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钢框架偏心支撑耗能梁段研究


偏心支撑钢框架耗能梁段研究
前言
当抗弯钢框架采取合理的设计和施工时, 可以表现出良好的延性, 但抗弯钢框架结构弹 性刚度较差,一般设计时由侧移控制。中心支撑框架虽然有很好的抗侧移刚度,但它的耗能 能力由于支撑的屈曲而受影响。20 世纪 70 年代早期,在日本提出了一种吸取抗弯钢框架和 中心支撑各自优点而改良的钢结构体系,称为偏心支撑钢框架(EBF) 。与中心

支撑钢框架 相比,偏心支撑钢框架在以下几个方面具有明显优势: (1)能够准确有效地控制结构在水平地震下的变位,减小层间及整体结构的侧移; (2)具有较大的结构延性; (3)耗能梁段的剪切屈服起到类似“保险丝”的作用,耗散强烈地震时过多的能量; (4)耗钢量小,可节省 20%---30%的钢材; (5)适用范围广,不仅适用于高层建筑结构,而且可用到多层建筑; (6)提供一种刚性的结构体系而不过多地耗费钢材,具有较好的经济性; 典型的偏心支撑形式见图1,有加劲肋的关键的一段梁叫耗能梁段。

图1

偏心支撑的常见类型

图 2 水平地震作用下偏心、中心支撑的变形状态

偏心支撑钢框架通过耗能梁段的弯曲和剪切将支撑中的轴力传递给柱或另一根支撑, 耗 能梁段以稳定的工作性能来担当结构中的“保险丝” ,耗散地震能量。为了实现预期目的, 耗能梁段需采取合理的构造细节以具有足够的强度和稳定的能量耗散能力,其他结构构件 (耗能梁段以外的梁、支撑、柱和节点)需按能力方法设计,以耗能梁段实际能力产生的力 而不是规范规定的设计地震荷载来设计。

1.基本性能
1.1 内力分布特点

偏心支撑钢框架由于其框架梁与框架柱是刚性连接, 而支撑斜杆与框架的梁、 柱为铰接 或刚性连接,因此这类框架既有框架的一些受力特点,即框架柱及框架梁均产生弯矩、剪力 及轴向力; 又有竖向悬臂桁架的受力特点, 即支撑斜杆承担大部分水平剪力及相应的轴向力。 但是,由于设置耗能梁段,故也有较明显的差异之处。由图 3 可知,偏心支撑有如下受力特 点:在水平地震作用下,耗能梁段承受较大的杆端弯矩和竖向剪力,其轴向力较小;耗能梁 段两侧或一侧的框架梁,承受较大的弯矩和轴向力;耗能梁段在跨中存在反弯点,故沿其纵 轴变形呈S形。

图 3 K型和D型偏心支撑的内力分布

1.2 耗能破坏机构 考察图 4 所示的理想弹塑性偏心支撑破坏机构, 一旦耗能梁段剪切屈服, 其塑性机构如 图3所示,运用简单的塑性理论,可得:

? p ? ?p

L e



?p ?

L ?p 2e

(1)

式中: ? p 为塑性侧移角(或塑性楼层侧移比) ; ? p 为耗能梁段的塑性转角。从式(1)可 以看出,耗能梁段的延性决定了整个偏心支撑框架的延性,在耗能梁段长度一定的情况下, 耗能梁段的塑性转角越大,楼层的塑性转角也越大,即延性越好。结构在大震下弹塑性变形 验算时,不仅要满足弹塑性层间位移角限值的要求,还要根据式(1)验算耗能梁段的转角 是否超过耗能梁段本身的最大塑性转角。

图 4 偏心支撑的耗能塑性破坏机构

2.耗能梁段的设计
2.1 耗能梁段的类型 图 5 为分离的耗能梁段, 忽略轴力、 弯矩与剪力的相互作用, 当耗能梁段两端的弯矩 M A 和 M B 都达到其塑性弯矩 M p 时,两端则形成弯曲铰,当剪力达到塑性剪力 Vp 时,剪切铰 形成。

图 5 耗能梁段的内力平衡

塑性铰弯矩和塑性铰剪力按下式计算:

M p ? Wp f y



Vp ? 0 . 5 8 fy h ( ?
2M p Vp

2 tf t ) w

(2)

当弯曲铰和剪切铰同时形成时,可由平衡条件得到:

e0 ?

(3)

式(3)即为剪切型和弯曲型耗能梁段的分界。 当 e ? e0 ? 当 e ? e0 ? 剪力为

2M p Vp 2M p Vp

,剪切铰先于弯曲铰形成,这种耗能梁段称为剪切型耗能梁段。

,弯曲铰先于剪切铰形成。这种耗能梁段称为弯曲型耗能梁段,则相应的

V ?

2M p e

(4)

基于理想的塑性理论, 对式 (3) 可以简单地进行修正, 以考虑弯矩和剪力的相互作用。 然而试验研究结果表明,其相互作用非常小,故可以忽略。试验同时也表明,设置合理加劲 肋的剪切型耗能梁段由于应变硬化,抗剪强度可达到 1.5 Vp ,耗能梁段两端端弯矩可达到 1.2 M p 。所以式(3)可修正为:

e0 ?

2*(1.2M p ) 1.5Vp

?

1.6M p Vp

(5)

试验研究表明, 当偏心支撑中采用长耗能梁段时, 偏心支撑的非弹性变形能力会明显降 低,按照以上的逻辑,当弯曲铰主要控制耗能梁段的性能时,耗能梁段两端的弯矩可达到 1.3 M p ,剪力控制在 Vp 之内。则: e ?

2.6M p Vp

为弯曲型耗能梁段;

1.6M p Vp

?e?

2.6M p Vp



认为是过渡区,此时,耗能梁段同时发生剪切和弯曲屈服,称为弯剪型耗能梁段。 图 6 对偏心支撑中的耗能梁段进行了分类, 当长耗能梁段用于D和V型偏心支撑时, 耗 能梁段与柱焊接节点承受大的弯矩,很可能发生耗能梁段与柱连接节点的脆断。 在没有受建筑方面要求的限制时, 耗能梁段宜选剪切型耗能梁段, 一般可取 0.10~0.15 的梁长度。剪切型耗能梁段不但延性好,而且抗侧移刚度大,但耗能梁段不应过短,耗能梁 段越短,其塑性变形越大,这样可能使得耗能梁段过早地破坏,同时耗能梁段与非耗能梁段 的夹角越大,从而导致楼板破坏更严重。所以建议剪切型耗能梁段长度一般要大于

Mp Vp



图6

耗能梁段的分类

2.2 轴力对耗能梁段的影响 轴力的存在降低了耗能梁段的抗弯和抗剪以及变形能力, 当轴力N超过全截面屈服轴力

N y 的15%时,由N-M的相互关系计算降低后的塑性弯矩:
M pa ? 1.18M p (1 ?
降低的剪力为:

N ) Ny

(6)

V pa ? V p 1 ? (

N 2 ) Ny

(7)

将式(6) 、式(7)中的 M pa 、 V pa 代替式(5)中 M p 和 Vp ,且当 ? ' 计算降低的 e0 为:

Aw ? 0.3 时可以 Ag

e0 ? (1.15 ? 0.5? '
其中

Aw 1.6M p ) Ag Vp

(8)

? ' ? N /V
当?'

,

Aw ? (d ? 2t f )tw

Aw ? 0.3 时,可以忽略轴力的影响。 Ag

3.抗震设计要点和应注意的问题
3.1偏心支撑框架在抗震设计要点和应注意的问题 (1)为使消能梁段有良好的延性和消能能力,其钢材应采取Q235或Q345; (2)板件宽厚比应符合表1要求; (3)消能段长度应满足以下二式的要求: 当 ? ( Aw / A) ? 0.3 时, a ? 1.6

MP VP Aw M )1.6 P A VP

当 ? ( Aw / A) ? 0.3 时, a ? (1.15 ? 0.5?

VP ? 0.58 f y h0 f w M P ? WP f y

式中, VP ——消能梁段塑性受剪承载力;

M P ——消能梁段塑性受弯承载力; h0 ——消能梁段腹板高度;

t w ——消能梁段腹板厚度; WP ——消能梁段截面塑性抵抗矩;
A ——消能梁段截面面积;

Aw ——消能梁段腹板截面面积。
表 1 偏心支撑框架梁板件宽厚比限值

(4)为使消能梁段在反复荷载下具有良好的滞回性能,需采取合适的构件并加强对腹 板的约束: a.支撑斜杆轴力的水平分量成为消能梁段的轴向力,当此轴向力较大时,除降低此梁 段的受剪承载力外,还需减少该梁段的长度,以保证它具有良好的滞回性能。 b.由于腹板上贴焊的补强板不能进入弹塑性变形,因此不能采用补强板;腹板上开洞 也会影响其弹塑性变形能力。 c. 消能梁段与支撑斜杆的连接处,需设置与腹板等高的加劲肋,以传递梁段的剪力并 防止连梁腹板屈曲。 d. 消能梁段腹板的中间加劲肋,需按梁段的长度区别对待,较短时为剪切屈服型,加 劲肋间距小些;较长时为弯曲屈服型,需在距端部1.5倍的翼缘宽度处配置加劲肋;中等长 度时需同时满足剪切屈服型和弯曲屈服型的要求。 偏心支撑的斜杆中心线与梁中心线的交点, 一般在消能梁段的端部, 也允许在消能梁段 内(如图7) ,此时将产生与消能梁段端部弯矩方向相反的附加弯矩,从而减少消能梁段和支 撑杆的弯矩,对抗震有利;但交点不应在消能梁段以外,因此时将增大支撑和消能梁段的弯 矩,于抗震不利。

图 7 偏心支撑与消能梁段的局部构造

(5)为保证在塑性变形过程中消能梁段的腹板不发生局部屈曲,应按下列规定在梁腹 板两侧设置加劲肋(图 8) :

图 8 偏心支撑框架消能梁段加劲肋的布置

1)在与偏心支撑连接处应设加劲肋。 2)在距消能梁段端部 bf 处,应设加劲肋。 bf 为消能梁段翼缘宽度。 3)在消能梁段中部应设加劲肋,加劲肋间距 C 应根据消能梁段长度 a 确定。 当 a ? 1.6 当 a ? 2.6

MP 时,最大间距为 30tw ? (h0 / 5) ; VP MP 时,最大间距为 52tw ? (h0 / 5) 。 VP

当 a 介于以上两者之间时,最大间距用线性插值确定。其中 t w 、 h0 分别为消能梁 段腹板厚度与高度。 消能梁段加劲肋的宽度不得小于 0.5bf ? tw ,厚度不得小于 t w 或 10mm。加劲肋应采用 角焊缝与消能梁段腹板和翼缘焊接,加劲肋与消能梁段腹板的焊缝应能承受大小为 Ast f y 的 力,与翼缘的焊缝应能承受大小为 Ast f y /4 的力。其中 Ast 为加劲肋的截面面积, f y 为加劲 肋屈服强度。

4.偏心支撑设计中应注意的问题及建议
1) 偏心支撑的能力设计方法与传统的按弹性内力设计的方法不同, 偏心支撑中耗能梁 段按结构保险丝的作用设计,满足规范规定的设计地震荷载要求,其他所有构件(耗能梁段 外的梁,支撑,柱和节点)都必须按耗能梁段中实际或者期望的力设计,不能按规范规定的 地震所产生的荷载设计。 2)当按耗能梁段破环,其他构件基本处于弹性阶段时,能力设计要求在规范规定的屈 服强度基础上,不仅要考虑应变硬化,还要考虑材料超强而引起的强度提高。而偏心支撑在 我国实际应用过程中对这两个因素都未很好考虑, 首先材料屈服强度的提高离散性很大, 还 未对其做出较好的统计数据,其次,我国尚未作过独立足尺耗能梁段的低周反复试验研究, 对耗能梁段由于应变硬化而产生的超强还不清楚,只是参考国外的试验数据。 3) 耗能梁段外其他构件的设计除了按规范规定的荷载组合确定外, 对于包括地震效应 的荷载组合,应以一个荷载 S E1 来代替地震效应 S E ,式中 S E1 对于支撑定义为至少耗能梁 段达到所 1.25RyVn 产生的支撑轴力和弯矩,对于柱和非耗能梁段定义为至少耗能梁段达

1.1RyVn 所产生的轴力和弯矩。而我国规定其他构件的设计按包括水平荷载的最不利荷载组
合下效应乘以放大系数,此放大系数包括两部分,一部分为耗能梁段的超强系数,另一部分 为耗能梁段的剪切强度与耗能梁段剪力设计值之比。 从上可以看出, 我国对耗能梁段外其他 构件的设计不仅放大了水平荷载产生的效应, 同时也放大了重力荷载代表值效应, 显然过于 保守。 4) 偏心支撑结构中有一类耗能梁段与柱直接相连, 耗能梁段与柱相连节点与特殊抗弯 钢框架的节点受力和变形不同, 甚至有时比特殊抗弯钢框架的受力和变形更严重, 所以此连 接节点成为设计的难点,设计时应加倍注意,如按我国目前规范规定的全焊节点进行设计, 很可能在耗能梁段未充分发挥其耗能能力前,节点早已脆性破坏。 5) 偏心支撑中非耗能梁段的梁承受较大的弯矩和轴力, 不应按一般设计软件所提供的 梁受弯构件设计,应考虑轴力的影响,按压弯构件进行设计。 6) 偏心支撑钢框架结构在大震下进行弹塑性变形验算时, 不仅要满足弹塑性层间位移 角限值的要求, 还要特别验算耗能梁段的转角是否超过耗能梁段本身的最大塑性转角, 这一 点在我国规范中未规定,设计者应重视。 5. 国内外应用实例 美国新标准偏心支撑框架设计的修订, 以及构件和连接设计的一些问题, 最大的特点就 是相关构件的内力增大系数进行了显著的降低, 降低幅度相对比较大。 我们国家的抗规规定 也结合国情做了相应的修改, 有利于偏心支撑框架的利用。 偏心支撑框架在弹性阶段有较大 的刚度, 在弹塑阶段有良好的延性和优越的耗能能力。 通过这样的修改相信会给偏心支撑框 架带来良好的应用前景。 该结构体系在美国和日本的高地震烈度区使用较多。 具有代表性的 是具有代表性的偏心支撑钢框架建筑为 1981 年建成的位于圣地亚哥港 19 层的美国银行大厦。 国内同济大学的土木楼的楼梯间就使用了偏心支撑。

图 9 同济大学土木学院大楼偏心支撑

参考文献
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