支撐材料超強對弱剪型支撐鋼框架影響的研究——兼論抗震鋼在弱剪型支撐鋼框架支撐構(gòu)件中的應(yīng)用

齊永勝，周泓

(1.常州市建設(shè)工程結(jié)構(gòu)與材料性能研究重點實驗室(常州工學(xué)院)，江蘇 常州 213002;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

在弱剪型中心支撐鋼框架體系中，支撐作為抗震的第一道防線，在結(jié)構(gòu)經(jīng)受強震時，要求其進入屈服狀態(tài)，以消耗地震能和減小結(jié)構(gòu)剛度削弱地震反應(yīng)，起到保護整個結(jié)構(gòu)的作用。［1－3］但由于一般鋼材屈服強度離散性較大，可能會出現(xiàn)支撐屈服強度較明顯高于鋼框架的情況(考慮到這種體系使用的普遍性，這種情況可能大量存在)，這時如果支撐在需要屈服的時候由于超強不能屈服則可能會迫使主鋼架進入塑性狀態(tài)，從而使鋼框架從第二道防線轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝坏婪谰€，本應(yīng)被保護的系統(tǒng)成了保護者，這樣便與設(shè)計意圖大大背離，使結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)，或使得震后加固維修變得極為困難，畢竟拆換支撐構(gòu)件比修復(fù)梁柱體系簡單、經(jīng)濟得多。目前關(guān)于支撐材料超強對弱剪型支撐鋼框架影響的研究仍很缺乏，本文以一個簡單的算例探討這個問題，以期拋磚引玉，并建議采用抗震鋼制作支撐構(gòu)件以避免支撐材料超強對弱剪型支撐鋼框架的不利影響?？拐痄撌翘厥庑阅茕摬闹械囊环N，這種鋼材屈服平臺很長、很穩(wěn)定，非常適合用在需要準(zhǔn)確控制鋼材屈服點的部位。

1 算例簡介

算例為單跨單層弱剪型中心支撐框架［4－5］，結(jié)構(gòu)形式如圖1，l=6000 mm，h=6000 mm，荷載為p=1440 kN，q=50 kN/m，框架的總質(zhì)量為3180 kN，柱承擔(dān)的豎向荷載Pc=1590 kN。設(shè)防烈度為8度，場地類型為三類。結(jié)構(gòu)選用Q235鋼材，E=206000 N/mm2。按弱剪型框架進行設(shè)計，采用框架柱截面為H400×360×10×16，梁選用H400×300×8×14，支撐選用 H250×180×8×12，因此實際選用的支撐面積

分析中框架梁柱構(gòu)件的屈服強度取為fy=235 N/mm2。支撐采用兩種材料數(shù)據(jù):第一組支撐采用抗震鋼制作，可保證材料有準(zhǔn)確的屈服點和較長的屈服平臺，為方便比較，取屈服強度為fy=235 N/mm2;第二組采用普通鋼材，其屈服強度由于材料性能的離散性達到了Q235鋼材屈服強度的 1.3 倍，即 fy=235 ×1.3=305.5 N/mm2。第一組反應(yīng)弱剪型框架的設(shè)計初衷，在較大地震作用下，支撐屈服，通過支撐鋼材的屈服平臺消耗地震能，而且此時由于結(jié)構(gòu)部分材料進入塑性使得剛度降低從而減弱地震反應(yīng)，保護框架主體的梁柱構(gòu)件。第二組旨在分析由于材料性能離散性造成支撐鋼材超強的情況下，原始的設(shè)計意圖能否實現(xiàn)。

基本分析設(shè)定:①研究對象為平面支撐框架;②材料各向同性、理想彈塑性;③梁柱剛接，支撐桿兩端鉸接;④忽略支撐桿件的初始缺陷，不考慮支撐桿受壓屈曲(采用防屈曲支撐形式);⑤不考慮殘余應(yīng)力;⑥在模型中只考慮柱子的初始平面內(nèi)缺陷，即在框架柱的中點處有1/1000柱高的水平初始缺陷，幾何缺陷直接按節(jié)點坐標(biāo)形式定義。

圖1 弱剪型支撐框架

結(jié)構(gòu)抗震性能采用Pushover和時程分析兩種方法進行分析。Pushover分析為得到完整的荷載—變形曲線尤其是峰值后下降段采用ABAQUS6.10軟件，框架的梁和柱采用B22單元，支撐采用 B21單元。時程分析使用 ANSYS11.0軟件，框架的梁和柱采用BEAM189單元，支撐采用LINK8單元，將框架中樓層質(zhì)量簡化為分布于梁柱節(jié)點的集中質(zhì)量，在梁柱節(jié)點采用MASS21單元輸入樓層質(zhì)量。在有限元模型中，梁、柱分為10個單元，支撐為二力桿，設(shè)置為一個單元;計算中考慮幾何非線性與材料非線性。

2 Pushover分析

由圖2可看出第一組抗震鋼支撐框架在水平地震作用下承載能力達到極限荷載的峰值1060 kN后，承載能力進入一個相當(dāng)長的屈服流動平臺，流動平臺對應(yīng)的水平坐標(biāo)值在23～132 mm之間，長度為109 mm，在此區(qū)域變形逐漸增加，承載能力和剛度基本保持不變，結(jié)構(gòu)具有非常好的耗能能力，地震時可以充分利用此流動平臺消耗地震能，削弱地震反應(yīng)，保護主框架結(jié)構(gòu)。由隨后的時程分析過程可以更明確地看到這一點。

第二組普通鋼支撐框架水平承載能力極限值為1220 kN，高于第一組抗震鋼支撐框架的相應(yīng)值。這是因為鋼支撐材料超強30%，推遲了塑性變形的發(fā)展，使得結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)的工作階段略大于第一組抗震鋼支撐框架。普通鋼支撐框架在水平地震作用達到水平承載能力極限值后，結(jié)構(gòu)的承載能力立刻下降，沒有屈服流動平臺，這使得結(jié)構(gòu)的耗能能力明顯低于抗震鋼支撐框架，因而抗震性能不佳，可能不能實現(xiàn)弱剪型框架的設(shè)計意圖。

圖2 不同鋼支撐框架Pushover曲線

3 時程分析

3.1 地震波選取

選取El Centro地震波(如圖3所示)進行計算，輸入地震波峰值加速度，按照設(shè)防烈度為8度的罕遇地震取值，即將地震記錄的峰值調(diào)整為0.4 g(400 cm/s2)，取地震時間歷程的前30 s，在計算中時間積分步長取為△t=0.02 s。在支撐框架的水平方向輸入地震波加速度。

圖3 El Centro地震波

3.2 時程計算結(jié)果及對比分析

1)兩種框架基底剪力—柱頂位移(圖4)

抗震鋼支撐框架地震波作用下框架承受的基底剪力要小于強剪型，框架更早進入塑性階段后，對塑性變形的需求較大，滯回環(huán)飽滿穩(wěn)定，曲線所包圍的面積大，表明其具有良好的耗能能力。

普通鋼支撐框架在地震荷載作用下，產(chǎn)生的基底剪力較大，雖然也有屈服現(xiàn)象發(fā)生，但其滯回環(huán)封閉部分所包絡(luò)面積明顯小于抗震鋼支撐框架，表示耗能能力遠(yuǎn)小于抗震鋼支撐框架，由此可見鋼材性能離散性造成的超強對弱剪型中心支撐框架的抗震性能是不利的，如果采用抗震鋼來制作支承構(gòu)件，就能可靠地避免這種現(xiàn)象，很好地實現(xiàn)設(shè)計意圖。

圖4 基底剪力—柱頂位移

2)兩種框架中心支撐滯回環(huán)(圖5)

兩種框架中心支撐滯回環(huán)都能達到對應(yīng)的鋼材屈服強度，表明強震作用下，中心支撐都進入了屈服階段，結(jié)構(gòu)的塑性耗能能力主要來自中心支撐的塑性發(fā)展(由兩種框架中心支撐滯回環(huán)與基底剪力—柱頂位移相似性也可看出此點)。但兩種支撐進入屈服狀態(tài)的時間不同，造成了滯回環(huán)封閉程度和包絡(luò)面積的不同，使得耗能能力有明顯差異。在強震作用下抗震鋼支撐框架的支撐及時地按設(shè)計意圖進入了塑性狀態(tài)，滯回環(huán)飽滿穩(wěn)定，包絡(luò)面積大;普通鋼支撐框架的支撐由于超強推遲了對塑性狀態(tài)的進入，在更大的地震荷載作用下才進入塑性，因而滯回環(huán)封閉程度有限，包絡(luò)面積明顯小于抗震鋼支撐框架，使普通鋼支撐框架未能很好地貫徹設(shè)計意圖，其抗震能力明顯減弱。

圖5 中心支撐滯回環(huán)

3)框架右柱頂部水平位移響應(yīng)(圖6)

在El Centro波作用下，抗震鋼支撐框架和普通鋼支撐框架右柱頂部水平位移時程反應(yīng)曲線形狀相似，在數(shù)值上則是普通鋼支撐框架水平位移為64.9 mm，大于抗震鋼支撐框架51.6 mm?？梢娖胀ㄤ撝慰蚣芫植?支撐構(gòu)件)強度大了，而地震反應(yīng)也增加了。這是由于采用抗震鋼作支撐的鋼框架在較大地震作用下忠實地按設(shè)計意圖及時地進入塑性狀態(tài)，靠材料的塑性消耗地震能，并通過剛度的減小削弱地震反應(yīng);而普通鋼框架由于支撐鋼材的超強，當(dāng)?shù)卣鹗怪尾牧线_到屈服強度時未能進入屈服流動平臺，從而延長了結(jié)構(gòu)的彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)剛度未能及時下降，故而地震反應(yīng)較大，這對保護框架主體是不利的，偏離了設(shè)計初衷。

當(dāng)?shù)卣鹆叶雀髸r，可能會導(dǎo)致框架梁柱的最不利位置先于支撐進入塑性狀態(tài)，從而使框架保護了支撐，而不是支撐保護了框架，結(jié)構(gòu)的兩道抗震防線次序顛倒，不能發(fā)揮支撐的抗震和耗能作用，增加了結(jié)構(gòu)地震危險性。

圖6 El Centro波作用下框架右柱頂部水平位移響應(yīng)

4)框架應(yīng)力分布

分別截取結(jié)構(gòu)在時程分析中達到最大位移時的Mises等效應(yīng)力云圖，如圖7所示，在反應(yīng)過程中，出現(xiàn)較大應(yīng)力的部位為:左柱柱根單元內(nèi)側(cè)、右柱柱根單元外側(cè)、右柱柱頭梁柱連接內(nèi)側(cè)。

可以看出，支撐超強的普通鋼支撐框架，柱中塑性發(fā)展明顯多于抗震鋼支撐框架，其原因是未能充分發(fā)揮支撐耗能作用，地震能量在結(jié)構(gòu)中逐漸積累，最終需要主框架較多地進入塑性以消耗地震能，使結(jié)構(gòu)震后的殘余變形增大，加大了修復(fù)難度和費用，并且增加了在更大地震下倒塌的可能性。

圖7 最大位移時的Mises等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

1)Pushover和時程分析的計算表明，在弱剪型中心支撐框架中采用普通鋼材制作鋼支撐可能因鋼材超強使支撐未能按設(shè)計意圖及時進入塑性狀態(tài)，不能充分支撐塑性耗能能力，以減小地震反應(yīng)，保護主體結(jié)構(gòu)，從而使得鋼框架遭受較大破壞，不能擔(dān)負(fù)第一道防線的作用，增大了結(jié)構(gòu)在地震中的危險性。

2)采用抗震鋼作弱剪型中心支撐框架的支撐可以很好地貫徹設(shè)計意圖，使支撐構(gòu)件在預(yù)定地震強度作用下進入塑性狀態(tài)，通過鋼材的塑性屈服流動消耗地震能，降低結(jié)構(gòu)剛度減小地震反應(yīng)，使得中心支撐構(gòu)件成功地?fù)?dān)負(fù)起第一道抗震防線的作用，起到“保險絲”的作用，有效地保證框架主體的安全。雖然抗震鋼價格較高，但支撐構(gòu)件占結(jié)構(gòu)整體比重很小，由此增加的造價是很有限的，與安全性和抗震能力的提高相比可以說是性價比極高的舉措。

［1］楊俊芬.中心支撐鋼框架的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)和位移放大系數(shù)研究［D］.南京:河海大學(xué)，2009:89－95.

［2］楊俊芬.用增量動力分析方法求解人字形中心支撐鋼框架的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)和位移放大系數(shù)(Ⅰ)——方法［J］.地震工程與工程振動，2010，30(2):64 －71.

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