鋼框架斜隅支撐體系抗震性能研究現(xiàn)狀及展望★

徐廣舒 徐 笛

(1.南通職業(yè)大學建筑工程學院，江蘇 南通 226007； 2.南通建工集團股份有限公司，江蘇 南通 226001)

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鋼框架斜隅支撐體系抗震性能研究現(xiàn)狀及展望★

徐廣舒1徐 笛2

(1.南通職業(yè)大學建筑工程學院，江蘇 南通 226007； 2.南通建工集團股份有限公司，江蘇 南通 226001)

簡述了鋼框架斜隅支撐體系的特點，分析了節(jié)點連接方式與隅撐布置方式對斜隅支撐鋼框架抗震性能的影響，并提出了鋼框架斜隅支撐體系抗震性能的研究方向，以供參考。

鋼框架，斜隅支撐，抗震性能，節(jié)點

對于地震這樣的突發(fā)其來的自然界的大災(zāi)難，從古到今都是消極地對建筑結(jié)構(gòu)采取被動的措施，或者大概估計地震時候的地震作用的大小，賦予建筑物或構(gòu)筑物一定的抗震能力。近二十多年來，人們研究的新型耐震體系——“工程結(jié)構(gòu)減震控制”體系，包括隔震結(jié)構(gòu)、消能減震結(jié)構(gòu)、被動控制或主動控制結(jié)構(gòu)、混合控制結(jié)構(gòu)等體系，主要是在結(jié)構(gòu)的特定部位裝設(shè)隔震墊裝置，或設(shè)置消能剪力墻、消能節(jié)點等機構(gòu)，以改變或調(diào)整結(jié)構(gòu)的動力特性或動力作用，達到隔離地震或消減地震反應(yīng)的目的。但在這類結(jié)構(gòu)體系中，需要加工、制造和安裝特殊的耗能減震裝置，增加了施工的難度和工程造價，極大地限制了這類減震耗能裝置在實際工程中的運用。鋼結(jié)構(gòu)中的“斜隅支撐體系”采用普通的型鋼形成耗能隅撐，具有經(jīng)濟適用、制作施工方便等顯著優(yōu)點，所以近年來備受人們的關(guān)注。

1 鋼框架斜隅支撐體系的特點

鋼框架斜隅支撐體系是一種新型支撐結(jié)構(gòu)體系，其特點是隅撐一端與鋼框架柱連接，另一端與鋼框架梁(或基礎(chǔ))連接，支撐斜桿通過隅撐與框架連接(如圖1所示)。支撐體系中的支撐設(shè)計為彈性工作構(gòu)件，為結(jié)構(gòu)提供側(cè)向剛度；支撐體系中的隅撐設(shè)計成耗能部件，在罕遇地震荷載作用時，通過塑性變形耗能，先于結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件屈服，結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件在隅撐的保護下不易受到損傷。

帶有斜隅支撐的框架由于加入了斜隅和支撐,增加了結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)和冗余度,剛度提升十分明顯，能更好抵抗破壞引起的動力效應(yīng)。支撐體系綜合了中心支撐鋼框架剛度大和鋼框架延性好的優(yōu)點，克服了偏心支撐鋼框架犧牲結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件屈服耗能的缺點。而斜隅塑形變形的良好能力,使得鋼框架具有良好的抗側(cè)移性能，整體的變形和耗能能力比中心支撐框架更加優(yōu)越，動力響應(yīng)更加穩(wěn)定。研究表明，與鋼結(jié)構(gòu)的層間位移與總位移相比,隅撐鋼框架結(jié)構(gòu)層間位移與總位移相應(yīng)減少50%左右，是適用于高烈度地震區(qū)的有效抗側(cè)支撐結(jié)構(gòu)形式。

合理地選用隅撐材料、設(shè)計截面尺寸和選擇連接方式，可以更有效地提高框架的延性和耗能能力，控制隅撐的損傷程度，便于震后修復和加固。圖2為耗能隅撐的幾種常見類型。

2 鋼框架斜隅支撐體系抗震性能研究現(xiàn)狀

2.1 節(jié)點連接方式對斜隅支撐鋼框架抗震性能的影響

1)梁柱節(jié)點連接方式對斜隅支撐鋼框架抗震性能的影響。梁柱連接方式可以分為剛接、鉸接和半剛性連接(如圖3所示)。通過對梁柱的剛性連接和鉸接(實際工程中不應(yīng)出現(xiàn)鉸接情況)進行分析對比得出：結(jié)構(gòu)的最初彈性剛度基本相同，而且隅撐屈服點的位置也基本相同。在隨后的強度增加部分，梁柱鉸接的情況大約比梁柱剛接的情況要低30%，這說明它們的差別是出現(xiàn)在隅撐屈服之后。從使用的角度來看，斜隅支撐框架梁柱的剛接程度對于整個框架的承載能力有一定影響，剛性連接的性能要優(yōu)于鉸接，故建議實際工程中盡可能保證節(jié)點的剛性連接。

2)隅撐與框架的連接方式對斜隅支撐鋼框架抗震性能的影響。隅撐與框架梁柱的連接方式分剛接和鉸接(如圖4所示)。隅撐與梁柱不同的連接方式，對結(jié)構(gòu)抗震性能也會產(chǎn)生不同的影響。

為了使得所算出來的結(jié)果具有可比性，試驗中取與研究梁柱節(jié)點連接方式對斜隅支撐鋼框架抗震性能影響時的相同材料，并將水平荷載施加在框架的梁柱節(jié)點處(如圖中A點)。試驗研究表明：隅撐與框架梁柱節(jié)點的連接形式對斜隅支撐框架的抗震性能有著較大的影響，隨著水平荷載的增大，框架及其支撐系統(tǒng)的側(cè)向剛度降低。在隅撐屈服之前，鉸接形式的結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度降低了約40%，較剛接降低更多，隅撐也提前進入屈服點。但隅撐一旦屈服后，兩種連接方式的結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度比較接近。顯然，隅撐與框架梁柱節(jié)點剛接時的結(jié)構(gòu)體系的抗震性能優(yōu)越于隅撐與框架梁柱節(jié)點鉸接時的結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。

另外從延性角度來看，結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)可以用下面公式來計算：μ=Δy/Δm。 其中，μ為延性系數(shù)；Δy為隅撐屈服時候的位移；Δm為結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時的極限位移。從圖5可以看出，剛性連接時結(jié)構(gòu)的延性要明顯大于鉸接時結(jié)構(gòu)的延性。因此，斜隅支撐體系當中，隅撐與梁柱剛接時的性能要明顯好于鉸接的情況。工程實踐中，隅撐與梁柱之間應(yīng)以剛接為宜。

2.2 隅撐的布置方式對鋼框架抗震性能的影響

隅撐的布置方式一般分為三種情況：隅撐設(shè)在斜撐的上部、隅撐設(shè)在斜撐的下部以及上部下部同時設(shè)隅撐。根據(jù)以上隅撐與框架梁柱的連接方式對斜隅支撐鋼框架抗震性能影響的分析結(jié)論，在斜隅支撐結(jié)構(gòu)框架體系里面，鋼框架中所有梁柱節(jié)點均設(shè)計成剛性節(jié)點，隅撐兩端與梁柱的連接也采用剛性連接，則隅撐的三種布置方式如圖6所示。

為了便于分析比較三種布置形式的框架工作性能，對三種框架相應(yīng)部位構(gòu)件取相同的截面尺寸和材料型號，將水平荷載仍然施加在梁柱的節(jié)點處。試驗得出：隅撐設(shè)置在上端時框架體系的抗震性能最好，其次是設(shè)置在下端，上下端同時設(shè)置隅撐時相對差些，但三種情況對鋼框架受力性能的影響差別不是特別大(如圖7所示)。在實際工程應(yīng)用中，因上下端都設(shè)置隅撐會增加施工的難度，一般只考慮在上端或下端設(shè)置隅撐。通常按建筑使用功能的要求，更多考慮將隅撐設(shè)置在上端。

此外，還有學者通過對隅撐支撐框架結(jié)構(gòu)進行彈塑性分析，得出隅撐的設(shè)置位置、隅撐和柱的截面剛度比、框架梁柱剛度的

變化等因素對結(jié)構(gòu)抗側(cè)移性能和抗震性能的影響。

3 鋼框架斜隅支撐體系抗震性能研究展望

鋼框架斜隅支撐結(jié)構(gòu)體系在研究試驗過程中隅撐最先進入屈服耗能，框架主體結(jié)構(gòu)在加載過程中均處于彈性工作狀態(tài)，隅撐較好地保護了結(jié)構(gòu)的主體構(gòu)件。鋼框架斜隅支撐結(jié)構(gòu)體系具有較大的抗側(cè)移剛度、良好的耗能能力和優(yōu)越的抗震性能，在常遇、罕遇地震作用下的層間轉(zhuǎn)角均能滿足規(guī)范要求，可適用于高烈度設(shè)防地區(qū)的多高層鋼結(jié)構(gòu)工程。

作為一種新型的耗能框架支撐體系，斜隅支撐結(jié)構(gòu)體系無論從理論分析上還是從試驗研究上已取得了長足的發(fā)展，但其研究工作還遠沒有結(jié)束，如：復雜的結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，如何簡化其彈塑性及擬動力受力分析，使其適應(yīng)國內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計等等，有待進一步研究和討論。筆者認為，未來研究工作包括：

1)進一步研究隅撐與梁柱連接形式的可靠性及其對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響；

2)考慮斜隅支撐可更換的前提下，隅撐與梁柱連接形式及其性能研究；

3)應(yīng)用有限元程序和計算軟件對單層和兩層斜隅支撐框架鋼結(jié)構(gòu)體系進行結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，總結(jié)歸納出適合工程設(shè)計的實用建議；

4)針對多跨多層或高層框架結(jié)構(gòu)的斜隅支撐體系在地震荷載作用下的彈塑性受力性能試驗分析尚未出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在水平荷載和豎向重力荷載作用下的二階荷載效應(yīng)對抗震性能的影響等有待進行擴展和研究，從而得出該結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計建議。

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The research status and prospect of seismic behavior of steel frame knee bracing system★

Xu Guangshu1Xu Di2

(1.CivilEngineeringandArchitectureSchool,NantongVocationalCollege,Nantong226007,China; 2.NantongConstructionEngineeringGroupLimitedCompanybyShare,Nantong226001,China)

This paper introduced the features of steel frame knee bracing system, analyzed the influence of node connection way and knee bracing layout way to knee bracing steel frame seismic behavior, and put forward the research direction of seismic behavior of steel frame knee bracing system, for reference.

steel frame, knee bracing, seismic behavior, node

1009-6825(2017)07-0024-02

2016-12-28 ★：南通職業(yè)大學自然科學研究項目(編號：1407113)

徐廣舒(1966- )，女，教授，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU352

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