1、耗能梁段长度对偏心支撑钢框架受力性能的影响摘要：针对 k 型偏心支撑钢框架的不同耗能梁段长度，运用有限元软件 SAP2000 对不同模型进行弹塑性受力性能分析，得到耗能梁段长度对整体结构抗震性能的影响，并提出相应的抗震设计建议指导工程实践。关键词：偏心支撑钢框架；耗能梁段；抗震性能 The effect of dissipative links length for eccentrically braced steel frame GUO bing shan，LUO yanan （School of Construction and Civil Engineering，Xi，an Univer
2、sity of science and Technology Xi，an 710054） Abstract：According to the different length of link beam of k-eccentrically braced steel frame, analysis Elastic-plastic stress performance on different model by finite element software sap2000. The article get the whole structure seismic performance influ
3、ence about the different length of link beam and put forward relevant recommendations for the seismic design which can guide engineering practice. Keywords：eccentrically braced frames; dissipative links; seismic behavior 0 引言 高层偏心支撑钢框架结构是近三十年来发展起来的新型支撑结构形式，它是在中心支撑钢框架的基础上改进形成的，是一种有效的高层钢结构抗震耗能结构形式。偏心支
4、撑结构相对于其它结构体系的优点：在小震和中震作用下刚度大；在罕遇地震作用下，耗能梁段率先屈服，通过其塑性屈曲变形可以耗散大量地震能量，减小梁柱等其它结构构件的受力，具有很好的延性和耗能能力，是高层钢结构中较为理想的抗侧力体系，尤其适合在高烈度地区采用。在国外，偏心支撑钢框架结构体系在很多高烈度地区已经得到广泛应用，随着我国经济和钢结构产业的不断发展，高层偏心支撑钢框架结构的应用也越来越多。 经过试验研究表明：对偏心支撑钢框架，其抗震性能主要取决于耗能梁段的性能1。本文借助有限元软件 SAP2000，对 16 层 k 型偏心支撑钢框架进行弹塑性受力性能分析。分析耗能梁段长度对 k 型偏心支撑钢框
5、架整体性能的影响，并提出相应的抗震设计建议。 1 K 型偏心支撑钢框架设计 根据我国现行建筑抗震设计规范2、 高层民用建筑钢结构技术规程3，结合偏心支撑的工作原理，针对 8 度抗震设防烈度，类场地条件，设计地震分组为第一组。设计一个 16 层 K 型偏心支撑钢框架结构作为基本算例。 本文根据上述的设计计算方法建立模型，模型的几何参数和平面布置及尺寸如图 1 所示： 图 1 本文计算模型选取三维建筑模型共 16 层，建筑总高度 57.6m，层高3.6 米，纵向长 30 米分 5 跨，横向 18 米分 3 跨，设定纵向方向为 x 方向，横向方向为 Y 方向，楼面活荷载取 2.0 KN /m2，屋面
6、活荷载取 0.7 KN /m2，抗震设防烈度 8 度。主体结构采用框架偏心支撑结构体系，x 方向设置 3 道支撑，y 方向设置 1 道支撑。梁、柱和支撑等构件采用 Q235焊接 H 型钢，具体构件尺寸见表 1，楼板为压型钢板组合楼板，厚120mm，其中压型钢板厚 1 毫米，混凝土强度为 C30。住宅外墙采用轻质加气混凝土砌块。内墙则使用轻质墙板，因其重量小，在计算中予以忽略。 表 1 构件截面尺寸 本文采用有限元分析软件 Sap2000 对结构进行 Pushover 分析，梁、柱单元都采用线单元，楼板采用壳单元模拟，建立的三维结构模型如下图 2 图 2 在基本算例的基础上衍生出 A1A7 系列
7、试件，研究耗能梁段长度对其抗震性能的影响。该系列模型与基本模型相比，除耗能梁段长度变化外，其他结构参数保持不变,耗能段长度取值为。 表 2 耗能梁段长度变化列表 2 弹塑性受力性能分析 2.1 基底剪力-顶点位移曲线及分析 图 3 为 Pushover 加载下，耗能梁段长度变化的系列模型的基底剪力-顶点位移曲线，即能力曲线。其中，横坐标为结构的顶点位移，纵坐标为结构的基底剪力。 由图 3 可以看出，在 Pushover 加载下，不同耗能梁段的长度对偏心支撑钢框架结构的整体性能有较大的影响。在线弹性阶段，模型的曲线斜率随耗能梁段长度的增加而减小，曲线斜率则反映了整体结构的抗侧刚度，这说明耗能梁段
8、的长度增加后，整体结构的刚度有所降低，侧向变形增大。随着侧向荷载进一步增加，结构进入弹塑性阶段后，整体刚度逐渐降低。此时，当耗能粱段长度 a1.1k 时， 图 3 基底剪力-顶点位移曲线 随着耗能粱段长度的增加，基底剪力逐渐减小；而当耗能粱段的长度 a 介于 1.1k1.6k 时随着耗能粱段长度的增加，基底剪力逐渐变大；当耗能粱段的长度 a=2.0k 时，耗能段属于弯曲屈服型，结构整体变柔，刚度降低，基底剪力比其他框架大很多。 2.2 基底剪力-顶点位移曲线及分析 经过 Pushover 对结构分析后，得到了 8 度抗震设防烈度下各模型的性能点(Sa,Sd)，表 3 为罕遇地震时，随着耗能梁段
9、长度变化的系列模型的性能点以及经过转化后该水准地震下结构的顶点位移和相应的基底剪力。 表 3 结构罕遇地震 Pushover 性能点 由表 3 罕遇地震下结构的性能点可知：系列模型 A1A7 在 Pushover加载下，达到性能点时的顶点位移分别为：0.195m、0.202m、0.207m、0.214m、0.226m、0.238m、0.242m。小于抗震规范要求的弹塑性变形限值 H/50=57.6/50=1.152m （H 为结构总高度） ，满足抗震规范要求。 2.3 楼层位移 本节列出了 8 度抗震设防烈度、Pushover 加载下，罕遇地震作用下结构的楼层位移沿结构竖向高度的分布情况，如图
10、 4 所示。 图 4 8 度罕遇地震系列模型楼层曲线位移分布图 由图 4 分析可知：罕遇地震作用下，随着耗能粱段长度的增加，楼层位移逐渐加大。a1.6k 时，耗能粱段从剪切型屈服向弯曲型屈服转变，结构的楼层位移明显比其他偏心支撑框架大，结构的整体抗震不如剪切屈服型耗能粱。当耗能粱段的长度达到 2.0k 时，结构的位移响应增大幅度加剧，A7 的顶点位移 0.3574m 比 Al 的顶点位移 0.228m 增大 56.8。从图中可以看出：当 a1.3k 时，结构在罕遇地震作用下楼层位移响应变化不大。 2.4 层间位移及层间位移角 层间位移角可反映结构层间构件变形与层高间的关系，而且影响结构的破坏程
11、度。我国建筑抗震规范规定：在罕遇地震作用下，应进行结构薄弱层的弹塑性变形验算，并限制最大层间位移角为 1/50。 图 5 为 8 度抗震设防时，结构达到性能点时的层间位移沿竖向高度曲线分布图，表 4 列出了 8 度抗震烈度下系列模型 A1A7 的 18 层层间位移角。 图 5 8 度罕遇地震系列模型层间位移分布图 表 4 8 度抗震设防烈度下系列模型 18 层间位移角 由图 5 及表 4 可知：罕遇地震作用下，系列模型 A1A7 的层间位移角也均小于规范规定的弹塑性层间位移角最大值 1/50，系列模型 A1A7的最大层间位移角均发生在第五层，且随着耗能梁段长度的增大，模型的最大层间位移角也依次
12、增大，系列模型的最大层间位移 0.031m，层间位移角幅值 1/116，满足高层规范罕遇地震时弹塑性层间位移角限值1/50。层间位移的变化规律基本上与楼层位移的变化规律相同。 由以上分析可知：在罕遇地震作用下，对 K 型偏心支撑钢框架，其耗能梁段的长度取介于 1.1kl.3k 之间时结构的整体抗震性能比较理想。3 结论 本文利用有限元软件 SAP2000 建立 16 层 k 型偏心支撑钢框架的三维整体有限元模型，采用非线性静力分析方法，研究耗能梁段长度对 k 型偏心支撑钢框架整体抗震性能的影响，得到以下结论： （1）在地震作用下，偏心支撑钢框架的支撑至少有一端偏离梁柱节点，从而形成耗能梁段，通
13、过耗能梁段的塑性屈曲变形，使得其它结构构件处于弹性阶段，此时耗能梁段起到了“保险丝”作用，可以耗散大量地震产生的能量。故偏心支撑钢框架在地震高烈度设防区具有良好的抗震性能和结构延性，在实际工程中，应优先考虑采用偏心支撑钢框架结构。 （2）耗能梁段长度对 k 型偏心支撑钢框架的抗震性能具有较大影响。耗能梁段过长时，结构的整体抗侧刚度小，地震位移反应大，耗能梁段过短时，结构的整体抗侧刚度大，造成地震作用下刚度大的结构吸收较大的地震力。耗能梁段过长和过短，对 k 型偏心支撑钢框架的抗震性能都产生不利影响。故 8 度抗震设防烈度下，建议对 K 型偏心支撑钢框架的耗能梁段的长度取介于 1.1kl.3k
14、之间时结构的整体抗震性能比较理想。 参考文献 1 James OMalley,Egor P Popov,Shear links in eccentrically braced framesJ. Journal of Structural Ellgineefing.September,1984,l lO(9):2275-2295. 2 GB5001-2001.建筑抗震设计计规范S 3 JG J99-98.高层民用建筑钢结构技术规程S. 4 张亦静. 高层建筑的抗震偏心支撑框架J. 建筑技术开发,2001, 28(2):1821 5 李新华,高公略 . 偏心支撑钢框架的设计探讨 J. 工业建筑,2001,31 (8):810 6 刘伟,卞延彬. 偏心支撑钢框架抗震性能的试验研究.J, 钢结构,2003, 18(6): 2730
