1、偏心支撑钢框架性能介绍与设计要点摘 要：本文对偏心支撑钢框架的抗震性能进行了简单的介绍，比较了不同的偏心支撑的形式，并说明各种形式的优缺点。然后对偏心支撑钢框架消能梁段的设计方法进行了介绍，并为实际设计中采用这种支撑形式的结构提出了设计建议。 关键词：偏心支撑钢框架；性能；设计 Abstract: This paper take a simple introduction to the seismic performance of eccentrically braced steel frame, compare different eccentric support in the form,
2、 and explain the advantages and disadvantages of various forms. Beam segments of the energy dissipation of eccentrically braced steel frame design method were introduced and the proposed design for the actual design of the structure of this support in the form of recommendations.Keywords: eccentrica
3、lly braced steel frame; performance; design 中图分类号：TU391 献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）11-0020-02 1.偏心支撑钢框架性能简介 偏心支撑钢框架是近二十年发展起来的、并在抗震设防八度及以上的地震区的钢结构建筑中得到较多的应用。它是在构造上使支撑至少有一端偏离梁和柱的轴线交点而与梁相交，另一端可在梁柱交点处进行连接，或偏离另一根支撑斜杆一端长度与梁相连，这样就在支撑斜杆杆端与柱子之间或者两根支撑斜杆的杆端之间构成了消能梁段。如图 1 所示，为常见的几种偏心支撑的类型和消能梁段的构成。 与纯框架和中心支撑框架相
4、比，偏心支撑框架的优点特别明显：1）与纯框架相比，偏心支撑框架每层的支撑增大了抗侧刚度和极限承载力，并具有与纯框架相近的良好延性，但是梁截面却比纯框架中的梁截面小，这样就有效的降低了结构的造价；2）与中心支撑框架相比，偏心支撑框架可有效的降低体系在罕遇地震下反应，有效的避免了钢支撑失稳所带来的结构承载力的迅速下降和位移的急剧增大；并可缩小各楼层层间侧移值的剧烈变化，使其趋于平稳，而中心支撑框架各层间侧移值大小相差悬殊，顶层与底层有时相差三倍；3）中心支撑框架中的支撑轴力明显大于偏心支撑框架中的支撑轴力，并 1-框架柱 2-支撑 3-消能梁段 4-框架梁 图 1 偏心支撑常见的类型 且中心支撑框
5、架中底部几层支撑在较大的压力作用下非常容易发生失稳并退出工作，而在偏心支撑框架中，由于消能梁段的非线性大变形保护了支撑不发生失稳，保证了所用的支撑都在弹性范围内工作；4）偏心支撑框架中的支撑斜杆的轴线偏离梁、柱轴线交点，这样使梁柱节点的构造得以简化，并增加了布置门窗洞口的灵活性。5）不管是在多遇地震还是在罕遇地震作用下，偏心支撑框架都具有良好的控制变形的能力，可以用较少的材料来控制侧移，从而取得良好的经济效益。单在节省钢材一方面，偏心支撑框架就比纯框架节省约 20%，比中心支撑框架节省约30%。 偏心支撑钢框架的滞回曲线呈丰满的纺锤形,几乎没有“捏拢”现象和刚度退化,保证了偏心支撑钢框架具有较
6、大的耗能能力。 多遇震作用下，偏心支撑框架结构可以保持弹性；而在罕遇震作用下，在消能梁段发生剪切屈服之后，它通过剪切变形来耗散地震输入的能量。消能梁段以外的框架各个构件（柱，支撑等）在相应消能梁段 1.6倍设计抗剪承载力的荷载作用下，直到结构破坏仍然保持弹性工作状态。这就说明消能梁段是结构体系中最薄弱的构件，它通过塑性变形有效地减小了支撑中的轴力，支撑受压失稳之类的非延性破坏就被杜绝了。单就变形状态而言，偏心支撑框架与中心支撑框架有本质的区别:中心支撑框架的主要变形因素为支撑斜杆的拉伸和受压失稳；而偏心支撑框架在水平荷载下的变形，主要集中在消能梁段，除了消能梁段发生较大的剪切塑性变形外，其余构
7、件都处于弹性变形阶段。水平地震作用下偏心支撑框架和中心支撑框架的变形如图 2 所示。 a)单斜杆偏心支撑 b)八字形偏心支撑 c）中心支撑 图 2 水平地震作用下中心、偏心支撑的变形状态 偏心支撑框架工作的基本原理是:在罕遇地震的作用下，通过消能梁段往复的剪切塑性变形来耗散地震输入结构的能量，从而保证结构其它构件的弹性工作状态，并使支撑不发生失稳破坏。这样就防止了结构的承载力迅速下降，增加了框架侧向变形的延性，进一步提高了结构的整体安全性和抗震可靠度。由于消能梁段产生塑性变形时，结构的竖向承载力受到的影响非常小，所以保证了结构在罕遇地震作用下不至于发生倒塌。 在实际的设计中，我们还应该通过细部
8、构造的设计来确保偏心支撑钢框架优越抗震性能的充分发挥。如可靠的梁柱连接以及消能梁段与支撑斜杆的连接都是偏心支撑框架杆件内力有效传递的保证。 偏心支撑，在弹性形变阶段时的抗侧刚度非常接近中心支撑，而在弹塑性形变阶段时，其延性和耗能能力则接近于延性框架，这就保证了结构在较小的水平荷载下有很大的刚度，而在较大的水平荷载作用下有很强的变形能力，所以偏心支撑是一种抗震性能十分优越的抗震构件。 偏心支撑的设计原则是：强柱、强支撑、弱消能梁段。在罕遇地震作用下，较弱的消能梁段发生塑性剪切屈服产生了较大变形，消耗输入结构的地震能量，从而保证支撑不屈曲，因此结构具有稳定的滞回性能。即使当消能梁段屈服并进入应变硬
9、化阶段，支撑、框架柱、和横梁的其余梁段仍能保持在弹性工作阶段。图 3 给出了两种偏心支撑框架的塑性变形机构。 a)八字型偏心支撑框架 b)单斜杆偏心支撑框架 图 3 偏心支撑框架的塑性变形机构 2.消能梁段设计要点 偏心支撑框架体系的性能很大程度上取决于消能梁段，结构在较大的水平荷载的作用下，消能梁段承受比较大的剪力和弯矩，使梁段发生非线性剪切变形，从而保证了结构体系中其它构件处于弹性工作状态。 2.1 消能梁段的计算模型 消能梁段在复杂应力作用下，材料进入塑性状态时的应力应变关系很复杂。对于同时承受较大剪力和弯矩的消能梁段，需要考虑二者共同作用下梁截面的屈服模型。 根据不同的基本假定，能够推
10、导出不同的关系式。利用理想弹塑性理论推导和以及在其基础上建立起来的简化公式不能很好地解释一些试验现象，在分析中应用也较为困难，这主要是由于消能梁段的应变硬化作用。从大量试验研究来看，工字型消能梁段屈服时，弯矩和剪力的相互影响并不明显，并且剪切屈服后的消能梁段由于应变硬化效应而使剪切承载能力将继续增加，而弯曲屈服后的梁端弯矩将保持不变。文献中推荐采用如图 4a）所示的简化了的弯矩剪力相互作用关系曲线。 a）简化的 M-V 相互作用关系 b）塑性铰的形成过程 图 4 剪力弯矩关系和塑性铰的形成过程 图 4b）对应消能梁段的几种可能屈服形式及塑性铰出现顺序：情况1 表示在消能梁段很短的情况下，梁段发
11、生剪切屈服后剪力继续的增大，这主要是由于应变硬化效应的作用。因为梁段长度很短，在其发生破坏时，两端仍未发生弯曲屈服。情况 2 表示在消能梁段比较短的情况下，梁段先发生剪切屈服，由于应变硬化效应，剪切承载力继续增加，与此同时两端弯矩也继续增加。当梁段剪切变形达到或超过极限变形时，只有一端发生了弯曲屈服。情况 3 表示在消能梁段长度相当的情况下，梁段发生剪切屈服，随后剪力和两端弯矩都在增加，并且两端先后发生弯曲屈服，达到极限状态。情况 4 表示在消能梁段比较长的情况下，它的一端首先发生弯曲屈服，然后在梁段中形成剪切铰，直到另一端也发生弯曲屈服。情况 5 表示在消能梁段很长的情况下，当达到极限状态时
12、，梁只在两端发生弯曲屈服而并未形成剪切铰。 在偏心支撑框架设计中，对于其极限承载力的预先估计是很有必要的。在文献中提到了对于偏心支撑框架采用极限分析法进行分析，并得到了各种形式的偏心支撑框架极限承载力计算的简化公式。其中指出：在梁段不同屈服形式下的耗能计算方法也不相同： 1、剪切屈服并且两端都弯曲屈服（见图 5a） 式中梁所做的内虚功； 、A 端和 B 端的转角； 消能梁段的长度； 梁段的剪切变形角； 极限状态下梁段的剪力，即应变硬化后的剪力。 对上式进行整理得： 式中、A 端和 B 端的变形角。 2、剪切屈服并且其中一端发生弯曲屈服 (见图 5b) 假设 A 端发生弯曲屈服 式中、A 端和
13、B 端的转角； 梁段两端的相对竖向位移； A 端实际的塑性变形角。 3、剪切屈服但两端都未发生弯曲屈服 (见图 5c) a)b)c) 图 5 三种屈服状态以及相应的塑性变形 2.2 消能梁段的变形 在罕遇地震的作用下，结构的抗震能力取决于它在保持承载力的情况下吸收和耗散能量的能力。对于偏心支撑框架结构来说，大部分的能量耗散都通过消能梁段的剪切塑性变形来实现。但是消能梁段变形也不能过大，否则会导致与其连接的楼板因发生过大的变形而破坏。实验证明：合理设计消能梁段，这些要求都可以得到满足。 消能梁段分剪切屈服型和弯曲屈服型。试验研究表明：剪切屈服型消能梁段对偏心支撑框架的抗震性能很有利。一方面，能使
14、结构具有很大的弹性刚度，保证在多遇地震作用下结构的变形在允许范围内；另一方面，当罕遇地震作用时，剪切性的消能梁段能够在梁中较大的范围内均匀的屈服，消耗更多能量。 2.3 消能梁段的承载力 根据 高层民用建筑钢结构技术规程 (JGJ99-98)第六章第五节中偏心支撑钢框架的相关规定，有关消能梁段的承载力计算要求如下： 1、消能梁段的塑性受剪承载力和塑性受弯承载力，以及梁段承受轴向力时的全塑性受弯承载力，应分别按照下式计算： 式中梁段腹板计算高度； 梁段腹板厚度； 梁段截面的塑性抵抗矩； 轴力产生的梁段翼缘平均正应力。 2、消能梁段轴向力产生的梁段翼缘平均正应力，应该按照下式计算：1）消能梁段净长
15、时： 2）消能梁段净长时： 式中、分别为梁段的剪力设计值和轴力设计值； 梁段翼缘宽度； 梁段翼缘厚度 ； 梁段截面面积。 2.4 消能梁段的构造要求 消能梁段的构造应满足下列要求： 当时，消能梁段的长度应符合下列规定： 当时， 当时, 式中消能梁段的长度； 消能梁段轴向力设计值与剪力设计值之比。 消能梁段的腹板不得贴焊补强板，也不得开洞。这是由于补强板提高了消能梁段的强度，使它不能及时地屈服，也不利于消能梁段充分的变形。而开洞的消能梁段受力性能十分复杂，并且对于梁段的削弱会使梁段过早地破坏，这显然对耗能不利。 剪切型消能梁段腹板的塑性屈曲会导致其承载力和耗能能力的大大降低，设置腹板加劲肋，可以
16、有效的防止腹板屈曲。通过与无加劲肋的消能梁段的剪力位移滞回曲线可以看出：有加劲肋的消能梁段滞回曲线丰满，其性能更好。同时加劲肋的间距选择应合理，否则不能起到提高承载力的作用。对于腹板加劲肋的间距，我国建筑抗震设计规范GB 50011 作出了相关规定： 1、当 a1.6 时，加劲肋间距不大于(30h/5)； 2、当 2.6 3、当 1.6 4、当 a5 时，可不配置中间加劲肋； 5、中间加劲肋应与消能梁段的腹板等高，当消能梁段截面高度不大于 640mm 时，可配置单侧加劲肋，消能梁段截面高度大于 640mm 时，应在腹板两侧配置加劲肋，一侧加劲肋的宽度不应小于(/2)，厚度不应小于和 10mm。 加劲肋与消能梁段通过三边围焊角焊缝进行连接。消能梁段与支撑的连接处，需设置与腹板等高的加劲肋，以传递梁段的剪力并防止消能梁段腹板屈曲。 2.5 其它构件 偏心支撑框架的设计是为了实现消能梁段以外的框架结构部分始终保持弹性。相比较之下，消能梁段以外的构件在水平力的作用下承受了较大的杆段弯矩和轴向力，而均布的剪力较低。为此，我国建筑抗震设计规范GB50011 规定：偏心支撑框架的内力设计值，应按下列要求调整： 1、支撑斜杆的轴力设计值，应取与支撑斜杆相连接的消能梁段达到受剪承载力时支撑斜杆轴力与增大系数的乘积，其值在 8 度及以下时不
