關于單斜桿偏心支撐框架的剛度

1、關于偏心支撐框架的剛度、延性相關性的討論一、偏心支撐框架的簡介為了同時滿足抗震對結構剛度、強度和耗能的要求，結構應兼有中心支撐框架剛度與強度好和純框架耗能大的優(yōu)點。基于這樣的思想，提出了一種介于中心支撐框架和純框架之間的抗震結構形式一一偏心支撐框架。偏心支撐框架的工作原理是：在中、小地震作用下，所有構件彈性工作，這時支撐提供主要的抗側力剛度，其工作性能與中心支撐框架相似；在大地震作用下，保證支撐不發(fā)生受壓屈曲，而讓偏心梁段屈服消耗地震能，這時偏心支撐框架的工作性能與純框架相似?？梢姡闹慰蚣艿脑O計應注意兩點：支撐應足夠強，以保證偏心梁段先于支撐屈曲而屈服;在梁截面一定的條件下，偏心梁段的長

2、度不能太大，應設計為剪切屆服梁，以使偏心梁段的承載能力最大，進而使偏心支撐框架的抗側力能力最大，且延性和耗能性好。偏心支撐框架的典型形式見圖1.1所示。圖LI偏心支撐鋼框架體系偏心支撐框架體系是指支撐斜桿至少有一端與梁連接，支撐軸線偏離梁柱的交點，在兩端或跨中形成耗能段的結構體系。偏心支撐結構體系具有中心支撐的特點，能夠提供較高的強度和剛度，滿足規(guī)范要求的層間位移及側移，在罕遇地震作用下，一方面通過耗能段的非彈性變形將地震能耗散掉，另一方面是使耗能段的剪切屈曲先發(fā)生，從而保護支撐斜桿不屈曲或在耗能段發(fā)生屈曲后發(fā)生，偏心支撐框架結構體系要求結構在強度、剛度、延性和能量耗散四者之間保持均衡。設計合

3、理的偏心支撐結構體系，可使耗能段在正常使用階段或小震情況下保持在彈性范圍內，而在強震作用下，通過耗能段的非彈性變形耗能。通過比較框架結構體系、中心支撐框架結構體系及偏心支撐框架結構體系在循環(huán)荷載作用下的滯回性能,可以更好地了解偏心支撐框架結構體系的延性和耗能能力。二、偏心支撐框架結構與純框架結構、中心支撐框架結構的比較鋼框架結構體系由梁、柱通過剛性或半剛性節(jié)點組成，具有結構簡單、平面布置靈活、不設柱間支撐、剛度均勻以及良好的延性和較強的耗能能力等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用。但是框架結構體系較柔，彈性剛度較差，為了控制層間位移及側移，有時必須采用超過承載力要求的梁柱截面，往往在經濟上造成巨大的浪

4、費，從而失去了經濟合理性，在應用上受到了限制，一般多用于30層以下。一般來說，框架結構體系作為柔性體結構體系，因構造合理，具有良好的抗震性能，但使用在高烈度地震區(qū)承受較大的地震作用時，則沒有足夠的抗側移剛度來控制結構的層間位移和總體位移，致使非結構構件損傷嚴重，并且結構僅僅通過梁柱的非線性變形來消耗地震的能量，這就造成梁柱端、框架節(jié)點和樓板損傷嚴重，框架結構體系為單一抗側力體系，加上P一效應的影響，其破壞程度較大，甚至會引起結構局部或整體的倒塌。框架支撐體系是由框架體系演變而來的，即在框架體系中對部分框架柱之間設置豎向支撐，形成若干榻帶豎向支撐的框架。支撐結構體系通過剛性樓板或彈性樓板的變形協(xié)

5、調與剛接框架共同工作，形成一雙重抗側力結構體系。在水平荷載作用下，支撐產生的變形是伸長和縮短，而框架柱和梁為彎曲變形，在變形協(xié)調的情況下，全部水平力都將作用在支撐上，而框架幾乎不受力，當支撐體系破壞后，水平荷載由框架承擔，因而框架支撐體系在風載及中等以上強度地震作用下具有良好的抗震性能，成為高層結構中應用最多的體系之一?？蚣苤谓Y構體系分為中心支撐框架結構體系和偏心支撐框架結構體系,中心支撐框架結構體系在彈性階段工作時強度和整體剛度都較好，在中低烈度區(qū)或當側向荷載主要是風荷載時，常被廣泛使用。然而，在高烈度地震區(qū)，其耗能能力和非彈性工作性能不佳。這主要是由于在強烈地震作用下，支撐桿件受壓后易發(fā)

6、生屈曲，使得結構的耗能機構不穩(wěn)定，水平承載力急劇下降。中心支撐框架體系是利用支撐變形來耗能，在水平地震中用下，中心支撐受壓容易產生側向屈曲，產生以下后果：支撐斜桿重復壓屈后，其受壓承載力急劇降低；支撐的兩側柱子產生很大的內力及應力；往復的水平地震作用，斜桿會從受壓的壓屈狀態(tài)變?yōu)槭芾睦鞝顟B(tài)，這將對結構產生沖擊性作用力，使支撐及其節(jié)點和相鄰的構件產生很大的附加應力；往復的水平地震作用，使同一層支撐框架的斜桿輪流壓屈又不能恢復，樓層的受剪承載力迅速降低；中心支撐一旦失效，整個結構的抗剪能力大大降低，從而導致整體結構喪失承載力；中心支撐框架結構體系在彈性階段基本上沒有耗能能力，在中等和強烈地震烈度

7、下地震能量主要通過支撐曲屈后的變形來耗能。框架結構體系具有很好的延性和耗能能力，但當樓層較高時，其剛度往往不夠。中心支撐框架體系雖然增加了結構的側向剛度，然而延性差，支撐曲屈后其性能退化，影響整體結構的承載力和耗能能力。偏心支撐框架(eccentricallybracedframes，簡稱EBF)則結合了中心支撐框架強度高、剛度大和純框架結構耗能性能好的優(yōu)點。在偏心支撐鋼框架中，支撐與支撐、或支撐與梁柱節(jié)點不會交，在框架梁上形成了一個偏心的受剪段，這段專門仔細選用的偏心連接起到了“保險絲”的作用，可以避免過大的力傳入支撐使之屈曲。偏心支撐框架體系吸取了框架體系和中心支撐體系的各自優(yōu)點，很好地解

8、決了上述兩種體系中存在的問題，彌補了不足。三、承載力、剛度、延性為主導的結構概念設計概念設計的宗旨就是在特定的空間形式、功能和地理環(huán)境條件下，以結構工程師自身確定的理想承載力、剛度和延性為主導目標，用整體構思來設計各部分有機相連的結構總體系，并能有意識地利用和發(fā)揮結構總體系和主要分體系、以及分體系與構件之間的最佳受力特征與協(xié)調關系。在方案設計和初步設計階段，用概念性近似計算能迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇。這種近似計算方法雖然有一定的誤差，但是概念清楚，定性準確，手算簡單快捷，能很快地比較和選擇出相對最佳的結構方案，乃至估算出主要分體系及其構件的基本尺寸大小，為以后的計算機分析提供

9、比較確切的結構計算模型和所需輸入的原始數據。同時也是施工圖設計階段判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。馬那瓜美洲銀行1972年12月23日尼加拉瓜首都馬那瓜發(fā)生罕遇的強烈地震，5000多人死亡，市區(qū)1萬多棟樓房夷為平地，見圖112。而馬那瓜當時最高的建筑，圖1.2尼加拉瓜馬那瓜美洲銀行大樓（震后所攝）林同炎教授于1963年設計的18層、61m高的美洲銀行一一一棟鋼筋混凝土塔樓，雖位于震中，在樓前的街道上出現(xiàn)了13mm寬的地裂縫，承受著比當時設計規(guī)范（UBC,美國統(tǒng)一建筑規(guī)范）所要求的地面運動水平加速度0.06g大6倍的地震強度（0.35g，相當于里氏6.36.5級）而未倒塌，甚至未嚴

10、重破壞。圖1.2馬那瓜美洲銀行大樓方面是有林同炎教授在馬那瓜美洲銀行的多道防線、剛柔結合的概念設計思想是由4個4.6m等邊的L型柔性筒（H/b=13.37），通過每層的連梁組成一個11.6m11.6m的正方形核心筒作為主要的抗震結構（見圖1一13）。在風荷載和抗震設防烈度的地震作用下具有很大的抗彎剛度（H/6c慫），為了預防未知的罕遇強烈地震，林同炎教授在連梁的中部開了較大的孔洞，一方面可以用來穿越通風管道，減少樓層的結構高度；另意識地形成該結構總體系（第一道防線）中的預定簿弱環(huán)節(jié)，在未來遭遇強烈地震時，通過控制首先在連梁開洞處開裂、屈服、出現(xiàn)塑性鉸，從而變成具有延性和耗能能力的結構體系（第二

11、道防線），即各分體系（L型柔性筒）作為獨立的抗震單元，則整體結構變柔，自振周期變圖1.3馬那瓜美洲銀行大樓平立面圖長，阻尼增加，地震動力反應將大大地減小，從而可以繼續(xù)保持結構的穩(wěn)定性和良好的受力性能。即使在超出彈性極限的情況下，仍具有塑性強度，可以做到較大幅度的搖擺而不倒塌。為確保每一個L型柔性筒都可以作為有效的獨立抗震單元，林同炎教授在L型筒的每面墻內的配筋幾乎都是一樣的。震后的調查正如設計所預料的那樣，這幢建筑核心筒的連梁剪切破壞，混凝土保護層剝落、開裂，這是比較容易修復的。墻體沒有裂縫，只是在核心筒的墻面上掉下了幾塊大理石飾面。這充分說明，雖然主體結構沒有開裂，但剪力墻內已具有很高的應力

12、。也就是說在地震的剪力和彎矩作用下，墻仍處于彈性階段。伯克利加州大學的教授V.Bertero在震后對這幢建筑作了動力分析，見表1一1。顯而易見，當核心筒連梁破壞后，四個L型角筒獨立作用時，結構的自振周期和頂部位移明顯加大，而基底剪力和傾覆力矩卻明顯減小。在正常工作狀態(tài)下，即在風荷載或設防烈度的地震作用下，設計所選擇的結構的自振周期丁=1.3s，相當于0.072n（n樓層數），頂部側向位移12cm,相當于1/500樓高。ai-i馬那瓜美洲銀行大樓動力分析四個角簡共同作用四個角筒分別獨立作用自振周期1*33.3基底剪力（t）27001300傾覆力矩（t-m）9300037000頂部位移（mm）12

13、0240馬那瓜美洲銀行大樓的抗震實例說明了以承載力、剛度和延性為主導目標，設計抗風和抗震都比較理想的高層建筑是完全可能的。在風荷載作用下結構的整體剛度大，有較高的自振頻率；而在罕遇的強烈地震作用下，可通過充分發(fā)揮延性（其中包括結構延性、構件延性或截面延性，與耗能能力使結構仍具有足夠的承載力。四、偏心支撐框架剛度與延性相關性的討論影響Y型偏心支撐框架耗能能力的因素有耗能段長度、截面高度、腹板厚度、翼緣厚度、腹板加勁肋厚度、框架高跨比、支撐截面高度、支撐角度等，其中影響顯著的是耗能段的長度、腹板高度和腹板厚度。本文以這三種參數的變化進行Y型偏心耗能支撐框架的滯回性能研究。通過滯回曲線，對其剛度與延

14、性的相關性進行討論。通過建立Y型支撐耗能段模型，并以有限元分析軟件建立有限元模型，以計算機模擬分析Y型支撐框架體系在循環(huán)荷載作用下的性能。材料屬性:鋼材材性采用應變強化模型，鋼材材性均取其名義值，即Q235鋼b=235MP。，y由于鋼材的極限強度離散性較大，這里取b=375MPa,彈性模量E=206000MPa,混合強化參u數M=0.2，強化模量H=0.01E，泊松比v=0.3。試件尺寸：Base試件跨度取0.72m，層高0.36m，框架柱、框架梁、支撐及耗能段均采用焊接工字形鋼，各構件連接均采用剛接，構件尺寸及各截面尺寸見圖1.4和圖1.5。Y型偏心支撐框架計算模型如圖1.6,所有桿件均劃分

15、為殼單元，支撐與耗能段采用剛接，連接構造見圖1.7。-5丿1-L圖1.6Y型偏心支撐框架計算模型加載過程如圖1.8：圖1.7Y型偏心支撐連接構造圖1.8加載過程示意圖-3D-I荷載歷程表1.2Base試件設計參數（單位：mm）一一Base幾何尺寸HLe36007200600構杵編號1234截面高度400400600200截面寬度400200200200腹板厚度1616U12翼緣厚度20201616加勁肋厚度12加勁肋數量3（1）、YA系列Y型偏心支撐框架與其它框架不同，由于耗能段不是主梁的一部分，其截面大小可以與主梁不同，這在構造上很方便，因此在分析Y型偏心支撐框架時，需要分析耗能段截面改變對

16、結構耗能能力的影響，鑒于此設計了YA系列試件，這個系列的試件與Base試件比較，除耗能段截面高度變化以外，結構其余部分的尺寸都與Base試件相同。試件設計參數件表1.3。表1.3YA系列試件耗能段設計參數參數（單位：mm）試件編號YA1YA2YA3YA41YA5耗能段腹板髙500620740860980圖1.9YA系列試件單向加載曲線（2）、YB系列試件的設計目的是分析偏心支撐框架耗能段長度變化對結構耗能性能的影響。這個系列的試件與Base試件比較，除耗能段長度改變以外，結構其余部分的尺寸都與Base試件相同。YB系列試件與Base試件設計參數不同部分見表1.4。表1.4YB系列試件耗能段設計

17、參數參數（單位：mm）試件編號YB1YB2YB3YB4YB5耗能段民度亡4206007809601140圖1.10YB系列試件單位加載曲線、YC系列為了研究耗能段腹板厚度對Y型偏心支撐框架耗能能力的影響，設計了YC系列試件。YC系列試件中耗能段腹板厚度與Base試件不同，除此以外的結構構件截面及幾何尺寸均與Base試件相同。YC系列試件與Base試件設計參數不同部分見表1.5。圖1.11YC系列試件單位加載曲線表1.5YC系列試件耗能段設計參數參數(單位：mm)試件編號YC1YC2YC3YC4YC5耗能段腹板厚610141822、通過對數據的分析，得到各型號結構的滯回曲線面積與剛度的相關數據見

18、表1.6,通過相關軟件，將其關系通過圖表示。表1.6各型號結構的滯回曲線面積與剛度的相關數據O08拓回環(huán)面積與初始剛度的相關曲線100120140160180200220240初始剛度型號滯回曲線面積初始剛度最終剛度剛度退化剛度退化量YA1416143.5066.350.5477.15YA2482.6175.7876.290.5799.49YA3544.4198.0686.680.56111.38YA4602213.0096.030.55116.97YA5658.2237.76104.490.56133.27YB1513.2221.7685.900.61135.86YB2476.4151.7275.410.5076.31YB3428.7146.0370.430.5275.60YB4369.1122.0165.380.4656.63YB5301.395.3158.560.3936.75YC1330.4131.9750.780.6281.19YC2432.8128.9867.130.4861.85YC3506167.2182.710.5184.50YC4565.6167.