K型偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在水平循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能研究

李靈君

（天水師范學(xué)院土木工程學(xué)院　甘肅　天水　741001）

K型偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在水平循環(huán)荷載作用下的力學(xué)性能研究

李靈君

（天水師范學(xué)院土木工程學(xué)院甘肅天水741001）

根據(jù)水平荷載作用下，偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的耗能梁段發(fā)生破壞的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了耗能梁段長(zhǎng)度不同的4組試件，應(yīng)用有限元軟件ABAQUS分析了在耗能梁段上加與不加斜加勁肋的兩種情況，作用循環(huán)荷載后的滯回性能。分析結(jié)果表明，耗能梁段的長(zhǎng)度與Mp/Vp的比值較小時(shí)，加斜加勁肋后，框架的最大水平位移相對(duì)于不加有明顯的增大，延性增加。

偏心支撐鋼框架；耗能梁段；加勁肋；骨架曲線(xiàn)；循環(huán)荷載

偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種抗震結(jié)構(gòu)體系。常見(jiàn)的偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的形式如圖1所示，在耗能梁段處標(biāo)有字母e。K型偏心支撐結(jié)構(gòu)是最常見(jiàn)的一種耗能結(jié)構(gòu)形式，如圖1的左邊第一個(gè)圖所示。

圖1　偏心支撐鋼框架體系

《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：e≤1.6Mp/Vp，其中Mp為全截面的塑性彎矩，Vp為全截面的塑性剪切力，e為耗能梁段的長(zhǎng)度。當(dāng)e在1.0Mp/Vp～1.3Mp/Vp范圍內(nèi)時(shí)，耗能梁段耗能能力最佳。但是通常，受建筑構(gòu)造等因素的制約，有時(shí)可能要把耗能梁段做得短一些，不能在最佳耗能的范圍之內(nèi)。梁段越短，塑性變形會(huì)越徹底，但也易造成梁段的腹板過(guò)早破壞，影響結(jié)構(gòu)的總承載力。根據(jù)耗能梁段腹板破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，為防止腹板過(guò)早發(fā)生破壞，加斜加勁肋于腹板上。應(yīng)用有限元軟件ABAQUS，分析比較5組試件它們?cè)诩优c不加斜向加勁肋的情況下，施加水平荷載后，框架剛度、水平承載力、滯回效應(yīng)等力學(xué)性能的變化。

1　有限元模型概述

1.1材料定義

分析用鋼材為Q235級(jí)鋼，考慮了鋼材材性的應(yīng)變強(qiáng)化，應(yīng)用等向強(qiáng)化模型，所有鋼材材性均為名義值。屈服強(qiáng)度f(wàn)y= 235MPa，抗拉強(qiáng)度f(wàn)u=375MPa，彈性模量E=2.06×105，泊松比μ= 0.3，極限應(yīng)變?chǔ)舥=0.2。

1.2試件設(shè)計(jì)

分析模型如圖2所示，其中H=3600mm，L=6300mm，B=2475～ 2850mm，試件中構(gòu)件的的連接均采用剛接，構(gòu)件尺寸如表1所示。根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，取Mp/Vp=878.5mm，e取Mp/Vp的0.341、0.512、0.683、0.854、1.02倍，如表2所示。橫向加勁肋?。?0×10）mm，間距取150mm，斜向加勁肋取（50×6）mm。

圖2　試件模型

表1　試件的桿件尺寸（單位：mm）

表2　耗能梁段的長(zhǎng)度e（單位：mm）

1.3加載方式

有限元分析中，在圖2所示的加載位置施加水平位移荷載。根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JBJ101-96）的要求，并參考ECCS的完全加載制度，采用以下加載制度：先單向加載于框架頂部，根據(jù)荷載-位移曲線(xiàn)，求出耗能梁段的彈性水平位移Δy和對(duì)應(yīng)的水平力Fy，再按Δy、2Δy、3Δy、…的方式施加循環(huán)荷載，每級(jí)一周，直到試件破壞。

1.4有限元分析模型

在分析中，所有構(gòu)件均采用殼單元。因梁、柱及支撐未發(fā)生塑性變形，僅考慮了幾何非線(xiàn)性，對(duì)發(fā)生塑性變形的耗能梁段既考慮了幾何非線(xiàn)性，有考慮了材料非線(xiàn)性。柱、支撐和地面的約束邊界采用了固接。

2　非線(xiàn)性有限元分析

在循環(huán)荷載作用下，模型的剛骨架曲線(xiàn)如圖3～7所示，從骨架曲線(xiàn)可以看出，試件1、試件2和試件3，加斜加勁肋后，框架的承載力相對(duì)于不加有明顯的提高，在循環(huán)荷載作用下的最大位移也有明顯的增大；試件4和試件5，加斜加勁肋后，框架的承載力相對(duì)于不加有明顯的提高，但在循環(huán)荷載作用下的最大位移減小了。這是因?yàn)殡S著耗能梁段的增長(zhǎng)，長(zhǎng)度接近1.0Mp/Vp～ 1.3Mp/Vp范圍，耗能梁段進(jìn)入了最佳的耗能狀態(tài)，如果在對(duì)其加斜加勁肋加固，限制了其發(fā)生充分剪切變形，整個(gè)試件的破壞是源于其他構(gòu)件，而非耗能梁段。

圖3　試件1的骨架曲線(xiàn)

圖4　試件2的骨架曲線(xiàn)

圖5　試件3的骨架曲線(xiàn)

圖6　試件4的骨架曲線(xiàn)

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)五組試件的分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

圖7　試件5的骨架曲線(xiàn)

（1）不管耗能梁段的長(zhǎng)度如何，加斜加勁肋后都能提高框架的水平承載力。

（2）耗能梁段較短時(shí)，加斜加勁肋后，在循環(huán)荷載作用下的最大水平位移有明顯的增大，延性增加。隨著耗能梁段長(zhǎng)度的增加，最大水平位移有明顯的減小，延性降低，耗能能力變差，不利于抗震。

[1]錢(qián)稼如，陳茂盛，張?zhí)焐?偏心支撐鋼框架在水平力作用下的試驗(yàn)研究和極限分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，1993（4）：3～8.

[2]《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-98）[S].

[3]趙寶成，顧強(qiáng).K型偏心支撐鋼框架在循環(huán)荷載作用下的滯回性能分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38（3）：379～383.

[4]趙寶成.偏心支撐鋼框架在循環(huán)荷載作用下的破壞機(jī)理及抗震設(shè)計(jì)對(duì)策[D].陜西：西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，2003.

[5]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）[S].

[6]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）[S].

[7]申永康，萬(wàn)斌，邵建華.偏心支撐鋼框架延性抗震設(shè)計(jì)探討[J].工程抗震與加固改造，2007，27（2）：47～50.

[8]Dune K.Miller.Lessons learned from the Northridge earthquake[J].Engineering structures，1998，20（4～6）：249～260.

[9]石永久，熊俊，王元清，劉歌青.多層鋼框架偏心支撐的抗震性能試驗(yàn)研究.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，31（2）：29～34.

[10]李新華，舒贛平，偏心支撐鋼框架設(shè)計(jì)探討[J].工業(yè)建筑，2001，31（8）：8～10.

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

[12]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ101-99）.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

TU391

A

1673-0038（2015）17-0114-02

2015-1-23

李靈君（1980-），男，講師，碩士，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)。