偏心支撐體系在青藏高原鋼結(jié)構(gòu)住宅中的抗震性能研究

李雙營(yíng)

摘要：根據(jù)青藏高原的地理特征，選擇合理的鋼結(jié)構(gòu)住宅體系——偏心支撐體系，并對(duì)不同耗能梁段長(zhǎng)度在偏心支撐體系的抗震性能進(jìn)行研究，并運(yùn)用有限元分析軟件ETABS對(duì)其進(jìn)行分析，得出的結(jié)論可供工程設(shè)計(jì)人員參考

關(guān)鍵詞：青藏高原 偏心支撐體系 鋼結(jié)構(gòu)住宅 抗震性能

引言

根據(jù)青海地區(qū)的特點(diǎn)，氣候干燥，這對(duì)鋼材的“濕腐蝕”具有天然的防腐作用；青海冬季時(shí)間長(zhǎng)，不利于施工，鋼結(jié)構(gòu)施工速度很快，既可保證建筑結(jié)構(gòu)的工期質(zhì)量，又減少了因冬季施工帶來(lái)的溫度等方面的問(wèn)題；青海冬季室外氣溫低，鋼結(jié)構(gòu)住宅的墻體一般選用與之配套的板材，與傳統(tǒng)的磚墻相比具有較好的保溫性能，在建筑節(jié)能方面具有良好的優(yōu)勢(shì)。依照青海地區(qū)的這些特點(diǎn)，應(yīng)該選用施工速度快，減少濕作業(yè)的結(jié)構(gòu)體系；又由于青海地區(qū)是地震多發(fā)區(qū)，這樣選用抗側(cè)性能好，同時(shí)有較大承載力和較好延性的結(jié)構(gòu)體系。綜合考慮多層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系的性能和青海地區(qū)的特點(diǎn)，本文采用鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系。

1.鋼框架支撐體系的主要形式

中心支撐具有較大的側(cè)向剛度，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，能減小結(jié)構(gòu)的水平側(cè)移，改善結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。但在水平荷載作用下，中心支撐容易產(chǎn)生側(cè)向屈曲。在往復(fù)水平地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)入彈塑性范圍時(shí)，層間抗剪能力和結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度急劇下降，層間側(cè)移過(guò)度增大，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)破壞。因此在地震區(qū)應(yīng)用時(shí)應(yīng)慎重。

1.2.偏心支撐鋼框架

偏心支撐鋼框架的主要特點(diǎn)是每一根支撐斜桿的兩端，至少有一端與梁不在柱節(jié)點(diǎn)處相連。這樣支撐斜桿和柱之間或斜桿和斜桿之間就構(gòu)成了一個(gè)耗能梁段。采用耗能梁段的目的是改變支撐斜桿與梁（耗能梁段）的先后屈服順序，即在罕遇地震時(shí)，一方面通過(guò)耗能梁段的非彈性變形進(jìn)行耗能，另一方面是耗能梁段的剪切屈服在先（同跨的其余梁段未屈服），保護(hù)支撐斜桿部屈服或屈服在后，從而相應(yīng)的延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)抗震能力的持續(xù)時(shí)間，并達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。因此偏心支撐框架適用于地震區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)建筑。

2 計(jì)算方法

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計(jì)算模型。當(dāng)結(jié)構(gòu)布置規(guī)則，質(zhì)量與高度沿高度分布均勻且無(wú)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，可采用平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型；當(dāng)結(jié)構(gòu)的平面或立面不規(guī)則，體形復(fù)雜，無(wú)法劃分成平面抗側(cè)力單元，或?yàn)橥搀w結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用三維空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。平面協(xié)同矩陣位移法：平面布置規(guī)則的框架支撐結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在水平荷載作用下可以近似的簡(jiǎn)化為平面抗側(cè)力體系，將沿主軸方向或斜交方向的所有框架合并為總框架，并將所有豎向支撐合并為總支撐，然后進(jìn)行協(xié)同工作分析。

因?yàn)閷?duì)框架支撐體系的房屋來(lái)說(shuō)，沿房屋的橫向或縱向，各榀框架和各片豎向支撐樓板相連，形成以空間結(jié)構(gòu)，在風(fēng)或地震等水平荷載作用下，當(dāng)樓板可視為剛性橫隔板時(shí)，在結(jié)構(gòu)部發(fā)生扭轉(zhuǎn)的情況下，沿房屋橫向和縱向各榀框架和各片豎向支撐側(cè)移值相同，所以可以剛性連桿將框架和支撐連為圖 2.4a 所示的并聯(lián)體，其側(cè)移曲線為彎剪型

3 偏心支撐鋼框架的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 偏心支撐鋼框架的工作原理

在中小地震作用下，所有構(gòu)件處于彈性階段，此時(shí)支撐提供主要的抗側(cè)力剛度，其工作性能與中心支撐框架相似；在強(qiáng)烈地震下保證支撐不先發(fā)生受壓屈曲，而讓耗能梁段屈服來(lái)耗散地震能量，這時(shí)偏心支撐框架的工作性能與抗彎框架相似。

3.2與中心支撐鋼框架相比，偏心支撐鋼框架具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：（1）能夠準(zhǔn)確有效地控制結(jié)構(gòu)在水平地震下的變位，減小層間及整體結(jié)構(gòu)的側(cè)移；（2）具有較大的結(jié)構(gòu)延性；（3）耗能梁段的剪切屈服起到了類似“保險(xiǎn)絲”的作用，耗散強(qiáng)烈地震時(shí)過(guò)多的能量；（4）耗鋼量小，可節(jié)省 20﹪---30﹪的鋼材；（5）適用范圍小，不僅適用于高層建筑

結(jié)構(gòu)，而且也用到多層建筑；（6）提供一種剛性的結(jié)構(gòu)體系而不過(guò)多地耗費(fèi)鋼材，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

4.偏心支撐鋼結(jié)構(gòu)住宅體系抗震性能分析

本工程是九層鋼框架偏心支撐體系住宅樓（D 型支撐，支撐一端與框架柱直接相連，另一端通過(guò)耗能梁段與框架柱相連的形式），長(zhǎng) 39.0m，寬 21.6m，層高 3m；采用 100mm壓型鋼板組合樓蓋，鋼柱采用 Q345B 級(jí)箱型柱，鋼梁﹑支撐均采用 Q345B 級(jí) H 型鋼，墻體材料為 ALC 板。耗能梁段長(zhǎng)度分別為：1.25m 1m 0.75m 0.5m0.375m 及 0m（中心支撐）本工程是九層鋼框架偏心支撐體系住宅樓（D 型支撐，支撐一端與框架柱直接相連，

本算例采用靜力線性時(shí)程分析法，地震波選用埃而森特羅南北波（EICENTRO，1940），其記錄峰值加速度為 341.7Gal，時(shí)間子步 0.02s，地震持續(xù)時(shí)間 30s，結(jié)構(gòu)阻尼比采用0.035，適用于Ⅱ類場(chǎng)地。

從 Pushover 得出的塑性鉸出現(xiàn)的位置及順序來(lái)看：塑性鉸首先出現(xiàn)在三層的支撐上，而后在支撐上和耗能梁段上逐漸出現(xiàn)塑性鉸，接著在三層梁上開始出現(xiàn)塑性鉸，逐漸向上發(fā)展，直到各層梁都出現(xiàn)塑性鉸，同時(shí)發(fā)生了明顯的變形。從整體結(jié)構(gòu)塑性鉸的出現(xiàn)和數(shù)量上觀察，支撐和耗能梁段除頂層外完全出現(xiàn)塑性鉸，其中支撐塑性鉸首先出現(xiàn)并且呈粉色狀態(tài)；耗能梁段塑性鉸其次出現(xiàn)，并且隨著塑性鉸的出現(xiàn)顏色有粉色變?yōu)樗{(lán)色狀態(tài)，說(shuō)明支撐延遲了耗能梁段發(fā)生非線性變形的時(shí)間并且消散了更多的地震能量，減少了梁柱的非線性需求，提高了結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能，將震害的損失減少至最低。

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青海民族大學(xué)2014年度校級(jí)理工自然科學(xué)項(xiàng)目

項(xiàng)目編號(hào)：2014XJZ25

項(xiàng)目類別：青年項(xiàng)目