兩種偏心支撐鋼框架受力性能對比分析

姜作杰 章梓茂

(1.呼倫貝爾學(xué)院建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 海拉爾 021008； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

兩種偏心支撐鋼框架受力性能對比分析

姜作杰1章梓茂2

(1.呼倫貝爾學(xué)院建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 海拉爾 021008； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

建立了空間Y型與K型偏心支撐鋼框架有限元模型，對兩種模型框架進(jìn)行了單向加載和循環(huán)加載試驗(yàn)，對比分析了兩種空間偏心支撐框架的屈服強(qiáng)度、極限承載力、側(cè)向剛度、延性和耗能能力等方面受力性能的差異,為工程設(shè)計提供參考。

Y型偏心支撐,K型偏心支撐,受力性能

0 引言

偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)是主要應(yīng)用于抗震設(shè)計的一種結(jié)構(gòu)形式，其具有較大的彈性剛度和良好的抗震性能。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對偏心支撐鋼框架進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和數(shù)值分析，得到了具有實(shí)際意義的結(jié)果，很多結(jié)論在工程方面得到了廣泛應(yīng)用，目前，Y型和K型偏心支撐框架在工程中較為常見。為更接近工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，本文利用ANSYS11.0工程軟件建立空間Y型和K型偏心支撐鋼框架實(shí)體模型進(jìn)行分析(見圖1)，為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供建議。

分析時考慮材料非線性性能，分析方法采用有限元法。研究了兩種模型框架的整體受力性能，通過數(shù)值模擬，分析三層鋼框架在單向荷載和循環(huán)荷載情況下的行為特征，對比分析了Y型和K型偏心支撐鋼框架的屈服強(qiáng)度、極限承載力、延性、剛度和耗能能力等。

1 有限元模型的建立

1.1 試件的幾何尺寸

根據(jù)前人對Y型和K型偏心支撐鋼框架的研究成果，按照典型剪切屈服型模型來確定模型框架及各構(gòu)件的幾何尺寸[1-3]。其中，模型框架層高設(shè)計為3.6 m，跨度為6 m，空間框架進(jìn)深取4 m，設(shè)計3層；梁、柱和支撐均采用H型鋼，梁截面采用H350×250×9×14，柱截面采用H450×300×11×18，支撐采用300×200×8×12，Y型偏心支撐框架耗能段截面采用H500×200×10×16，Y型框架耗能段高取500 mm，K型框架耗能段長度取800 mm，所有結(jié)點(diǎn)均假設(shè)為理想的剛性連接形式。

1.2 有限元單元的選取及網(wǎng)格劃分

偏心支撐鋼框架在罕遇地震作用下耗能梁段腹板首先進(jìn)入塑性，這種耗能段的塑性變形是偏心支撐鋼框架耗能的主要方式，這樣耗能段將會產(chǎn)生很大的塑性變形，為了研究更為詳細(xì)準(zhǔn)確，模型框架的網(wǎng)格劃分采用三維八結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid45，這種實(shí)體單元支持材料塑性、徐變、應(yīng)力硬化、大應(yīng)變和大變形，網(wǎng)格劃分采用自由劃分方式，這樣能劃分出比較連續(xù)的網(wǎng)格，單元節(jié)點(diǎn)的力和力矩也能夠很好地傳遞[4]。

1.3 定義材料參數(shù)

模型框架中各構(gòu)件的材質(zhì)均采用Q235鋼，焊條采用E43型焊條。鋼材的彈性模量取為E=2.06×105MPa，切線模量取為Et=0.02E，泊松比μ=0.3。模型框架在單向荷載作用時采用服從Von-Mises屈服準(zhǔn)則的多線性隨動強(qiáng)化本構(gòu)模型?？紤]到鋼材在循環(huán)荷載作用下沒有明顯的屈服平臺，在計算循環(huán)荷載作用下的響應(yīng)時，參照EI-Tawil等人[5]的方法，取極限荷載點(diǎn)與屈服點(diǎn)連線的材料斜率作為強(qiáng)化模量，并且采用考慮應(yīng)變強(qiáng)化和帶有下降段的三折線模型，以考慮在循環(huán)荷載作用下鋼材的Bauschinger效應(yīng)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計資料，鋼材性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋼材性能參數(shù)明細(xì)

1.4 加載制度與破壞準(zhǔn)則

為了使模型框架的受力狀態(tài)更接近實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的情況，假定模型框架柱腳與地面為理想剛接，并在柱頂施加了0.4Ny(Ny為柱全截面屈服時所能承受的壓力)的軸力。另外由于水平集中荷載作用在柱頂翼緣板上，為避免發(fā)生應(yīng)力集中或局部變形過大，將頂層梁端部位置柱側(cè)面的節(jié)點(diǎn)沿水平荷載的施加方向的自由度UX耦合在一起。進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析時，參照GBJ 101-96建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[6]中的有關(guān)規(guī)定，在梁端以集中力的形式對Y型偏心支撐框架施加單向水平荷載，加載方式如圖2所示。

根據(jù)單向荷載下的荷載位移曲線計算結(jié)構(gòu)的塑性位移Δy，采用“通用屈服彎矩法”(G.Y.M.M)[7]來確定結(jié)構(gòu)的屈服點(diǎn)。循環(huán)加載時按照如下加載方式：Δy/2，Δy，2Δy，3Δy，4Δy，5Δy…各循環(huán)一周，直至試件破壞?？臻g鋼框架結(jié)構(gòu)在荷載作用下的破壞形態(tài)十分復(fù)雜，并且ANSYS本身并沒有固定的破壞準(zhǔn)則，所以本文中，當(dāng)鋼框架的承載力超過極限荷載并降至其0.85倍的極限荷載時就認(rèn)為框架破壞[7]。

2 受力性能分析

2.1 框架的應(yīng)力分布

圖3a),圖3b)分別為空間K型模型框架在屈服階段和極限狀態(tài)下的Von-mises等效應(yīng)力云圖，從圖3中可以看出，模型框架屈服時耗能梁段腹板的等效應(yīng)力最大，耗能梁段首先進(jìn)入屈服，而其他部分的應(yīng)力還很小，都處于彈性范圍內(nèi)；模型框架在極限狀態(tài)時耗能梁段已經(jīng)達(dá)到極限狀態(tài)，柱腳及柱頂局部應(yīng)力也較高但未達(dá)到極限應(yīng)力，而模型框架的其他部分的應(yīng)力還比較小，很多還處于彈性階段，這說明在K型偏心支撐框架上施加外力時耗能段首先進(jìn)入塑性發(fā)生塑性變形，外力功大部分由耗能段吸收，這表明K型偏心支撐能有效的保證框架的整體性，但框架進(jìn)入破壞階段時耗能梁段產(chǎn)生了很大的豎向變形。

圖4a)，圖4b)分別為空間Y型模型框架屈服階段和極限狀態(tài)的Von-mises等效應(yīng)力云圖，可以看出，Y型偏心支撐框架的受力狀態(tài)與K型框架基本一致，都是耗能段腹板上的等效應(yīng)力最大，屈服階段時除耗能段外都處于彈性階段，極限狀態(tài)時，耗能段達(dá)到極限應(yīng)力，除柱腳及柱頂局部應(yīng)力較高外，其他部分的應(yīng)力都很小，處于彈性階段。這表明施加在Y型偏心支撐框架上的外力功大部分由耗能段吸收，耗能段首先進(jìn)入塑性發(fā)生塑性變形，因此，Y型偏心支撐能有效的保證框架的整體性。

2.2 強(qiáng)度和剛度

兩種空間模型框架在單向荷載作用下的試驗(yàn)結(jié)果如圖5和表2所示，可以看出，空間K型模型框架的屈服強(qiáng)度明顯高于空間Y型模型框架，K型模型框架的屈服位移略大于Y型的；從兩種支撐框架的極限承載力來看，K型框架的極限強(qiáng)度高于Y型框架，K型框架的塑性位移比Y型框架要略大。從而可知，K型偏心支撐框架的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度較Y型框架高，并且兩種框架的屈服位移和極限位移相差不多。這說明K型偏心支撐鋼框架的強(qiáng)度和剛度要大于Y型偏心支撐鋼框架，這個結(jié)果與文獻(xiàn)[8]的試驗(yàn)結(jié)果是相符的。

兩種偏心支撐框架在水平循環(huán)荷載作用下的滯回曲線如圖6所示。由圖6可以看出，兩種框架的滯回曲線都非常飽滿以及穩(wěn)定，呈紡錐形，這表明兩種偏心支撐框架都具有良好的耗能性能和延性特征，相對來說，K型框架的滯回曲線更為飽滿，說明K型框架的強(qiáng)度和剛度要比Y型框架的高，并且K型框架的延性更優(yōu)。

表2 Y型，K型偏心支撐框架計算結(jié)果對比

兩種模型框架在循環(huán)荷載作用下的骨架曲線如圖7所示，從曲線中可以看出，空間K型模型框架的強(qiáng)度和剛度要高于空間Y型框架，這與單向荷載作用下的結(jié)果是一致的。

圖8為兩種模型框架在循環(huán)荷載作用下的割線剛度退化曲線，從圖8中可以看出兩種框架的剛度退化規(guī)律相差不多，K型偏心支撐框架前期退化比Y型要快，但后期相差不多，這說明Y型偏心支撐鋼框架的早期剛度比較高。

2.3 耗能能力

從兩種框架模型在循環(huán)荷載作用下的荷載位移曲線可以看出，兩種框架都具有非常飽滿的紡錐形滯回曲線，說明兩種框架均具有良好的耗能性能。兩種偏心支撐模型框架的耗能情況如圖9所示，可以看出，K型偏心支撐框架的延性更好，耗能能力更強(qiáng)，K型模型框架耗散的能量比Y型模型框架高20%。

3 結(jié)語

有限元分析研究的結(jié)果與試驗(yàn)的結(jié)果基本一致[8]，可得出以下的結(jié)論：空間K型偏心支撐框架的強(qiáng)度和剛度高于空間Y型偏心支撐框架；兩種偏心支撐框架的延性和耗能能力都比較好，相對來說，空間K型偏心支撐框架的耗能能力更優(yōu)；空間Y型偏心支撐框架能提供較大的初始剛度，并且耗能段破壞后比較容易修復(fù)，但施工過程中結(jié)點(diǎn)處理較為麻煩，空間K型偏心支撐框架的延性和耗能能力好，但耗能段會產(chǎn)生較大的豎向變形?？傊?，兩種偏心支撐框架各有優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計過程中要綜合考慮加以采用。

[1] 賈子文，龔永忠，于安林.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(自然科學(xué)版)，2001，33(4)：375-378.

[2] 方 祥，葉燎原.耗能框架結(jié)構(gòu)中幾個問題的探討[J].云南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998，14(2)：1-5.

[3] 郭秉山，莊曉勇.K型偏心支撐鋼框架耗能梁段長度探討[J].工業(yè)建筑，2007，37(3)：81-85.

[4] 王勖成，邵 敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

[5] EI-Tawil, S. Strength and Ducthity of FR Weld-Bolted Connections[J].Rep. No. SAC/BD-98/0l, SAC Joint Venture, Sacramento, Cal, 1998(5):27-29.

[6] JGJ 101-96，建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S].

[7] 姚謙峰，陳 平.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001：219-220.

[8] 于安林，趙寶成，李仁達(dá)，等.K形和Y形偏心支撐鋼框架滯回性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(4)：9-12.

Comparative analysis of two types eccentrically braced steel frames

JIANG Zuo-jie1ZHANG Zi-mao2

(1.Architecture Engineering School, Hulunbuir College, Hailaer 021008, China;2.Building and Civil Engineering College, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

The finite element model of Y type and K type eccentrically braced steel frames are established. The one-way loading and cyclic loading tests on two kinds of framework. The stress performance of the model is different by comparative analysis, such as yield strength, ultimate bearing capacity, lateral stiffness, ductility and energy dissipation capacity and so on. The results provide the reference for the engineering design.

Y shape eccentrically braced, K shape eccentrically braced, mechanical performance

1009-6825(2014)31-0057-03

2014-08-27

姜作杰(1979- )，男，碩士，高級工程師，講師； 章梓茂(1959- )，男，博士，博士生導(dǎo)師，教授

TU311

A