Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能

連鳴，蘇明周

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

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Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能

連鳴，蘇明周

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

在Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性振動臺試驗的基礎(chǔ)上，建立了試驗試件的有限元模型,并驗證了分析的正確性。設(shè)計了一個9層的Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)，以耗能梁段長度、耗能梁段腹板高厚比、高跨比為參數(shù)，對9層結(jié)構(gòu)進行了非線性動力時程分析，研究了以上參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。研究結(jié)果表明，改變耗能梁段長度、高跨比對結(jié)構(gòu)層間側(cè)移、耗能梁段性能、框架柱彎矩、耗能能力均有不同程度的影響，對框架柱軸力、基底剪力無顯著影響；改變耗能梁段腹板高厚比對結(jié)構(gòu)耗能能力有影響，對結(jié)構(gòu)層間側(cè)移、耗能梁段性能、框架柱受力、基底剪力無顯著影響，并給出了相關(guān)設(shè)計建議。

高強鋼；偏心支撐框架；有限元；時程分析；抗震性能

偏心支撐框架結(jié)構(gòu)很好地結(jié)合了中心支撐框架結(jié)構(gòu)的剛度和框架結(jié)構(gòu)的延性，是一種優(yōu)良的抗震結(jié)構(gòu)體系[1-6]。近幾年，新的生產(chǎn)工藝使鋼材的強度和加工性能顯著提升，且相應(yīng)的焊接材料和焊接工藝已逐漸成熟，使高強度鋼材已大量用于橋梁結(jié)構(gòu)[7-8]，并逐漸在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到應(yīng)用[9]。

Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)的耗能梁段耗能梁段和支撐采用屈服點較低且延性較好的鋼材(如Q235鋼、Q345鋼)，其余構(gòu)件采用高強鋼(如Q460鋼、Q690鋼)，在地震作用下，耗能梁段能夠充分發(fā)展塑性進行耗能，框架梁、柱由于采用高強鋼，仍保持彈性或部分進入塑性，從而保證結(jié)構(gòu)達到抗震設(shè)防的目標(biāo)，并且采用高強度鋼材可有效減小構(gòu)件截面尺寸，節(jié)約鋼材，降低造價。目前，課題組已完成了單層單跨K形和Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能擬靜力試驗研究[10-11]及滯回性能數(shù)值分析[12-14]；對3層K形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能進行了擬靜力試驗研究[15]；對3層Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進行了振動臺試驗研究[16]。

本文在Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能振動臺試驗的基礎(chǔ)上，采用ABAQUS建立試驗試件有限元模型，然后設(shè)計了一個9層Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)，以耗能梁段長度、耗能梁段腹板高厚比、高跨比為參數(shù)，對9層結(jié)構(gòu)有限元模型進行了非線性時程分析，研究了不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，并給出相關(guān)設(shè)計建議，為工程設(shè)計提供參考。

1 試驗概況及有限元模型

1.1 試驗試件

由于文獻[16]模型試件試驗效果一般，因此,重新設(shè)計耗能梁段，并在原試件的基礎(chǔ)上替換原耗能梁段。新設(shè)計的耗能梁段長度為350 mm，選取Q235鋼，鋼材的力學(xué)性能參數(shù)見表1，截面尺寸見表2。將原耗能梁段替換后的試驗?zāi)Ｐ驮嚰妶D1，除耗能梁段不同外，其余均與文獻[16]模型試件相同。

表1 Q235鋼性能參數(shù)

表2 耗能梁段截面尺寸

圖1 耗能梁段替換后的模型試件

1.2 試驗加載及工況

加速度和位移傳感器布置、試驗工況及地震波輸入順序同文獻[16]。為得到模型各構(gòu)件的動應(yīng)變反應(yīng)，對應(yīng)變片布置進行了修改，如圖2所示。

圖2 應(yīng)變布置

1.3 有限元模型

圖3 有限元模型及網(wǎng)格劃分

1.4 試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果

表3和表4分別給出了試驗試件在8度和9度罕遇地震水準(zhǔn)各地震波下的加速度和位移試驗實測值與有限元計算值的比較。對比可知，除個別工況的誤差大于20%以外，絕大多數(shù)工況的有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近。

圖4為試件在Taft波作用下各測點應(yīng)變化規(guī)律(相對應(yīng)變是指實測應(yīng)變與屈服應(yīng)變的比值)，由圖可知，罕遇地震作用下耗能梁段進入塑性，而支撐、框架梁、柱仍處于彈性。圖5為8度罕遇Taft波下耗能梁段應(yīng)力云圖，圖中耗能梁段腹板均已超過屈服應(yīng)力，各層耗能梁段腹板和翼緣應(yīng)力云圖所反映出的耗能梁段受力狀態(tài)與試驗比較接近。

總體上講，有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較接近，可用來進行本文的彈塑性有限元分析。

表3 有限元計算最大加速度與試驗結(jié)果比較

表4 有限元計算最大相對位移與試驗結(jié)果比較

圖4 試件在Taft波作用下的應(yīng)變規(guī)律

圖5 8度罕遇地震作用下耗能梁段應(yīng)力云圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元模型

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計了一個9層Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)，層高均為3.6 m，X方向3跨，Y方向3跨，支撐跨跨度為5.65 m，非支撐跨跨度為7.2 m，結(jié)構(gòu)平面、立面布置如圖6所示。設(shè)計條件：抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，設(shè)計地震分組為第1組，Ⅱ類場地。

結(jié)構(gòu)的耗能梁段和支撐采用Q345鋼，其余構(gòu)件采用Q460鋼。構(gòu)件均為焊接H型鋼，耗能梁段均為剪切屈服型，長度為700 mm，選用C30現(xiàn)澆樓板，厚160 mm，墻體采用普通磚墻。樓面恒荷載取5 kN/m2(含樓板自重)，活荷載取2 kN/m2，屋面恒荷載取5.625 kN/m2(含屋面板自重)，上人屋面活荷載取2 kN/m2，雪荷載取0.325 kN/m2。結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸見表5。

圖6 結(jié)構(gòu)布置圖

表5 算例構(gòu)件截面尺寸

2.2 有限元模型

選取9層結(jié)構(gòu)中帶有Y形偏心支撐的一榀框架(如圖6(a)所示)并建立其ABAQUS有限元模型，該有限元模型的建立方式與上文試驗試件有限元模型相同，除此之外，需約束框架梁平面外自由度以考慮樓板和次梁的約束。鋼材屈服強度使用名義值，材料本構(gòu)關(guān)系同上文試驗試件有限元模型，切線模量Et=0.01E。鋼材的彈性模量E= 2.06×105MPa，泊松比ν=0.3。

3 影響參數(shù)與地震波選取

3.1 影響參數(shù)選取

為研究不同參數(shù)對Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，選取耗能梁段長度(YA系列模型)、耗能梁段腹板高厚比(YB系列模型)、高跨比(YC系列模型)作為參數(shù)，并對結(jié)構(gòu)進行非線性動力時程分析。

3.1.1 YA系列模型 YA系列模型除變化耗能梁段長度外，其余參數(shù)均保持不變。由于剪切屈服型耗能梁段的受力性能優(yōu)于彎曲屈服型，因此，YA系列模型的耗能梁段均為剪切屈服型，模型編號及相應(yīng)耗能梁段長度見表6，其中e、Vp和Mp分別為耗能梁段長度、塑性抗剪承載力和塑性受彎承載力。

表6 YA系列模型

3.1.2 YB系列模型 YB系列模型在保持耗能梁段腹板截面面積不變的前提下，除腹板截面變化外，其余參數(shù)保持不變，模型編號及相應(yīng)耗能梁段腹板高厚比見表7，其中h0和tw分別為耗能梁段腹板高度和厚度。

表7 YB系列模型

3.1.3 YC系列模型 YC系列模型除變化支撐跨(中間跨)的高跨比外，其余參數(shù)均保持不變，模型編號及相應(yīng)高跨比見表8，其中H=3 600 mm，L為支撐跨的跨度。

表8 YC系列模型

3.2 地震波選取

為了研究不同參數(shù)對Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，對各模型進行8度罕遇和9度罕遇地震水準(zhǔn)的非線性動力時程分析。根據(jù)中國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[17]對時程分析選取地震波的要求，以及模型地震分組和場地類型條件，選取了10條不同頻譜特性的天然地震波，如表9所示。

表9 地震波

4 有限元計算結(jié)果與分析

在8度罕遇地震作用下，模型耗能梁段不同程度地進入塑性，而其余構(gòu)件仍處于彈性。在9度罕遇地震作用下，除耗能梁段進入塑性外，部分模型的個別框架梁端進入塑性，框架柱仍處于彈性，結(jié)構(gòu)無倒塌危險。

4.1 結(jié)構(gòu)周期

表10～12給出了YA、YB、YC系列模型的前3階自振周期。由表可知：YA系列模型自振周期隨耗能梁段長度的增加逐漸變大，說明耗能梁段越長，結(jié)構(gòu)彈性剛度越??；YB系列模型自振周期隨耗能梁段腹板高厚比的減小而增大，但相差不大，說明改變耗能梁段腹板高厚比對結(jié)構(gòu)彈性剛度影響較小；YC系列模型自振周期隨支撐跨高跨比的增加逐漸變小，說明支撐跨高跨比越大，結(jié)構(gòu)彈性剛度越大。

表10 模型自振周期T

4.2 結(jié)構(gòu)層間位移

圖7為各系列模型在8度罕遇地震下最大層間側(cè)移角平均值對比。由圖可知：各系列模型層間側(cè)移角均滿足抗震規(guī)范中彈塑性層間側(cè)移角限值1/50的規(guī)定；隨著耗能梁段長度的增加，YA系列模型的最大層間側(cè)移角隨著耗能梁段長度的增加而逐漸增大，說明耗能梁段長度越長，結(jié)構(gòu)層間變形越大；模型YB-1～YB-6在罕遇作用下的層間側(cè)移角變化曲線大致重合，說明改變耗能梁段腹板高厚比對結(jié)構(gòu)層間變形的影響較?。籝C系列各模型下部幾層的層間側(cè)移角大致隨支撐跨高跨比的增大而變大，上部幾層的層間側(cè)移角隨支撐跨高跨比的增大而減小，說明支撐跨高跨比過大或過小時，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間側(cè)移較大，不利于結(jié)構(gòu)抗震。模型在9度罕遇地震作用下的層間側(cè)移角變化規(guī)律與8度罕遇地震下的變化規(guī)律一致。

4.3 耗能梁段變形及腹板應(yīng)力

表11為各模型8度罕遇地震下的耗能梁段最大轉(zhuǎn)角平均值，耗能梁段轉(zhuǎn)角由其上下兩端的位移差值與其長度的比值得到。由表可知：隨著耗能梁段長度的增加，YA系列各模型耗能梁段最大轉(zhuǎn)角逐漸減小，說明耗能梁段的變形隨其長度的增加而變??；YB系列各模型耗能梁段最大轉(zhuǎn)角比較接近，說明改變耗能梁段腹板高厚比對耗能梁段的變形無顯著影響；隨著支撐跨高跨比的增大，YC系列各模型耗能梁段最大轉(zhuǎn)角逐漸增大，說明耗能梁段的變形隨支撐跨高跨比的增大而變大。

表11 模型耗能梁段轉(zhuǎn)角

各系列模型耗能梁段的腹板應(yīng)力均在ChiChi波作用下最大。在ChiChi波作用下：耗能梁段腹板應(yīng)力高于翼緣應(yīng)力，說明耗能梁段在地震作用下主要為剪切變形；隨著耗能梁段長度的增加，YA系列模型耗能梁段腹板應(yīng)力大致呈先減小后增大趨勢，說明耗能梁段過長或過短時，會使耗能梁段腹板應(yīng)力過大；YB系列模型耗能梁段腹板應(yīng)力相差不大，說明改變耗能梁段腹板高厚比對耗能梁段腹板應(yīng)力影響不大；YC系列模型耗能梁段腹板應(yīng)力隨支撐跨高跨比的增大呈下降趨勢，說明支撐跨高跨比越大，耗能梁段腹板應(yīng)力越小。由于篇幅有限，本文僅給出YA系列模型耗能梁段應(yīng)力云圖，如圖8所示。

圖8 YA系列模型耗能梁段應(yīng)力云圖

4.4 框架柱軸力

圖9為各系列模型8度罕遇地震作用下支撐跨框架柱(中柱)軸力最大值的平均值對比。從圖中可以看出，所有模型邊柱和中柱軸力變化趨勢相同，不同模型的邊柱和中柱軸力變化曲線幾乎重合，說明改變耗能梁段長度對結(jié)構(gòu)框架柱軸力影響較小。各系列模型在9度罕遇地震作用下框架柱軸力響應(yīng)與以上規(guī)律相同。

圖9 8度罕遇地震下模型中柱最大軸力平均值

4.5 框架柱彎矩

圖10為各系列模型8度罕遇地震下中柱彎矩最大值的平均值對比。由圖可知：YA系列模型底部幾層的中柱最大彎相差不大，其余樓層的中柱最大彎矩隨耗能梁段長度的增加而增大，說明耗能梁段長度越長，框架柱彎矩越大；YB系列模型的中柱彎矩變化曲線幾乎重合，說明變化耗能梁段腹板高厚比對結(jié)構(gòu)框架柱彎矩影響不顯著；YC系列各模型底層和頂層中柱彎矩較為接近，其余樓層的中柱彎矩隨支撐跨高跨比的增加而減小，說明支撐跨高跨比過小時，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中柱彎矩較大，對結(jié)構(gòu)抗震不利。另外，各系列模型在9度罕遇地震作用下中柱彎矩的影響與以上規(guī)律大致相同。

圖10 8度罕遇地震下模型中柱最大彎矩平均值

4.6 基底剪力

表12為各系列模型在8度罕遇和9度罕遇地震作用下基底剪力的對比。由表可知，在罕遇地震作用下，同系列模型的基底剪力雖然出現(xiàn)了不同程度的增大或減小，但總體上波動不大，說明變化耗能梁段長度、耗能梁段腹板高厚比和支撐跨高跨比對結(jié)構(gòu)基底剪力無顯著影響。

表12 YA系列模型基底剪力

4.7 地震耗能

通過ABAQUS可以直接得到結(jié)構(gòu)的塑性耗能，由于YA、YB系列模型在8度罕遇地震下結(jié)構(gòu)耗能的變化規(guī)律與其在9度罕遇地震下相應(yīng)的變化規(guī)律相同，YC系列模型在8度和9度罕遇地震下結(jié)構(gòu)耗能的變化規(guī)律不同，因此，圖11僅給出YA、YB系列模型在8度罕遇地震下結(jié)構(gòu)耗能的變化，給出YC系列模型在8度和9度罕遇地震下結(jié)構(gòu)耗能的對比。由圖可知：隨著耗能梁段長度的增加，YA系列模型耗散的能量呈先增大后減小的趨勢，說明結(jié)構(gòu)的耗能能力隨耗能梁段長度的增加先增大后減??；隨著耗能梁段腹板高厚比的減小，YB系列模型耗散的能量大致呈先增大后減小的趨勢，且模型YB-4、YB-5和YB-6的耗能總體上較為接近，說明結(jié)構(gòu)的耗能能力總體上隨耗能梁段腹板高厚比的減小先增大后減小，當(dāng)高厚比減小到一定程度之后，結(jié)構(gòu)耗能能力相差不大；在8度罕遇地震下，YC系列耗散的能量隨支撐跨高跨比的增加而變大，在9度罕遇地震下，模型的耗能隨支撐跨高跨比的增加先增大后減小，但支撐跨高跨比過小時，結(jié)構(gòu)的耗能相對較差，說明結(jié)構(gòu)的耗能能力隨支撐跨高跨比的增大大致呈先變大后變小的趨勢，但支撐跨高跨比過小時，結(jié)構(gòu)的耗能能力相對較差。

圖11 罕遇地震下各模型耗散能量對比

綜上，考慮到不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)剛度、層間變形、耗能梁段性能、框架柱彎矩和耗能能力的影響，得出如下設(shè)計建議：

1)在9層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建議耗能梁段長度取(0.91～1.21)Mp/Vp。

2)在9層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建議耗能梁段腹板高厚比取22.7～38.4。

3)在9層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建議支撐跨高跨比H/L取0.55～0.72。

5 結(jié) 論

設(shè)計了一個9層Y形偏心支撐高強鋼框架結(jié)構(gòu)，以耗能梁段長度、耗能梁段腹板高厚比、高跨比為參數(shù)，對結(jié)構(gòu)有限元模型進行了非線性動力時程分析，研究了以上參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。通過分析，得出結(jié)論如下：

1)改變耗能梁段長度和支撐跨高跨比對結(jié)構(gòu)框架柱軸力和基底剪力無顯著影響。

2)改變耗能梁段長度對結(jié)構(gòu)剛度、層間變形、框架柱彎矩、耗能梁段變形及其腹板應(yīng)力、結(jié)構(gòu)耗能能力影響顯著。建議耗能梁段長度取(0.91～1.21)Mp/Vp。

3)改變耗能梁段腹板高厚比對結(jié)構(gòu)剛度、層間變形、耗能梁段變形及腹板應(yīng)力、框架柱受力、基底剪力無顯著影響，對結(jié)構(gòu)耗能能力有影響。建議耗能梁段腹板高厚比取22.7～38.4。

4)改變支撐跨高跨比對結(jié)構(gòu)剛度、層間側(cè)移、耗能梁段變形及其腹板應(yīng)力、框架柱彎矩影響顯著。建議支撐跨高跨比H/L取0.55～0.72。

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(編輯 王秀玲)

Finite element analysis on seismic performance of high strength steel frames with Y-type eccentrically braces

Lian Ming,Su Mingzhou

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

The finite element models of test specimen were established after the shake table test of high strength steel frames with Y-type eccentrically braces (Y-HSS-EBF). A 9-story Y-HSS-EBF structure was designed and nonlinear time history analysis were conducted to study the influence of link length, link web ratio of height to thickness and ratio of depth to span to seismic performance of 9-story Y-HSS-EBFs. Results indicated that different link length and ratio of depth to span had different influence to the interstory displacement, seismic performance of link, column moment and energy dissipation capacity, but slight influence to column axial force and base shear force. Different link web ratio of height to thickness had different influence to energy dissipation capacity, but slight influence to interstory displacement, seismic performance of link, column force and base shear force. Finally, some recommendations for engineering design were given based on the analysis.

high strength steel; eccentrically braced frame; finite element; time history analysis; seismic performance

2015-12-20

國家自然科學(xué)基金(51178382)

連鳴(1987-)，男，博士，主要從事新型鋼結(jié)構(gòu)體系抗震性能及設(shè)計方法研究，(E-mail)lianming0821@163.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51178382)

TU392.5

A

1674-4764(2016)04-0086-10

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.04.014

Received:2016-12-20

Author brief：Lian Ming(1987-), PhD, main research interests: seismic performance and design methods of steel structures,(E-mail)lianming0821@163.com.