論Y型鋼支撐的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

蔣思成 于安林

1 概述

Y型偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系，由于耗能梁段與框架橫梁相互獨(dú)立，除具有一般偏心支撐體系的共性外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[1]:

1)Y型偏心支撐耗能段的變形主要產(chǎn)生在水平方向，豎向分量很小，不會(huì)對(duì)框架橫梁及樓蓋造成嚴(yán)重?fù)p害;2)Y型偏心支撐的耗能段與框架橫梁相互獨(dú)立，耗能段的設(shè)計(jì)與框架橫梁的設(shè)計(jì)彼此間的制約因素減少，可通過(guò)改變耗能段的截面尺寸和長(zhǎng)度來(lái)優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的抗震性能;3)Y型偏心支撐的耗能段只受剪力和彎矩作用，沒(méi)有軸向力作用(兩根支撐的豎向分力相互抵消);4)Y型偏心支撐結(jié)構(gòu)的震后修復(fù)工作相對(duì)容易，由于結(jié)構(gòu)的殘留塑性變形主要集中在耗能段，僅須將耗能段更換，就可使結(jié)構(gòu)基本恢復(fù)到震前狀態(tài);5)Y型偏心支撐不僅可用于鋼框架結(jié)構(gòu)，也可用于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，同時(shí)還可用于對(duì)已建成的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固;6)Y型偏心支撐結(jié)構(gòu)，耗能梁段不論處于彈性工作階段還是彈塑性工作階段，結(jié)構(gòu)的整體剛度(特別是豎向剛度)不會(huì)發(fā)生大的變化。

2 Y型鋼支撐的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

1)1990年，西安建筑科技大學(xué)于安林教授，采用1978年在日本觀察到的038仙臺(tái)波，運(yùn)用偽動(dòng)力試驗(yàn)方法，分析了3榀單跨3層的EK型、Y型和K型的大型1/5縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿N形式的結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的時(shí)程曲線、恢復(fù)力特性、支撐局部的塑性變形對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響及支撐部分的耗能效果。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于EK型及Y型支撐的受剪板首先發(fā)生剪切屈服，有效地阻止了支撐桿件的屈曲，而在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的承載力并沒(méi)有降低。

2)1999年，西安建筑科技大學(xué)張斌對(duì)Y型偏交支撐框架進(jìn)行了彈塑性靜力及動(dòng)力分析，選擇耗能段的屈服強(qiáng)度、屈服位移、支撐與耗能段的剛度比、Y型支撐與純框架的剛度比作為影響參數(shù)，研究了這些參數(shù)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，得到以下結(jié)論[2]:a.Y型支撐鋼框架具有較高的彈性剛度，在風(fēng)載及中小烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大，滿足正常使用要求，在強(qiáng)烈地震作用下耗能段受剪屈服，結(jié)構(gòu)剛度減小，具有較大的變形能力，滿足耗能要求，且結(jié)構(gòu)塑性變形主要集中在耗能段桿件，有效地防止了支撐桿件的屈曲;b.Y型支撐中支撐與耗能段剛度之比B/SL對(duì)減小結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)效果不理想，設(shè)計(jì) Y型支撐時(shí)，B/SL=2.0較為適宜，且支撐應(yīng)有足夠強(qiáng)度保證耗能段剪切屈服的發(fā)生;c.Y型支撐的剛度與純框架剛度之比 Y/F對(duì)改善結(jié)構(gòu)抗震性能有一定效果，其合理取值受地震作用強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間及場(chǎng)地條件等因素影響，建議取值范圍為 3.0～5.0。

3)2001年，西安建筑科技大學(xué)賈子文為研究Y型支撐耗能梁段在低周循環(huán)荷載作用下的耗能性能，建立了耗能梁段模型。采用非線性殼體有限元，引入混合強(qiáng)化的材料本構(gòu)關(guān)系，對(duì)剪切屈服型耗能梁段在循環(huán)荷載作用下的滯回性能進(jìn)行了分析。通過(guò)計(jì)算，得出影響能量耗散的因素及變化規(guī)律，提出設(shè)計(jì)Y型支撐剪切屈服型耗能梁段的建議和對(duì)策[3]:a.為了防止支撐桿件的屈曲先于耗能段腹板的屈服，應(yīng)使得耗能段的抗剪承載力小于支撐桿件的穩(wěn)定承載力;b.為使耗能段的作用充分發(fā)揮，即獲得飽滿且穩(wěn)定的耗能段滯回曲線，建議耗能段腹板的高厚比不大于30。

4)2003年，西安建筑科技大學(xué)趙寶成、顧強(qiáng)采用曲殼單元和梁?jiǎn)卧嘟Y(jié)合的非線性有限元分析模型，自編計(jì)算程序，系統(tǒng)地分析了耗能梁段的長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)的高跨比、耗能梁段的截面、支撐截面大小、耗能梁段腹板厚度、耗能梁段加勁肋間距、耗能梁段加勁肋厚度、耗能梁段翼緣厚度等因素對(duì)Y型偏心支撐鋼框架耗能性能的影響，主要得到以下結(jié)論[4]:a.Y型偏心支撐鋼框架耗能梁段腹板受力比翼緣和加勁肋都大，耗能梁段的破壞都是由于腹板超過(guò)了極限強(qiáng)度;b.耗能梁段長(zhǎng)度的改變影響Y型偏心支撐鋼框架的剛度和耗能能力，耗能梁段長(zhǎng)度越短，結(jié)構(gòu)的剛度越大，耗能梁段太長(zhǎng)或者太短，對(duì)于結(jié)構(gòu)的耗能都不利，耗能梁段長(zhǎng)度太短，容易導(dǎo)致耗能梁段的腹板達(dá)到極限強(qiáng)度，耗能梁段太長(zhǎng)，其他構(gòu)件容易進(jìn)入塑性;c.隨著結(jié)構(gòu)高跨比的減小，結(jié)構(gòu)的彈性剛度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)的塑性剛度逐步減小;高跨比太大或者太小，結(jié)構(gòu)的耗能能力都會(huì)降低，如果從耗能的角度考慮，高跨比在0.3～0.7之間比較合適;d.耗能梁段的截面越大，Y型偏心支撐鋼框架的剛度越大。耗能梁段的截面太大或者太小都會(huì)降低結(jié)構(gòu)的耗能能力，耗能梁段截面大小與梁的截面接近時(shí)結(jié)構(gòu)的耗能能力比較強(qiáng);e.耗能梁段加勁肋間距在《高鋼規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)改變對(duì)Y型偏心支撐鋼框架的剛度和耗能性能影響很小;f.在《高鋼規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)，耗能梁段加勁肋厚度的改變基本不影響Y型偏心支撐鋼框架的剛度和耗能能力;g.由于偏心支撐鋼框架耗能梁段的腹板中存在很大應(yīng)力，耗能梁段是否破壞與腹板的厚度密切相關(guān)，腹板厚度的改變對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和耗能能力影響比較大，腹板的厚度在滿足《高鋼規(guī)程》規(guī)定的基礎(chǔ)上應(yīng)該選擇高厚比盡可能大的腹板，這對(duì)結(jié)構(gòu)耗能比較有利;h.支撐的截面大小對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和耗能性能都有影響，支撐的截面小，結(jié)構(gòu)的彈性剛度小;i.在《高鋼規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)，耗能梁段翼緣厚度的改變對(duì)Y型偏心支撐鋼框架的剛度和耗能能力影響不大。

5)2007年，蘇州科技學(xué)院趙小敏采用梁?jiǎn)卧蜌卧嘟Y(jié)合的非線性有限元分析模型，對(duì)Y型偏心支撐鋼框架進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，研究耗能梁段的長(zhǎng)度和腹板高厚比的變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，主要得到以下結(jié)論[5]:a.耗能梁段長(zhǎng)度的改變影響Y型偏心支撐鋼框架的抗震能力，過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，不利于結(jié)構(gòu)的抗震，通過(guò)分析比較，建議取0.9k～1.2k(k為耗能梁段塑性抗彎承載力Mp與抗剪承載力Vp之比);b.通過(guò)分析，耗能梁段腹板高厚比的變化對(duì)Y型偏心支撐鋼框架的抗震性能影響不大，建議取在40～55之間。

6)2008年，蘇州科技學(xué)院李仁達(dá)運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS10.0進(jìn)行分析計(jì)算，研究了Y型偏心支撐鋼框架低周往復(fù)荷載作用下的滯回性能，探討了滯回性能與耗能段腹板高度、厚度及高厚比等參數(shù)之間的變化關(guān)系，初步得到以下主要結(jié)論[6]:a.Y型偏心支撐鋼框架在地震作用下具有很好的抗震耗能能力，主要由耗能梁段發(fā)展塑性變形吸收地震能量，框架的其他部分一般處在彈性階段工作，結(jié)構(gòu)具有較高的抗側(cè)剛度，地震響應(yīng)較小，能很好地滿足抗震要求，是很好的抗震結(jié)構(gòu)體系，在高烈度區(qū)宜優(yōu)先選用。b.Y型偏心支撐框架耗能梁段截面高度的變化對(duì)框架剛度和耗能能力影響很大，截面較高則框架剛度較大，但是高度尺寸若太大則其他構(gòu)件較容易發(fā)生破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)耗能不利。經(jīng)分析，建議高度取為1.2倍～1.7倍橫梁高度。c.Y型偏心支撐框架耗能梁段腹板厚度的改變對(duì)框架的剛度和耗能能力有很大的影響，隨著耗能梁段腹板厚度的增加，框架的剛度逐漸增大，耗能能力也逐漸增強(qiáng)。d.在耗能段抗剪承載力不變(耗能段截面面積不變)的情況下，改變高厚比對(duì)結(jié)構(gòu)耗能影響不大。雖然高厚比較大的板耗能稍好，但應(yīng)力較大，容易屈服，相對(duì)容易破壞。經(jīng)分析，建議高厚比取為30～45。

7)2009年3月，蘇州科技學(xué)院楊禹丞為研究RC框架內(nèi)填Y型鋼支撐結(jié)構(gòu)的整體受力性能，對(duì)2榀采用不同耗能梁段長(zhǎng)度的內(nèi)填Y型鋼支撐RC框架及1榀傳統(tǒng)RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行1/3比例模型的循環(huán)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明[7]:a.RC框架內(nèi)填Y型鋼支撐結(jié)構(gòu)相對(duì)傳統(tǒng)RC框架結(jié)構(gòu)，承載力提高了3倍左右，抗側(cè)剛度提高了2倍左右，但延性有所降低。b.RC框架內(nèi)填Y型鋼支撐結(jié)構(gòu)的整體性能與耗能梁段的長(zhǎng)度有關(guān)，增加耗能梁段的長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度均減小，但延性增加。

3 結(jié)語(yǔ)

文中介紹了Y型鋼支撐的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展過(guò)程。由于其具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類建筑結(jié)構(gòu)中，具有廣闊的發(fā)展前景。工程實(shí)踐表明，推廣該類結(jié)構(gòu)符合我國(guó)的基本建設(shè)國(guó)情，符合建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展方向。盡管Y型鋼支撐結(jié)構(gòu)體系近年來(lái)在我國(guó)已取得了較大的發(fā)展，但是，如何更好地發(fā)揮其在工程結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)，還需要加大對(duì)其研究的投入，且有必要對(duì)其盡快制定一部完整的設(shè)計(jì)規(guī)程。

[1] 于安林.EK型、Y型支撐的抗震性能試驗(yàn)研究[J].西安冶金建筑學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，22(3):253-260.

[2] 張 斌.Y型支撐鋼框架抗震性能研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，1999.

[3] 賈子文.Y型支撐鋼框架耗能段滯回性能研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，133(4):12.

[4] 趙寶成.偏心支撐鋼框架在循環(huán)荷載下的破壞機(jī)理和抗震設(shè)計(jì)對(duì)策[D].西安:西安建筑科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2003.

[5] 趙小敏.Y型偏心支撐鋼框架的動(dòng)力性能研究[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院碩士學(xué)位論文，2007.

[6] 李仁達(dá).考慮耗能段腹板高厚比變化時(shí)Y型偏心支撐鋼框架在循環(huán)荷載作用下的滯回性能研究[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院碩士學(xué)位論文，2008.

[7] 楊禹丞.循環(huán)荷載作用下RC框架內(nèi)填Y型鋼支撐結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院碩士學(xué)位論文，2008.