論Y型鋼支撐的國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

蔣思成 于安林

1 概述

Y型偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系，由于耗能梁段與框架橫梁相互獨(dú)立，除具有一般偏心支撐體系的共性外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[1]:

1)Y型偏心支撐耗能段的變形主要產(chǎn)生在水平方向，豎向分量很小，不會對框架橫梁及樓蓋造成嚴(yán)重?fù)p害;2)Y型偏心支撐的耗能段與框架橫梁相互獨(dú)立，耗能段的設(shè)計(jì)與框架橫梁的設(shè)計(jì)彼此間的制約因素減少，可通過改變耗能段的截面尺寸和長度來優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的抗震性能;3)Y型偏心支撐的耗能段只受剪力和彎矩作用，沒有軸向力作用(兩根支撐的豎向分力相互抵消);4)Y型偏心支撐結(jié)構(gòu)的震后修復(fù)工作相對容易，由于結(jié)構(gòu)的殘留塑性變形主要集中在耗能段，僅須將耗能段更換，就可使結(jié)構(gòu)基本恢復(fù)到震前狀態(tài);5)Y型偏心支撐不僅可用于鋼框架結(jié)構(gòu)，也可用于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，同時(shí)還可用于對已建成的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固;6)Y型偏心支撐結(jié)構(gòu)，耗能梁段不論處于彈性工作階段還是彈塑性工作階段，結(jié)構(gòu)的整體剛度(特別是豎向剛度)不會發(fā)生大的變化。

2 Y型鋼支撐的國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

1)1990年，西安建筑科技大學(xué)于安林教授，采用1978年在日本觀察到的038仙臺波，運(yùn)用偽動(dòng)力試驗(yàn)方法，分析了3榀單跨3層的EK型、Y型和K型的大型1/5縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿N形式的結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的時(shí)程曲線、恢復(fù)力特性、支撐局部的塑性變形對整體結(jié)構(gòu)的影響及支撐部分的耗能效果。通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于EK型及Y型支撐的受剪板首先發(fā)生剪切屈服，有效地阻止了支撐桿件的屈曲，而在整個(gè)試驗(yàn)過程中，結(jié)構(gòu)的承載力并沒有降低。

2)1999年，西安建筑科技大學(xué)張斌對Y型偏交支撐框架進(jìn)行了彈塑性靜力及動(dòng)力分析，選擇耗能段的屈服強(qiáng)度、屈服位移、支撐與耗能段的剛度比、Y型支撐與純框架的剛度比作為影響參數(shù)，研究了這些參數(shù)的變化對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，得到以下結(jié)論[2]:a.Y型支撐鋼框架具有較高的彈性剛度，在風(fēng)載及中小烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大，滿足正常使用要求，在強(qiáng)烈地震作用下耗能段受剪屈服，結(jié)構(gòu)剛度減小，具有較大的變形能力，滿足耗能要求，且結(jié)構(gòu)塑性變形主要集中在耗能段桿件，有效地防止了支撐桿件的屈曲;b.Y型支撐中支撐與耗能段剛度之比B/SL對減小結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)效果不理想，設(shè)計(jì) Y型支撐時(shí)，B/SL=2.0較為適宜，且支撐應(yīng)有足夠強(qiáng)度保證耗能段剪切屈服的發(fā)生;c.Y型支撐的剛度與純框架剛度之比 Y/F對改善結(jié)構(gòu)抗震性能有一定效果，其合理取值受地震作用強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間及場地條件等因素影響，建議取值范圍為 3.0～5.0。

3)2001年，西安建筑科技大學(xué)賈子文為研究Y型支撐耗能梁段在低周循環(huán)荷載作用下的耗能性能，建立了耗能梁段模型。采用非線性殼體有限元，引入混合強(qiáng)化的材料本構(gòu)關(guān)系，對剪切屈服型耗能梁段在循環(huán)荷載作用下的滯回性能進(jìn)行了分析。通過計(jì)算，得出影響能量耗散的因素及變化規(guī)律，提出設(shè)計(jì)Y型支撐剪切屈服型耗能梁段的建議和對策[3]:a.為了防止支撐桿件的屈曲先于耗能段腹板的屈服，應(yīng)使得耗能段的抗剪承載力小于支撐桿件的穩(wěn)定承載力;b.為使耗能段的作用充分發(fā)揮，即獲得飽滿且穩(wěn)定的耗能段滯回曲線，建議耗能段腹板的高厚比不大于30。

4)2003年，西安建筑科技大學(xué)趙寶成、顧強(qiáng)采用曲殼單元和梁單元相結(jié)合的非線性有限元分析模型，自編計(jì)算程序，系統(tǒng)地分析了耗能梁段的長度、結(jié)構(gòu)的高跨比、耗能梁段的截面、支撐截面大小、耗能梁段腹板厚度、耗能梁段加勁肋間距、耗能梁段加勁肋厚度、耗能梁段翼緣厚度等因素對Y型偏心支撐鋼框架耗能性能的影響，主要得到以下結(jié)論[4]:a.Y型偏心支撐鋼框架耗能梁段腹板受力比翼緣和加勁肋都大，耗能梁段的破壞都是由于腹板超過了極限強(qiáng)度;b.耗能梁段長度的改變影響Y型偏心支撐鋼框架的剛度和耗能能力，耗能梁段長度越短，結(jié)構(gòu)的剛度越大，耗能梁段太長或者太短，對于結(jié)構(gòu)的耗能都不利，耗能梁段長度太短，容易導(dǎo)致耗能梁段的腹板達(dá)到極限強(qiáng)度，耗能梁段太長，其他構(gòu)件容易進(jìn)入塑性;c.隨著結(jié)構(gòu)高跨比的減小，結(jié)構(gòu)的彈性剛度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，結(jié)構(gòu)的塑性剛度逐步減小;高跨比太大或者太小，結(jié)構(gòu)的耗能能力都會降低，如果從耗能的角度考慮，高跨比在0.3～0.7之間比較合適;d.耗能梁段的截面越大，Y型偏心支撐鋼框架的剛度越大。耗能梁段的截面太大或者太小都會降低結(jié)構(gòu)的耗能能力，耗能梁段截面大小與梁的截面接近時(shí)結(jié)構(gòu)的耗能能力比較強(qiáng);e.耗能梁段加勁肋間距在《高鋼規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)改變對Y型偏心支撐鋼框架的剛度和耗能性能影響很小;f.在《高鋼規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)，耗能梁段加勁肋厚度的改變基本不影響Y型偏心支撐鋼框架的剛度和耗能能力;g.由于偏心支撐鋼框架耗能梁段的腹板中存在很大應(yīng)力，耗能梁段是否破壞與腹板的厚度密切相關(guān)，腹板厚度的改變對結(jié)構(gòu)的剛度和耗能能力影響比較大，腹板的厚度在滿足《高鋼規(guī)程》規(guī)定的基礎(chǔ)上應(yīng)該選擇高厚比盡可能大的腹板，這對結(jié)構(gòu)耗能比較有利;h.支撐的截面大小對結(jié)構(gòu)的剛度和耗能性能都有影響，支撐的截面小，結(jié)構(gòu)的彈性剛度小;i.在《高鋼規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)，耗能梁段翼緣厚度的改變對Y型偏心支撐鋼框架的剛度和耗能能力影響不大。

5)2007年，蘇州科技學(xué)院趙小敏采用梁單元和殼單元相結(jié)合的非線性有限元分析模型，對Y型偏心支撐鋼框架進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，研究耗能梁段的長度和腹板高厚比的變化對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，主要得到以下結(jié)論[5]:a.耗能梁段長度的改變影響Y型偏心支撐鋼框架的抗震能力，過長或過短都會增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，不利于結(jié)構(gòu)的抗震，通過分析比較，建議取0.9k～1.2k(k為耗能梁段塑性抗彎承載力Mp與抗剪承載力Vp之比);b.通過分析，耗能梁段腹板高厚比的變化對Y型偏心支撐鋼框架的抗震性能影響不大，建議取在40～55之間。

6)2008年，蘇州科技學(xué)院李仁達(dá)運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS10.0進(jìn)行分析計(jì)算，研究了Y型偏心支撐鋼框架低周往復(fù)荷載作用下的滯回性能，探討了滯回性能與耗能段腹板高度、厚度及高厚比等參數(shù)之間的變化關(guān)系，初步得到以下主要結(jié)論[6]:a.Y型偏心支撐鋼框架在地震作用下具有很好的抗震耗能能力，主要由耗能梁段發(fā)展塑性變形吸收地震能量，框架的其他部分一般處在彈性階段工作，結(jié)構(gòu)具有較高的抗側(cè)剛度，地震響應(yīng)較小，能很好地滿足抗震要求，是很好的抗震結(jié)構(gòu)體系，在高烈度區(qū)宜優(yōu)先選用。b.Y型偏心支撐框架耗能梁段截面高度的變化對框架剛度和耗能能力影響很大，截面較高則框架剛度較大，但是高度尺寸若太大則其他構(gòu)件較容易發(fā)生破壞，對結(jié)構(gòu)耗能不利。經(jīng)分析，建議高度取為1.2倍～1.7倍橫梁高度。c.Y型偏心支撐框架耗能梁段腹板厚度的改變對框架的剛度和耗能能力有很大的影響，隨著耗能梁段腹板厚度的增加，框架的剛度逐漸增大，耗能能力也逐漸增強(qiáng)。d.在耗能段抗剪承載力不變(耗能段截面面積不變)的情況下，改變高厚比對結(jié)構(gòu)耗能影響不大。雖然高厚比較大的板耗能稍好，但應(yīng)力較大，容易屈服，相對容易破壞。經(jīng)分析，建議高厚比取為30～45。

7)2009年3月，蘇州科技學(xué)院楊禹丞為研究RC框架內(nèi)填Y型鋼支撐結(jié)構(gòu)的整體受力性能，對2榀采用不同耗能梁段長度的內(nèi)填Y型鋼支撐RC框架及1榀傳統(tǒng)RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行1/3比例模型的循環(huán)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明[7]:a.RC框架內(nèi)填Y型鋼支撐結(jié)構(gòu)相對傳統(tǒng)RC框架結(jié)構(gòu)，承載力提高了3倍左右，抗側(cè)剛度提高了2倍左右，但延性有所降低。b.RC框架內(nèi)填Y型鋼支撐結(jié)構(gòu)的整體性能與耗能梁段的長度有關(guān)，增加耗能梁段的長度，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度均減小，但延性增加。

3 結(jié)語

文中介紹了Y型鋼支撐的國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展過程。由于其具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)中，具有廣闊的發(fā)展前景。工程實(shí)踐表明，推廣該類結(jié)構(gòu)符合我國的基本建設(shè)國情，符合建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展方向。盡管Y型鋼支撐結(jié)構(gòu)體系近年來在我國已取得了較大的發(fā)展，但是，如何更好地發(fā)揮其在工程結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢，還需要加大對其研究的投入，且有必要對其盡快制定一部完整的設(shè)計(jì)規(guī)程。

[1] 于安林.EK型、Y型支撐的抗震性能試驗(yàn)研究[J].西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，22(3):253-260.

[2] 張 斌.Y型支撐鋼框架抗震性能研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，1999.

[3] 賈子文.Y型支撐鋼框架耗能段滯回性能研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，133(4):12.

[4] 趙寶成.偏心支撐鋼框架在循環(huán)荷載下的破壞機(jī)理和抗震設(shè)計(jì)對策[D].西安:西安建筑科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2003.

[5] 趙小敏.Y型偏心支撐鋼框架的動(dòng)力性能研究[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院碩士學(xué)位論文，2007.

[6] 李仁達(dá).考慮耗能段腹板高厚比變化時(shí)Y型偏心支撐鋼框架在循環(huán)荷載作用下的滯回性能研究[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院碩士學(xué)位論文，2008.

[7] 楊禹丞.循環(huán)荷載作用下RC框架內(nèi)填Y型鋼支撐結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院碩士學(xué)位論文，2008.