1、1111111毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目:钢框架中心支撑结构体系设计要点研究学生姓名： 1111 学号： 111111 系 （部）： 建筑工程学院 专 业： 工业与民用建筑 指导教师： 11 22010 年 1 月 11 日钢框架中心支撑结构体系设计要点研究1、前言1.1 钢框架的发展纯框架结构体系指的是无支撑架，是钢结构建筑常用的形式。但当建筑达到一定高度时，在地震作用下结构侧移大，影响正常使用，且纯框架是单一抗侧力体系，钢框架一旦破坏，其后果相当严重。中心支撑框架是常用的双重抗侧力体系，它是指有支撑斜杆连接于框架梁柱节点上。中心支撑框架体系具有较大的抗侧刚度，保证了正常使用极
2、限状态要求，在常遇地震作用下能有效防止非结构构件的破坏。1.2 纯钢框架体系阶段钢框架体系结构体系不设置柱间竖向支撑，可以采用较大的柱距和获得较大的使用空间，建筑平面布置灵活，有很好的延性。但是由于纯钢框架结构体系抗侧力刚度较小，因此应用受到一定限制。1.3 支撑钢框架体系阶段 2,4对于多层及中高层建筑，由于侧向作用力的增大，使得梁柱等构件尺寸也相对较大，失去其经济合理性，这时宜在框架体系中部分框架柱之间设置支撑，形成支撑框架体系。这种结构在水平荷载作用下，通过刚性楼板或弹性楼板的变形协调与刚接框架共同土作，形成双重抗侧力结构体系。支撑是第一道防线，框架是第二道防线，该体系具有较大的抗侧力刚
3、度。对于支撑的设置，根据不同设计要求，可选择中心支撑框架、偏心支撑框架或消能支撑框架结构。1.3.1中心支撑框架结构中心支撑的特征是支撑的每个节点及各杆件的轴心线交汇于一点，它包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、K 形支撑、人字形支撑，以及 V形支撑等类型(依次见图 11)。中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单，能减小结构的水平位移，改善结构的内力分布。但在水平地震荷载作用下，中心支撑容易产生压曲，造成其受压承载力和抗侧刚度急剧下降，直接影响结构的整体性能，因此，在地震区应用时应当慎重。3图 11 中心支撑钢框架体系1.3.2偏心支撑框架结构偏心支撑框架的支撑斜杆与梁、柱的轴线不交汇于一点，而是
4、偏心连接，以形成一个先于支撑斜杆屈服的“耗能梁段” 。在中小地震时，结构处于弹性阶段，在强震时耗能梁段进入塑性，利用梁的塑性变形来吸收能量，而支撑始终保持为弹性。偏心支撑框架较好地解决了中心支撑所存在的强度、刚度和耗能这三种性能不匹配问题，兼有中心支撑框架强度与刚度好、纯框架耗能大的优点，抗侧移刚度大、延性好。图 12 为常见的几种偏心支撑的类型和耗能梁段的构成。图 12 偏心支撑钢框架体系1.3.3消能支撑框架结构消能支撑框架结构是将框架一支撑结构中的支撑杆设计成消能杆件，以吸收和耗散地震能量来减小结构地震反应的一种新型抗震结构。在风和小震作用下消能支撑能增加结构的水平刚度，减小结构的侧移;
5、在中震和大震下其刚度变小，能减小结构的水平地震作用，同时消耗大量输入结构的地震能量，使结构的地震反应大大衰减。消能支撑可以做成方框支撑、圆框支撑、交叉杆支撑、斜杆支撑、Y 型支撑以及 K型和节点屈服型支撑等。见图 13。4图 13 消能支撑几种形式2、国内外应用情况2.1 国内钢框架应用情况20世纪 90年代以来，随着我国国民经济实力的增强与钢结构产业的发展，北京、上海等地相继开始兴建高层钢结构建筑。目前，我国已建成的高层钢结构建筑已经超过一百幢，并在高层建筑领域呈现出快速发展的趋势。已建成的上海金茂大厦(88 层，高 421 m)及正在施工中的环球金融中心(95 层，高 460 m)使我国的
6、高层建筑进入世界前列。2.2 国外钢框架应用情况在国外，高层建筑钢结构的发展已有 100多年的历史，1886 年在美国建成的 11层家庭保险大楼，是近代高层建筑钢结构的开端。建于 70年代高 443m的西尔斯大厦是当今世界上最高的建筑。3、国内外研究现状3.1理论研究方面3.1.1钢支撑的研究现状钢支撑的滞回性能与支撑杆件的长细比、板件宽厚比、支撑端支撑初始缺陷、钢材材性及循环加载历史等都有关系。（1）支撑杆件的长细比支撑长细比是影响其滞回性能的重要因素。长细比兄较小的钢支撑滞回环及单循环耗能较好，但容易在局部屈曲处因循环塑性应变发生低周疲劳破坏。在弹性阶段或塑性阶段，均可采用等效长细比方法近
7、似考虑钢支撑端部约束的影响。因此在框架一中心支撑结构整体分析中，可采用两端铰支钢支撑等效不同端部约束的钢支撑。5各国规范在支撑杆件长细比限值上持有不同的观点。我国的高层民用建筑钢结构技术规程 7（以下简称高钢规 ）认为:在地震作用下钢支撑的滞回性能主要取决于其受压行为，钢支撑长细比大者，滞回环较小，吸收能量的能力较弱，只有采用较小长细比的钢支撑才能避免在反复拉压作用下承载力显著降低。而 AISC341、UBC97 及 EC8规范认为支撑杆件长细比过小，有可能引来过大的地震作用，延性也较差。因而欧美等国家的规范对钢支撑长细比的限制相对宽松。在方钢管支撑滞回试验中发现，在前一、二次循环内，管支撑屈
8、曲后抗压承载退化较快，长细比越大，退化越明显;在后续循环内，管支撑抗压承载力的退化趋于稳定。试验研究表明，长细比较大的钢支撑趋向于具有较好的耗能及低周疲劳性能。（2）板件的宽厚比美国 AISC规范根据板件宽厚比将截面分为三类:厚实(compact)、非厚实(non一 comPact)、薄柔(slender)。厚实截面可以进行塑性设计;非厚实截面会在弹塑性阶段出现局部屈曲，只能进行有限塑性设计;薄柔截面会在弹性阶段出现局部屈曲而成为控制因素。日本 AIJ规范根据翼缘宽厚比和腹板高厚比之间的相关关系将截面分为三类:P 一 I、P、P；其性质大体与 AISC规范中的厚实、非厚实和薄柔截面分别对应，但
9、都可用于抗震设计。我国钢结构设计规范(GB50017 一 2003)20(以下简称钢结构规范)允许利用屈曲后强度，但01 规范从塑性耗能能力要求出发，在钢框架抗震设计中排除了大宽厚比构件。钢支撑在循环荷载作用下比单调加载作用下更易发生局部屈曲。支撑板件宽厚比越大，局部屈曲越严重。当钢支撑在中部发生局部屈曲并形成较大的塑性应变幅时，疲劳裂纹容易在板件局部屈曲处形成，并在拉压荷载交替作用下扩展至整个截面，使支撑过早退出工作。Goel9通过 6组(单)双角钢 x形钢支撑滞回试验，研究了板件宽厚比、长细比及钢支撑屈曲模式对支撑滞回性能的影响。结果表明，钢支撑板件宽厚比越大，长细比兄越小，钢支撑越容易发
10、生局部屈曲。连尉安进行了 21个不同几何特性的焊接工形截面钢支撑低周疲劳试验，得出结论为:在等幅对称循环荷载下所有试件(包括翼缘板件宽厚比小于我国 9度抗震设防要求的试件)中部翼缘均发生局部屈曲，并因低周疲劳开裂而失效。仅采取减小板件宽厚比的措施，并不能避免钢支撑在较大循环塑性应变下的低周疲劳破坏。（3）钢支撑滞回性能的模拟1970年代以来，国内外学者在试验基础上提出了一系列用于模拟支撑滞回行为的方法，并应用于整体结构非线性动力时程分析。早期支撑模拟方法是由精架杆元改进得到的，可用于模拟只承受拉力的大长细比支撑。后来提出的支6撑滞回行为模拟方法在表征支撑复杂行为上各有优势，又都存在一定局限性。
11、目前钢支撑滞回行为模拟方法可分为现象学、物理学及有限元方法。现象学方法基于简化滞回规则，用顺时针线段表征 P一 关系。该方法可采用等效长细比法近似考虑支撑端部约束的影响，并且仅有轴向自由度，计算效率较高，适用于大型结构分析，应用较广;多数改进后的现象学方法可以比较准确、折中地表现支撑各种复杂滞回行为，但还无法准确考虑局部屈曲、加载历史、切线刚度随循环退化等效应，并且其控制参数还必须通过相应的钢支撑试验及复杂的算法来确定。物理学方法基于支撑滞回行为特点，用两弹性杆元加中部塑性铰的组合模型模拟支撑。该方法充分利用了材料屈服准则，可考虑塑性沿截面、杆长发展渐变性，其控制参数可由截面尺寸、钢材材质及杆
12、件长细比直接确定。但是该类方法多适用于模拟长细比兄较大的支撑，无法考虑板件局部屈曲和低周疲劳累积损伤带来的刚度退化效应。有限元方法分为空间壳元方法和梁元方法。申林采用 8节点非线性大变形厚壳单元、混合强化本构关系，并引入累积损伤效应和残余应力的影响，在分析中对刚度矩阵进行修正，对循环荷载作用下钢支撑的滞回性能进行了系统的分析。董永涛将 8节点退化壳元应用于钢板件、板组、箱形截面短柱在单向和循环荷载作用下的理论及试验研究，并在试验中验证了该方法的正确性。采用空间壳元对构件进行网格划分，模拟钢支撑在往复荷载下非线性屈曲性能，可考虑如塑性沿杆长发展、局部屈曲、塑性铰区截面变形、包辛格效应、残余弯曲及
13、残余伸长等非线性因素，是钢支撑杆件滞回行为模拟、钢支撑局部屈曲后塑性区低周疲劳累积损伤评估及相关影响参数分析的基础，但该方法对塑性区应力一应变历程的模拟准确与否尚待进一步验证。采用空间壳元模拟钢支撑，计算代价太高，不适用于整体分析中钢支撑的模拟。利用梁元模拟钢支撑滞回行为，虽然不能准确的考虑塑性铰区局部屈曲及截面变形引起的退化效应，但已有的研究成果表明，将梁元应用于整体结构分析中的钢支撑模拟还是适宜的。3.1.2 中心支撑钢框架的研究现状 1（1）中心支撑钢框架试验研究美日在 1980年代的联合地震研究项目中做过中心支撑钢框架的振动台试验，详细地介绍了六层中心支撑钢框架的设计、施工、试验过程，
14、对其在小震、中震和大震下的性能进行了分析，讨论了耗能性能、梁柱拼接节点的破坏形式、支撑的屈曲、组合楼板的影响及空间作用的影响。指出不同地震作用下结构的耗能由三部分构成:支撑一梁柱节点的小偏心耗能梁段的剪切变形;支撑的屈曲及屈曲后的变形;梁柱的屈服。哈尔滨工业大学也做过相关的研究，田亚军做过中心支撑钢框架的地震模拟试验研究；2004 年 2月，哈尔滨工业大学土木工程学院与中国地震局工程力7学研究所合作进行了三层大尺寸钢框架一中心支撑结构振动台试验。（2）中心支撑钢框架的有限元模拟对中心支撑钢框架弹塑性时程分析的主要不同在于对支撑的模拟方法不同。李莹采用现象学的方法来表征支撑的滞回性能，根据模拟出
15、来的支撑滞回曲线，提出了一种拉压杆滞回曲线的简化模型，根据支撑首次受压屈曲荷载与名义稳定承载力的比值及名义稳定承载力与首次受拉屈服荷载的比值，给出了拉杆模型、单向耗能拉压杆模型和她本人提出的拉压杆模型的不同使用范围。最后用支撑滞回曲线简化模型进行了带支撑轻型钢框架的弹塑性时程分析。用两弹性杆元加中部塑性铰的组合模型来模拟支撑的分析方法就是较流行的塑性铰方法。国内外学者提出了很多的塑性铰模型以适用于钢结构框架体系的二阶非弹性分析，如精炼的塑性铰模型、名义荷载塑性铰模型、考虑塑性扩展的准塑性铰模型以及塑性区模型等。另外还有文献专门论述如何考虑塑性在截面上和杆长方向的扩展、残余应力、二阶效应、初始几
16、何缺陷、弯曲效应、荷载分布方式、加载历程、板件的局部屈曲、弯扭失稳、半刚性连接、节点域剪切变形等影响结构整体极限承载力的非线性因素。连尉安分别采用 ANSYS软件的 BEAM189单元和 SHELL181单元对支撑进行了梁元和壳元模拟。结论为:对两端嵌固的支撑，采用 4个以上梁元模拟可达到与壳元模型相近的效果;对两端铰接支撑，采用 2个以上梁元模拟可达到与壳元模型相近的效果。连尉安选用 BEAM189单元模拟框架梁、柱以及钢支撑，按 4等分对梁、柱及钢支撑进行单元划分;采用质量单元(即 MASSZI单元)模拟结构配重，质量单元分布于每一楼层的梁柱节点处;柱脚约束视为嵌固。从不同角度对有限元模拟
17、结果与试验结果进行了比较，结果表明吻合较好，从而验证了利用ANSYS软件的 BEAM189单元进行框架一中心支撑结构地震时程分析的可行性。孙跃洲则采用 ABAQUS/standard中的 B32梁单元模拟框架梁、柱以及钢支撑，单元划分长度为 1.0m;采用加大次梁密度的方法来考虑配重;柱脚约束视为嵌固。通过与试验结果的对比可知，用 ABAQUS/standard进行框架一支撑体系的有限元动力模拟是可行的。（3）中心支撑钢框架结构影响系数的研究国内外针对中心支撑和中心支撑钢框架结构性能的研究较多，但针对中心支撑钢框架的结构影响系数和位移放大系数的研究却较少。特别是国内，由于我国一直采用“两阶段三水准”的“小震弹性”抗震设计方法，对于中心支撑钢框架结构影响系数和位移放大系数的研究几乎是一片空白，只有近两年苏州科技学院的研究生在这方面做了一些研究工作。MA.Rahgozar 第二方面内容的中心问题则是如何确定结构在预定地震水平下的反应，目前代表的方法有 CSM(Capacity Spectrum Method,能力谱法)NSP（Nonlinear Static Procedure，非线性静力方法)，CSM的表现形式是对弹性反应谱进行修正，而 NSP则直接利用各种系数对弹性反应
