偏心支撐耗能梁段內(nèi)力分析及構(gòu)造措施

呂 村，孟艷春

（1.青島工學(xué)院，山東青島 266300；2.青島黃海學(xué)院，山東青島 266427）

0 引言

近年來，偏心支撐鋼框架這種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用越來越廣泛，因?yàn)樗目拐鹦阅茌^好，所以偏心支撐比較適用于Ⅷ度及以上的抗震設(shè)防的鋼結(jié)構(gòu)房屋，尤其是高層鋼結(jié)構(gòu)中。在罕遇地震下，因耗能梁受到剪力作用，從而發(fā)生剪切屈服，除柱底形成彎曲塑性鉸之外，其余各部件均為彈性狀態(tài)，避免了結(jié)構(gòu)承載力降低，因耗能梁段具有很好的抗剪力，在罕遇地震下能具有鋼框架類似的延性。在罕遇地震下：①利用了耗能梁段的非彈性的變形來進(jìn)行耗能；②它最先發(fā)生剪切屈服。保證這兩點(diǎn)之后才能很好的保護(hù)支撐斜桿的屈曲和后伸，以及相應(yīng)增加了地震持續(xù)時間和抗震能力。在地震過程中，耗能梁充當(dāng)保險(xiǎn)絲的作用，使得支撐斜桿的軸向力得到了限制，避免了使其通過屈曲過大的力用來支撐，從而使得結(jié)構(gòu)的耗能能力和延性得到了提高，所以在高烈度地震區(qū)，越來越多的開始采用偏心支撐這樣一種結(jié)構(gòu)體系[1]。

偏心支撐框架的典型形式如圖1 所示，圖中標(biāo)字母“a”的梁段是耗能梁段，其作用是使支撐斜桿和梁的屈服順序發(fā)生了變化[2]，即在罕遇地震下，最先通過耗能梁段非彈性的變形來耗能，使耗能梁最先發(fā)生屈服，進(jìn)而使支撐斜桿后發(fā)生屈曲或不發(fā)生屈曲，相應(yīng)地使結(jié)構(gòu)的抗震持續(xù)時間延長，以達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。

1 耗能機(jī)構(gòu)

1.1 耗能梁段長度

使整體框架結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體破壞，就要在耗能梁段處在彈塑性狀態(tài)之時，梁、柱以及支撐斜桿均為彈性階段，其他構(gòu)件與耗能梁段之間常采用的是固接的形式。如圖2 所示，圖中為一耗能梁段的力學(xué)模型，其一端是固定端，另一端為定向支座。

圖1 典型偏心支撐形式

圖2 耗能梁段力學(xué)模型

耗能梁段的長度a 若滿足公式（1），則為剪切屈服型，如果不滿足公式（1），則耗能梁段為彎曲屈服型的。

其中：Mp-耗能梁段的塑性抗彎承載力；Vp-耗能梁段的塑性抗剪承載力[3]。

1.2 耗能梁段的截面設(shè)計(jì)

選擇耗能梁段的截面時最好是首先要滿足受剪面積，使得截面的高度滿足最大值，從而使腹板發(fā)生剪切破壞。故在設(shè)計(jì)時，選擇腹板面積最小的截面，另外，還應(yīng)滿足三點(diǎn)：①滿足腹板高厚比的要求；②滿足翼緣寬厚比的要求；③滿足最小受剪面積。除此之外，還要符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）中有關(guān)截面和翼緣寬厚比的規(guī)定[4]。

公式（2）是耗能梁段的剪力與框架的側(cè)向荷載之間的簡化關(guān)系：

式中：Vcum-上部樓層的側(cè)向荷載所傳來總的層間剪力；Va-耗能梁段剪力。

通過式（2）來計(jì)算耗能梁段剪力，同時取Vp=Va來進(jìn)行估算耗能梁段的截面，這樣在確定了耗能梁段的截面后，其他桿件也可以按照此原則來設(shè)計(jì)[6]，即耗能梁段屈曲甚至發(fā)生應(yīng)變硬化時仍保持著彈性狀態(tài)，則耗能梁段桿端彎矩為：

式中：Ma、Mb-耗能梁段桿端彎矩；Vu-耗能梁段的極限抗剪承載力；Mp為耗能梁段塑性抗彎承載力；Vp-抗剪承載力；a-耗能梁段凈長；L-框架的跨度。

此外，為了使腹板的抗剪承載力得到提高，應(yīng)分別在耗能梁段的兩端設(shè)橫向加勁肋，且不能在腹板上開洞，避免減小腹板的強(qiáng)度。此外，也不能采用加焊貼板來提高腹板強(qiáng)度[7]。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中規(guī)定：當(dāng)耗能梁段長度時，中間加勁肋的間距要不大于30tw-h/5；當(dāng)2.6Mp/Vp≤a≤5Mp/Vp時，中間加勁肋應(yīng)設(shè)置在耗能梁段端部1.5bf處，且間距不應(yīng)大于 52tw-h/5；當(dāng) 1.6Mp/Vp≤a≤2.6Mp/Vp時，中間加勁肋的間距應(yīng)采用插值法來得出；當(dāng)a＞5Mp/Vp時，可不設(shè)置中間加勁肋。除此之外，當(dāng)a＜2.6Mp/Vp時，應(yīng)在距梁段兩端距離為bf處設(shè)置加勁肋。腹板兩側(cè)加勁肋總寬度不得小于bf-2tw，厚度不小于10mm 或0.75tw。加勁肋須采用角焊縫的形式與梁連接起來[5]。

1.3 偏心支撐鋼框架各構(gòu)件之間的連接

抗震規(guī)范中，對所有框架結(jié)構(gòu)中對抗震有一定要求的結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造上，支撐梁段均應(yīng)采用剛接的形式。AISC 中指出：當(dāng)框架柱與耗能梁段相連時，只能采用剪切型耗能梁段[8]。對節(jié)點(diǎn)的拼接時，柱子與耗能梁段的翼緣相連時，采用深熔焊縫形式，同時柱上的外伸節(jié)點(diǎn)板與梁段的腹板應(yīng)采用焊接而不能采用螺栓連接，因?yàn)槁菟ㄟB接會因螺栓節(jié)點(diǎn)受循環(huán)剪力的作用，使螺栓發(fā)生相對滑移，進(jìn)而使柱與翼緣焊縫發(fā)生斷裂。彎曲型梁段因?yàn)榱憾藦澗剌^大，而普通框架節(jié)點(diǎn)又不能隨塑性鉸轉(zhuǎn)動，故常不采用柱與耗能梁直接連接的方式。另外，耗能梁與柱的腹板直接相連的方式也行不通，是不符合強(qiáng)柱弱梁這項(xiàng)原則的[8]。

1.4 偏心支撐鋼框架的抗震構(gòu)造

為了保證柱子與支撐的彈性，支撐節(jié)點(diǎn)和耗能梁段的構(gòu)造應(yīng)滿足以下的規(guī)定：

（1）因鋼材屈服強(qiáng)度反而會降低鋼材的延性，不能保證其屈服，因此用在耗能梁段的鋼材屈服強(qiáng)度要不大于345MPa。

（2）提高耗能梁段腹板的方法不得采用加焊貼板的方式。此外，梁腹板也不能開洞，在梁腹板開洞會使耗能梁的性能變得復(fù)雜，難以預(yù)測。

（3）支撐斜桿與梁中線的交點(diǎn)一般是在耗能梁段兩端，或者在其內(nèi)部，但是交點(diǎn)不能在耗能梁外，這樣會增加耗能梁和支撐彎矩，對抗震不利。

（4）支撐和梁之間的角度應(yīng)該大于40°，小于50°。若角度小于40°，將不僅會使支撐的軸力增大，這樣不經(jīng)濟(jì)。而且使得梁和柱與支撐的連接不方便，不利于現(xiàn)場施工。

2 總結(jié)

本文主要總結(jié)了耗能梁的內(nèi)力計(jì)算與分析、鋼框架的各構(gòu)件連接及抗震措施，根據(jù)有關(guān)的規(guī)范給出相應(yīng)的計(jì)算公式，為偏心支撐鋼框架的分析提供了依據(jù)。