關(guān)于單斜桿偏心支撐框架的剛度

1、關(guān)于偏心支撐框架的剛度、延性相關(guān)性的討論一、偏心支撐框架的簡(jiǎn)介為了同時(shí)滿足抗震對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和耗能的要求，結(jié)構(gòu)應(yīng)兼有中心支撐框架剛度與強(qiáng)度好和純框架耗能大的優(yōu)點(diǎn)?；谶@樣的思想，提出了一種介于中心支撐框架和純框架之間的抗震結(jié)構(gòu)形式一一偏心支撐框架。偏心支撐框架的工作原理是：在中、小地震作用下，所有構(gòu)件彈性工作，這時(shí)支撐提供主要的抗側(cè)力剛度，其工作性能與中心支撐框架相似；在大地震作用下，保證支撐不發(fā)生受壓屈曲，而讓偏心梁段屈服消耗地震能，這時(shí)偏心支撐框架的工作性能與純框架相似。可見，偏心支撐框架的設(shè)計(jì)應(yīng)注意兩點(diǎn)：支撐應(yīng)足夠強(qiáng)，以保證偏心梁段先于支撐屈曲而屈服;在梁截面一定的條件下，偏心梁段的長(zhǎng)

2、度不能太大，應(yīng)設(shè)計(jì)為剪切屆服梁，以使偏心梁段的承載能力最大，進(jìn)而使偏心支撐框架的抗側(cè)力能力最大，且延性和耗能性好。偏心支撐框架的典型形式見圖1.1所示。圖LI偏心支撐鋼框架體系偏心支撐框架體系是指支撐斜桿至少有一端與梁連接，支撐軸線偏離梁柱的交點(diǎn)，在兩端或跨中形成耗能段的結(jié)構(gòu)體系。偏心支撐結(jié)構(gòu)體系具有中心支撐的特點(diǎn)，能夠提供較高的強(qiáng)度和剛度，滿足規(guī)范要求的層間位移及側(cè)移，在罕遇地震作用下，一方面通過耗能段的非彈性變形將地震能耗散掉，另一方面是使耗能段的剪切屈曲先發(fā)生，從而保護(hù)支撐斜桿不屈曲或在耗能段發(fā)生屈曲后發(fā)生，偏心支撐框架結(jié)構(gòu)體系要求結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、剛度、延性和能量耗散四者之間保持均衡。設(shè)計(jì)合

3、理的偏心支撐結(jié)構(gòu)體系，可使耗能段在正常使用階段或小震情況下保持在彈性范圍內(nèi)，而在強(qiáng)震作用下，通過耗能段的非彈性變形耗能。通過比較框架結(jié)構(gòu)體系、中心支撐框架結(jié)構(gòu)體系及偏心支撐框架結(jié)構(gòu)體系在循環(huán)荷載作用下的滯回性能,可以更好地了解偏心支撐框架結(jié)構(gòu)體系的延性和耗能能力。二、偏心支撐框架結(jié)構(gòu)與純框架結(jié)構(gòu)、中心支撐框架結(jié)構(gòu)的比較鋼框架結(jié)構(gòu)體系由梁、柱通過剛性或半剛性節(jié)點(diǎn)組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、平面布置靈活、不設(shè)柱間支撐、剛度均勻以及良好的延性和較強(qiáng)的耗能能力等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但是框架結(jié)構(gòu)體系較柔，彈性剛度較差，為了控制層間位移及側(cè)移，有時(shí)必須采用超過承載力要求的梁柱截面，往往在經(jīng)濟(jì)上造成巨大的浪

4、費(fèi)，從而失去了經(jīng)濟(jì)合理性，在應(yīng)用上受到了限制，一般多用于30層以下。一般來說，框架結(jié)構(gòu)體系作為柔性體結(jié)構(gòu)體系，因構(gòu)造合理，具有良好的抗震性能，但使用在高烈度地震區(qū)承受較大的地震作用時(shí)，則沒有足夠的抗側(cè)移剛度來控制結(jié)構(gòu)的層間位移和總體位移，致使非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷嚴(yán)重，并且結(jié)構(gòu)僅僅通過梁柱的非線性變形來消耗地震的能量，這就造成梁柱端、框架節(jié)點(diǎn)和樓板損傷嚴(yán)重，框架結(jié)構(gòu)體系為單一抗側(cè)力體系，加上P一效應(yīng)的影響，其破壞程度較大，甚至?xí)鸾Y(jié)構(gòu)局部或整體的倒塌?？蚣苤误w系是由框架體系演變而來的，即在框架體系中對(duì)部分框架柱之間設(shè)置豎向支撐，形成若干榻帶豎向支撐的框架。支撐結(jié)構(gòu)體系通過剛性樓板或彈性樓板的變形協(xié)

5、調(diào)與剛接框架共同工作，形成一雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。在水平荷載作用下，支撐產(chǎn)生的變形是伸長(zhǎng)和縮短，而框架柱和梁為彎曲變形，在變形協(xié)調(diào)的情況下，全部水平力都將作用在支撐上，而框架幾乎不受力，當(dāng)支撐體系破壞后，水平荷載由框架承擔(dān)，因而框架支撐體系在風(fēng)載及中等以上強(qiáng)度地震作用下具有良好的抗震性能，成為高層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最多的體系之一。框架支撐結(jié)構(gòu)體系分為中心支撐框架結(jié)構(gòu)體系和偏心支撐框架結(jié)構(gòu)體系,中心支撐框架結(jié)構(gòu)體系在彈性階段工作時(shí)強(qiáng)度和整體剛度都較好，在中低烈度區(qū)或當(dāng)側(cè)向荷載主要是風(fēng)荷載時(shí)，常被廣泛使用。然而，在高烈度地震區(qū)，其耗能能力和非彈性工作性能不佳。這主要是由于在強(qiáng)烈地震作用下，支撐桿件受壓后易發(fā)

6、生屈曲，使得結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定，水平承載力急劇下降。中心支撐框架體系是利用支撐變形來耗能，在水平地震中用下，中心支撐受壓容易產(chǎn)生側(cè)向屈曲，產(chǎn)生以下后果：支撐斜桿重復(fù)壓屈后，其受壓承載力急劇降低；支撐的兩側(cè)柱子產(chǎn)生很大的內(nèi)力及應(yīng)力；往復(fù)的水平地震作用，斜桿會(huì)從受壓的壓屈狀態(tài)變?yōu)槭芾睦鞝顟B(tài)，這將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊性作用力，使支撐及其節(jié)點(diǎn)和相鄰的構(gòu)件產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力；往復(fù)的水平地震作用，使同一層支撐框架的斜桿輪流壓屈又不能恢復(fù)，樓層的受剪承載力迅速降低；中心支撐一旦失效，整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗剪能力大大降低，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)喪失承載力；中心支撐框架結(jié)構(gòu)體系在彈性階段基本上沒有耗能能力，在中等和強(qiáng)烈地震烈度

7、下地震能量主要通過支撐曲屈后的變形來耗能。框架結(jié)構(gòu)體系具有很好的延性和耗能能力，但當(dāng)樓層較高時(shí)，其剛度往往不夠。中心支撐框架體系雖然增加了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，然而延性差，支撐曲屈后其性能退化，影響整體結(jié)構(gòu)的承載力和耗能能力。偏心支撐框架(eccentricallybracedframes，簡(jiǎn)稱EBF)則結(jié)合了中心支撐框架強(qiáng)度高、剛度大和純框架結(jié)構(gòu)耗能性能好的優(yōu)點(diǎn)。在偏心支撐鋼框架中，支撐與支撐、或支撐與梁柱節(jié)點(diǎn)不會(huì)交，在框架梁上形成了一個(gè)偏心的受剪段，這段專門仔細(xì)選用的偏心連接起到了“保險(xiǎn)絲”的作用，可以避免過大的力傳入支撐使之屈曲。偏心支撐框架體系吸取了框架體系和中心支撐體系的各自優(yōu)點(diǎn)，很好地解

8、決了上述兩種體系中存在的問題，彌補(bǔ)了不足。三、承載力、剛度、延性為主導(dǎo)的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)的宗旨就是在特定的空間形式、功能和地理環(huán)境條件下，以結(jié)構(gòu)工程師自身確定的理想承載力、剛度和延性為主導(dǎo)目標(biāo)，用整體構(gòu)思來設(shè)計(jì)各部分有機(jī)相連的結(jié)構(gòu)總體系，并能有意識(shí)地利用和發(fā)揮結(jié)構(gòu)總體系和主要分體系、以及分體系與構(gòu)件之間的最佳受力特征與協(xié)調(diào)關(guān)系。在方案設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段，用概念性近似計(jì)算能迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。這種近似計(jì)算方法雖然有一定的誤差，但是概念清楚，定性準(zhǔn)確，手算簡(jiǎn)單快捷，能很快地比較和選擇出相對(duì)最佳的結(jié)構(gòu)方案，乃至估算出主要分體系及其構(gòu)件的基本尺寸大小，為以后的計(jì)算機(jī)分析提供

9、比較確切的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和所需輸入的原始數(shù)據(jù)。同時(shí)也是施工圖設(shè)計(jì)階段判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。馬那瓜美洲銀行1972年12月23日尼加拉瓜首都馬那瓜發(fā)生罕遇的強(qiáng)烈地震，5000多人死亡，市區(qū)1萬多棟樓房夷為平地，見圖112。而馬那瓜當(dāng)時(shí)最高的建筑，圖1.2尼加拉瓜馬那瓜美洲銀行大樓（震后所攝）林同炎教授于1963年設(shè)計(jì)的18層、61m高的美洲銀行一一一棟鋼筋混凝土塔樓，雖位于震中，在樓前的街道上出現(xiàn)了13mm寬的地裂縫，承受著比當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范（UBC,美國統(tǒng)一建筑規(guī)范）所要求的地面運(yùn)動(dòng)水平加速度0.06g大6倍的地震強(qiáng)度（0.35g，相當(dāng)于里氏6.36.5級(jí)）而未倒塌，甚至未嚴(yán)

10、重破壞。圖1.2馬那瓜美洲銀行大樓方面是有林同炎教授在馬那瓜美洲銀行的多道防線、剛?cè)峤Y(jié)合的概念設(shè)計(jì)思想是由4個(gè)4.6m等邊的L型柔性筒（H/b=13.37），通過每層的連梁組成一個(gè)11.6m11.6m的正方形核心筒作為主要的抗震結(jié)構(gòu)（見圖1一13）。在風(fēng)荷載和抗震設(shè)防烈度的地震作用下具有很大的抗彎剛度（H/6c慫），為了預(yù)防未知的罕遇強(qiáng)烈地震，林同炎教授在連梁的中部開了較大的孔洞，一方面可以用來穿越通風(fēng)管道，減少樓層的結(jié)構(gòu)高度；另意識(shí)地形成該結(jié)構(gòu)總體系（第一道防線）中的預(yù)定簿弱環(huán)節(jié)，在未來遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)，通過控制首先在連梁開洞處開裂、屈服、出現(xiàn)塑性鉸，從而變成具有延性和耗能能力的結(jié)構(gòu)體系（第二

11、道防線），即各分體系（L型柔性筒）作為獨(dú)立的抗震單元，則整體結(jié)構(gòu)變?nèi)幔哉裰芷谧儓D1.3馬那瓜美洲銀行大樓平立面圖長(zhǎng)，阻尼增加，地震動(dòng)力反應(yīng)將大大地減小，從而可以繼續(xù)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和良好的受力性能。即使在超出彈性極限的情況下，仍具有塑性強(qiáng)度，可以做到較大幅度的搖擺而不倒塌。為確保每一個(gè)L型柔性筒都可以作為有效的獨(dú)立抗震單元，林同炎教授在L型筒的每面墻內(nèi)的配筋幾乎都是一樣的。震后的調(diào)查正如設(shè)計(jì)所預(yù)料的那樣，這幢建筑核心筒的連梁剪切破壞，混凝土保護(hù)層剝落、開裂，這是比較容易修復(fù)的。墻體沒有裂縫，只是在核心筒的墻面上掉下了幾塊大理石飾面。這充分說明，雖然主體結(jié)構(gòu)沒有開裂，但剪力墻內(nèi)已具有很高的應(yīng)力

12、。也就是說在地震的剪力和彎矩作用下，墻仍處于彈性階段。伯克利加州大學(xué)的教授V.Bertero在震后對(duì)這幢建筑作了動(dòng)力分析，見表1一1。顯而易見，當(dāng)核心筒連梁破壞后，四個(gè)L型角筒獨(dú)立作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振周期和頂部位移明顯加大，而基底剪力和傾覆力矩卻明顯減小。在正常工作狀態(tài)下，即在風(fēng)荷載或設(shè)防烈度的地震作用下，設(shè)計(jì)所選擇的結(jié)構(gòu)的自振周期丁=1.3s，相當(dāng)于0.072n（n樓層數(shù)），頂部側(cè)向位移12cm,相當(dāng)于1/500樓高。ai-i馬那瓜美洲銀行大樓動(dòng)力分析四個(gè)角簡(jiǎn)共同作用四個(gè)角筒分別獨(dú)立作用自振周期1*33.3基底剪力（t）27001300傾覆力矩（t-m）9300037000頂部位移（mm）12

13、0240馬那瓜美洲銀行大樓的抗震實(shí)例說明了以承載力、剛度和延性為主導(dǎo)目標(biāo)，設(shè)計(jì)抗風(fēng)和抗震都比較理想的高層建筑是完全可能的。在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的整體剛度大，有較高的自振頻率；而在罕遇的強(qiáng)烈地震作用下，可通過充分發(fā)揮延性（其中包括結(jié)構(gòu)延性、構(gòu)件延性或截面延性，與耗能能力使結(jié)構(gòu)仍具有足夠的承載力。四、偏心支撐框架剛度與延性相關(guān)性的討論影響Y型偏心支撐框架耗能能力的因素有耗能段長(zhǎng)度、截面高度、腹板厚度、翼緣厚度、腹板加勁肋厚度、框架高跨比、支撐截面高度、支撐角度等，其中影響顯著的是耗能段的長(zhǎng)度、腹板高度和腹板厚度。本文以這三種參數(shù)的變化進(jìn)行Y型偏心耗能支撐框架的滯回性能研究。通過滯回曲線，對(duì)其剛度與延

14、性的相關(guān)性進(jìn)行討論。通過建立Y型支撐耗能段模型，并以有限元分析軟件建立有限元模型，以計(jì)算機(jī)模擬分析Y型支撐框架體系在循環(huán)荷載作用下的性能。材料屬性:鋼材材性采用應(yīng)變強(qiáng)化模型，鋼材材性均取其名義值，即Q235鋼b=235MP。，y由于鋼材的極限強(qiáng)度離散性較大，這里取b=375MPa,彈性模量E=206000MPa,混合強(qiáng)化參u數(shù)M=0.2，強(qiáng)化模量H=0.01E，泊松比v=0.3。試件尺寸：Base試件跨度取0.72m，層高0.36m，框架柱、框架梁、支撐及耗能段均采用焊接工字形鋼，各構(gòu)件連接均采用剛接，構(gòu)件尺寸及各截面尺寸見圖1.4和圖1.5。Y型偏心支撐框架計(jì)算模型如圖1.6,所有桿件均劃分

15、為殼單元，支撐與耗能段采用剛接，連接構(gòu)造見圖1.7。-5丿1-L圖1.6Y型偏心支撐框架計(jì)算模型加載過程如圖1.8：圖1.7Y型偏心支撐連接構(gòu)造圖1.8加載過程示意圖-3D-I荷載歷程表1.2Base試件設(shè)計(jì)參數(shù)（單位：mm）一一Base幾何尺寸HLe36007200600構(gòu)杵編號(hào)1234截面高度400400600200截面寬度400200200200腹板厚度1616U12翼緣厚度20201616加勁肋厚度12加勁肋數(shù)量3（1）、YA系列Y型偏心支撐框架與其它框架不同，由于耗能段不是主梁的一部分，其截面大小可以與主梁不同，這在構(gòu)造上很方便，因此在分析Y型偏心支撐框架時(shí)，需要分析耗能段截面改變對(duì)

16、結(jié)構(gòu)耗能能力的影響，鑒于此設(shè)計(jì)了YA系列試件，這個(gè)系列的試件與Base試件比較，除耗能段截面高度變化以外，結(jié)構(gòu)其余部分的尺寸都與Base試件相同。試件設(shè)計(jì)參數(shù)件表1.3。表1.3YA系列試件耗能段設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)（單位：mm）試件編號(hào)YA1YA2YA3YA41YA5耗能段腹板髙500620740860980圖1.9YA系列試件單向加載曲線（2）、YB系列試件的設(shè)計(jì)目的是分析偏心支撐框架耗能段長(zhǎng)度變化對(duì)結(jié)構(gòu)耗能性能的影響。這個(gè)系列的試件與Base試件比較，除耗能段長(zhǎng)度改變以外，結(jié)構(gòu)其余部分的尺寸都與Base試件相同。YB系列試件與Base試件設(shè)計(jì)參數(shù)不同部分見表1.4。表1.4YB系列試件耗能段設(shè)計(jì)

17、參數(shù)參數(shù)（單位：mm）試件編號(hào)YB1YB2YB3YB4YB5耗能段民度亡4206007809601140圖1.10YB系列試件單位加載曲線、YC系列為了研究耗能段腹板厚度對(duì)Y型偏心支撐框架耗能能力的影響，設(shè)計(jì)了YC系列試件。YC系列試件中耗能段腹板厚度與Base試件不同，除此以外的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面及幾何尺寸均與Base試件相同。YC系列試件與Base試件設(shè)計(jì)參數(shù)不同部分見表1.5。圖1.11YC系列試件單位加載曲線表1.5YC系列試件耗能段設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)(單位：mm)試件編號(hào)YC1YC2YC3YC4YC5耗能段腹板厚610141822、通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，得到各型號(hào)結(jié)構(gòu)的滯回曲線面積與剛度的相關(guān)數(shù)據(jù)見

18、表1.6,通過相關(guān)軟件，將其關(guān)系通過圖表示。表1.6各型號(hào)結(jié)構(gòu)的滯回曲線面積與剛度的相關(guān)數(shù)據(jù)O08拓回環(huán)面積與初始剛度的相關(guān)曲線100120140160180200220240初始剛度型號(hào)滯回曲線面積初始剛度最終剛度剛度退化剛度退化量YA1416143.5066.350.5477.15YA2482.6175.7876.290.5799.49YA3544.4198.0686.680.56111.38YA4602213.0096.030.55116.97YA5658.2237.76104.490.56133.27YB1513.2221.7685.900.61135.86YB2476.4151.7275.410.5076.31YB3428.7146.0370.430.5275.60YB4369.1122.0165.380.4656.63YB5301.395.3158.560.3936.75YC1330.4131.9750.780.6281.19YC2432.8128.9867.130.4861.85YC3506167.2182.710.5184.50YC4565.6167.