體系而不過多地耗費鋼材，具有較好的經濟性;典型的偏心支撐形式見圖，有加勁肋的關鍵的一段梁叫耗能梁段。圖偏心支撐的常見類型圖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)定的工作性能來擔當結構中的“保險絲”，耗散地震能量。為了實現(xiàn)預期目的，耗能梁段需采取合理的構造細節(jié)以具有足夠的強度和穩(wěn)定的能量耗散能力，其他結構構件（耗能梁段以外的梁、支撐、柱和節(jié)點）需按能力方法設計，以耗能梁段實際能力產生的力而不是規(guī)范規(guī)定的設

3、計地震荷載來設計。1.基本性能1.1內力分布特點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，因此這類框架既有框架的一些受力特點，即框架柱及框架梁均產生彎矩、剪力及軸向力；又有豎向懸臂桁架的受力特點，即支撐斜桿承擔大部分水平剪力及相應的軸向力。但是，由于設置耗能梁段，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：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??；耗能梁段兩側或一側的框架梁，承受較大的彎矩和軸向力；耗能梁段在跨中存在反彎點，故沿其縱軸變形呈形。圖3型和型偏心支撐的內力分布1.2耗能破壞機構考察圖4所示的理

4、想彈塑性偏心支撐破壞機構，一旦耗能梁段剪切屈服，其塑性機構如圖所示，運用簡單的塑性理論，可得： 或 (1)式中：為塑性側移角（或塑性樓層側移比）；為耗能梁段的塑性轉角。從式（）可以看出，耗能梁段的延性決定了整個偏心支撐框架的延性，在耗能梁段長度一定的情況下，耗能梁段的塑性轉角越大，樓層的塑性轉角也越大，即延性越好。結構在大震下彈塑性變形驗算時，不僅要滿足彈塑性層間位移角限值的要求，還要根據(jù)式（）驗算耗能梁段的轉角是否超過耗能梁段本身的最大塑性轉角。圖4偏心支撐的耗能塑性破壞機構2.耗能梁段的設計2.1耗能梁段的類型圖5為分離的耗能梁段，忽略軸力、彎矩與剪力的相互作用，當耗能梁段兩端的彎矩和都達

5、到其塑性彎矩時，兩端則形成彎曲鉸，當剪力達到塑性剪力時，剪切鉸形成。圖5耗能梁段的內力平衡塑性鉸彎矩和塑性鉸剪力按下式計算： ， （2）當彎曲鉸和剪切鉸同時形成時，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，剪切鉸先于彎曲鉸形成，這種耗能梁段稱為剪切型耗能梁段。當，彎曲鉸先于剪切鉸形成。這種耗能梁段稱為彎曲型耗能梁段，則相應的剪力為 （）基于理想的塑性理論，對式（）可以簡單地進行修正，以考慮彎矩和剪力的相互作用。然而試驗研究結果表明，其相互作用非常小，故可以忽略。試驗同時也表明，設置合理加勁肋的剪切型耗能梁段由于應變硬化，抗剪強度可達到1.5，耗能梁段兩端端彎矩可達到

6、1.2。所以式（）可修正為： （）試驗研究表明，當偏心支撐中采用長耗能梁段時，偏心支撐的非彈性變形能力會明顯降低，按照以上的邏輯，當彎曲鉸主要控制耗能梁段的性能時，耗能梁段兩端的彎矩可達到1.3 ，剪力控制在之內。則：為彎曲型耗能梁段；可認為是過渡區(qū)，此時，耗能梁段同時發(fā)生剪切和彎曲屈服，稱為彎剪型耗能梁段。圖6對偏心支撐中的耗能梁段進行了分類，當長耗能梁段用于和型偏心支撐時，耗能梁段與柱焊接節(jié)點承受大的彎矩，很可能發(fā)生耗能梁段與柱連接節(jié)點的脆斷。在沒有受建筑方面要求的限制時，耗能梁段宜選剪切型耗能梁段，一般可取0.100.15的梁長度。剪切型耗能梁段不但延性好，而且抗側移剛度大，但耗能梁段不

7、應過短，耗能梁段越短，其塑性變形越大，這樣可能使得耗能梁段過早地破壞，同時耗能梁段與非耗能梁段的夾角越大，從而導致樓板破壞更嚴重。所以建議剪切型耗能梁段長度一般要大于。圖6耗能梁段的分類2.2軸力對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，當軸力超過全截面屈服軸力的時，由-的相互關系計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，且當時可以計算降低的為： （8）其中 , 當時，可以忽略軸力的影響。3.抗震設計要點和應注意的問題3.1偏心支撐框架在抗震設計要點和應注意的問題（1）為使消能梁段有良好的延性和消能能力，其鋼材應采取Q23

8、5或Q345；（2）板件寬厚比應符合表1要求；（3）消能段長度應滿足以下二式的要求：當時，當時，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荷載下具有良好的滯回性能，需采取合適的構件并加強對腹板的約束： a支撐斜桿軸力的水平分量成為消能梁段的軸向力，當此軸向力較大時，除降低此梁段的受剪承載力外，還需減少該梁段的長度，以保證它具有良好的滯回性能。b由于腹板上貼焊的補強板不能進入彈塑性變形，因此不能采用補強板；腹板上開洞也會影響其彈塑

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，需按梁段的長度區(qū)別對待，較短時為剪切屈服型，加勁肋間距小些；較長時為彎曲屈服型，需在距端部1.5倍的翼緣寬度處配置加勁肋；中等長度時需同時滿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與梁中心線的交點，一般在消能梁段的端部，也允許在消能梁段內（如圖7），此時將產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，對抗震有利；但交點不應在消能梁段以外，因此時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造

10、（5）為保證在塑性變形過程中消能梁段的腹板不發(fā)生局部屈曲，應按下列規(guī)定在梁腹板兩側設置加勁肋（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設加勁肋。2）在距消能梁段端部處，應設加勁肋。為消能梁段翼緣寬度。3）在消能梁段中部應設加勁肋，加勁肋間距C應根據(jù)消能梁段長度a確定。當時，最大間距為；當時，最大間距為。當a介于以上兩者之間時，最大間距用線性插值確定。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能承受大小為的力，與翼緣的焊縫應能承受大小為/4的力。其

11、中為加勁肋的截面面積，為加勁肋屈服強度。4.偏心支撐設計中應注意的問題及建議）偏心支撐的能力設計方法與傳統(tǒng)的按彈性內力設計的方法不同，偏心支撐中耗能梁段按結構保險絲的作用設計，滿足規(guī)范規(guī)定的設計地震荷載要求，其他所有構件（耗能梁段外的梁，支撐，柱和節(jié)點）都必須按耗能梁段中實際或者期望的力設計，不能按規(guī)范規(guī)定的地震所產生的荷載設計。）當按耗能梁段破環(huán)，其他構件基本處于彈性階段時，能力設計要求在規(guī)范規(guī)定的屈服強度基礎上，不僅要考慮應變硬化，還要考慮材料超強而引起的強度提高。而偏心支撐在我國實際應用過程中對這兩個因素都未很好考慮，首先材料屈服強度的提高離散性很大，還未對其做出較好的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其次，我

12、國尚未作過獨立足尺耗能梁段的低周反復試驗研究，對耗能梁段由于應變硬化而產生的超強還不清楚，只是參考國外的試驗數(shù)據(jù)。）耗能梁段外其他構件的設計除了按規(guī)范規(guī)定的荷載組合確定外，對于包括地震效應的荷載組合，應以一個荷載來代替地震效應，式中對于支撐定義為至少耗能梁段達到所產生的支撐軸力和彎矩，對于柱和非耗能梁段定義為至少耗能梁段達所產生的軸力和彎矩。而我國規(guī)定其他構件的設計按包括水平荷載的最不利荷載組合下效應乘以放大系數(shù)，此放大系數(shù)包括兩部分，一部分為耗能梁段的超強系數(shù)，另一部分為耗能梁段的剪切強度與耗能梁段剪力設計值之比。從上可以看出，我國對耗能梁段外其他構件的設計不僅放大了水平荷載產生的效應，同時

13、也放大了重力荷載代表值效應，顯然過于保守。）偏心支撐結構中有一類耗能梁段與柱直接相連，耗能梁段與柱相連節(jié)點與特殊抗彎鋼框架的節(jié)點受力和變形不同，甚至有時比特殊抗彎鋼框架的受力和變形更嚴重，所以此連接節(jié)點成為設計的難點，設計時應加倍注意，如按我國目前規(guī)范規(guī)定的全焊節(jié)點進行設計，很可能在耗能梁段未充分發(fā)揮其耗能能力前，節(jié)點早已脆性破壞。）偏心支撐中非耗能梁段的梁承受較大的彎矩和軸力，不應按一般設計軟件所提供的梁受彎構件設計，應考慮軸力的影響，按壓彎構件進行設計。）偏心支撐鋼框架結構在大震下進行彈塑性變形驗算時，不僅要滿足彈塑性層間位移角限值的要求，還要特別驗算耗能梁段的轉角是否超過耗能梁段本身的最

14、大塑性轉角，這一點在我國規(guī)范中未規(guī)定，設計者應重視。5. 國內外應用實例美國新標準偏心支撐框架設計的修訂，以及構件和連接設計的一些問題，最大的特點就是相關構件的內力增大系數(shù)進行了顯著的降低，降低幅度相對比較大。我們國家的抗規(guī)規(guī)定也結合國情做了相應的修改，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。通過這樣的修改相信會給偏心支撐框架帶來良好的應用前景。該結構體系在美國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層的美國銀行大廈。國內同濟大學的土木樓的樓梯間就使用了偏心支撐。

15、圖9 同濟大學土木學院大樓偏心支撐參考文獻1GB50011-2001建筑抗震設計規(guī)范2JGJ99-98高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程3申林，蔡益燕，郁銀泉偏心支撐鋼框架設計方法建筑結構，2002（2）：13-164黃世敏，楊沈等.建筑震害與設計對策.中國計劃出版社，ZOOg.H5周俐俐，王汝恒.鋼結構.中國水利水電出版社，2009.086劉大海，楊翠如.高樓鋼結構設計M.北京:中國建筑工業(yè)出版社，20047哈敏強.幾種鋼框架一支撐結構體系的特點和性能J.住宅科技，2004，38C.W. Roeder, E.P. Popov Eccentrically braced steel frames for

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