偏心支撐窯尾塔架結(jié)構(gòu)耗能特性研究

崔吉民，李 苑，魏文暉，申昌俊，陳 軍

（1.天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300400；2.武漢理工大學(xué)，武漢430070）

水泥廠窯尾結(jié)構(gòu)是一種平面尺寸小，總高、層高大，而且荷載大的工業(yè)特種結(jié)構(gòu)，通常采用底層混凝土、上層中心支撐鋼結(jié)構(gòu)的形式。高烈度地區(qū)，支撐容易發(fā)生屈曲，造成結(jié)構(gòu)體系剛度及耗能能力急劇下降，偏心支撐可較好的解決中心支撐在高烈度地區(qū)存在的缺陷。在風(fēng)荷載及在中小地震作用時(shí)，消能梁段處于彈性變形階段，窯尾結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)大的側(cè)向剛度，不致發(fā)生影響正常使用的過(guò)大變形；在強(qiáng)烈地震作用下，消能梁段先于支撐屈曲而屈服，耗散結(jié)構(gòu)能量，達(dá)到消能減震的目的。

為了全面掌握偏心支撐窯尾結(jié)構(gòu)的耗能特性，該文對(duì)不同耗能梁段長(zhǎng)度的典型單層偏心支撐窯尾框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周反復(fù)荷載彈塑性分析，得到不同耗能梁段長(zhǎng)度的單層偏心支撐窯尾結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和滯回曲線，定量的計(jì)算出結(jié)構(gòu)所耗散的能量，以此為依據(jù)比較不同耗能梁段長(zhǎng)度結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力，為偏心支撐窯尾框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程背景和單層計(jì)算模型

以某6 000t／d規(guī)模水泥生產(chǎn)線建設(shè)工程的燒成窯尾框架結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象。該結(jié)構(gòu)共八層，總高91.71m。其底部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部為鋼框架－支撐結(jié)構(gòu)體系?？蚣苤土簽镠型鋼梁，支撐則采用空心鋼管，由于篇幅限制，構(gòu)件詳細(xì)幾何尺寸省略。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖和立面圖如圖1、圖2所示。

選取混凝土－鋼框架窯尾結(jié)構(gòu)第四層作為偏心支撐框架單元作為研究對(duì)象，其跨度為15m，層高12.51m，在邊跨設(shè)置偏心支撐，三維實(shí)體單元如圖3所示，耗能梁段長(zhǎng)度及編號(hào)見(jiàn)表1。梁、柱和支撐均采用Q345鋼，泊松比取0.3。鋼材的彈性模量取2.1×105MPa，所有材料為均質(zhì)的各向同性材料。為提高模型模擬的可靠性和真實(shí)性，模型盡可能的與偏心支撐鋼框架在實(shí)際結(jié)構(gòu)中的受力狀態(tài)一致。該模型中約束了框架柱底所有自由度，即認(rèn)為框架柱腳采用剛接。考慮平面外梁對(duì)框架的側(cè)向支撐作用，同時(shí)約束了梁柱節(jié)點(diǎn)位置處的平面外自由度。

表1 模型編號(hào) ／m

2 計(jì)算結(jié)果及其分析

2.1 塑性區(qū)發(fā)展

偏心支撐相比于中心支撐最大的區(qū)別在于可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)使耗能梁段先于其它構(gòu)件屈服，從而起到保護(hù)結(jié)構(gòu)（主要是支撐）的作用。為驗(yàn)證這一點(diǎn)，并分析偏心支撐框架在支撐與耗能梁段兩種不同連接形式下進(jìn)入塑性的先后順序，提取模型等效應(yīng)力剛超過(guò)材料屈服應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力云圖，由于模型較多，選取部分如圖4、圖5所示。

從圖4、圖5中可以看出，在水平荷載作用下，中心支撐窯尾結(jié)構(gòu)在梁端和支撐兩邊均有較大應(yīng)力，支撐和梁連接部位均已屈服；而偏心支撐窯尾結(jié)構(gòu)耗能梁段首先進(jìn)入塑性，支撐斜桿、框架柱和框架梁等構(gòu)件均尚處于彈性階段，尤其是支撐尚處于平直狀態(tài)，這說(shuō)明通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以保證耗能梁段有效保護(hù)支撐斜桿，避免了支撐等其他構(gòu)件的過(guò)早屈服起到結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)絲的作用。

2.2 耗能能力分析

在對(duì)單層模型施加位移控制的低周反復(fù)荷載，加載制度采用ECCS的完全加載制度：先施加單向力荷載，得到單向荷載作用下的荷載－位移曲線，再采用“通用屈服彎矩法”（G.Y.M.M）確定結(jié)構(gòu)的屈服點(diǎn)，從而確定屈服荷載Py和對(duì)應(yīng)的屈服位移Δy；在前一階段得到屈服位移Δy之后，對(duì)結(jié)構(gòu)加載低周往復(fù)位移荷載，該文中所有模型循環(huán)加載按Δy／4、Δy／2、3Δy／4、Δy、2Δy、3Δy……方式進(jìn)行，每級(jí)位移循環(huán)一次，直至模型破壞（分析結(jié)果不再收斂）。加載程序如圖6所示。

分析過(guò)程中，當(dāng)梁端水平位移大于模型的彈性極限位移時(shí)，模型的耗能梁端最先出現(xiàn)塑性區(qū)，耗能梁段開(kāi)始耗能。加載結(jié)束后，可得到模型梁端水平力與水平位移的關(guān)系曲線，即模型的滯回曲線。圖7和圖8為中心支撐（K－0）和偏心支撐（K－12）的滯回曲線（注：由于篇幅限制，其他耗能梁段長(zhǎng)度滯回曲線省略）。

從圖7、圖8可以看到，中心支撐和偏心支撐模型的滯回曲線都非常飽滿，不存在中捏現(xiàn)象，模型均表現(xiàn)出良好的延性和耗能能力，但中心支撐模型耗能明顯略低于偏心支撐模型耗能。對(duì)模型的滯回曲線進(jìn)行數(shù)值積分，即可得出位移控制的低周反復(fù)加載作用下模型耗散的能量，見(jiàn)表2。

表2 模型耗散的能量／MJ

從表2可以看到，耗能梁段長(zhǎng)度在0.6m增加到1.6m時(shí)，結(jié)構(gòu)耗能能力最好，耗能梁段長(zhǎng)度在1.6m增加到2.0m時(shí)，隨著耗能梁段長(zhǎng)度增大，結(jié)構(gòu)耗能能力反而下降。這是因?yàn)楹哪芰憾屋^短的模型在進(jìn)入塑性階段后，耗能梁段更早更充分地發(fā)生了剪切塑性變形，模型的耗能性能更好，但是如果耗能梁段過(guò)短，會(huì)使模型發(fā)生塑性剪切變形的區(qū)域變小，也會(huì)影響偏心支撐框架耗能能力的發(fā)揮。

3 結(jié) 論

a.耗能梁段在大震中的剪切塑性變形使偏心支撐框架具有良好的減震耗能能力和剛度退化機(jī)制，在大震作用下，偏心支撐窯尾結(jié)構(gòu)的柱底內(nèi)力和梁端彎矩均小于中心支撐窯尾結(jié)構(gòu)，偏心支撐框架具有較好的抗震性能?？拐鹆叶葹?度和9度地區(qū)建議窯尾結(jié)構(gòu)采用偏心支撐框架。

b.對(duì)于該文的工程窯尾結(jié)構(gòu)，采用耗能梁段長(zhǎng)度在0.6～2.0m的偏心支撐框架，可改善窯尾結(jié)構(gòu)的抗震性能。耗能梁段長(zhǎng)度在0.8m以上的偏心支撐框架的延性系數(shù)大于4.0，可以達(dá)到延性設(shè)計(jì)的目的。

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