Y型偏心支撐鋼框架受力性能有限元分析

姜作杰 章梓茂

(1.呼倫貝爾學(xué)院建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 海拉爾 021008； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

Y型偏心支撐鋼框架受力性能有限元分析

姜作杰1章梓茂2

(1.呼倫貝爾學(xué)院建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 海拉爾 021008； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

建立了四種Y型偏心支撐鋼框架有限元模型，對平面模型框架和三種空間模型框架進(jìn)行了單向加載和循環(huán)加載試驗(yàn)，并對比分析了模型框架的屈服強(qiáng)度、極限承載力、側(cè)向剛度、延性和耗能能力等方面的受力性能差異,得到的結(jié)果為工程設(shè)計(jì)提供了參考。

Y型偏心支撐，空間框架，有限元，受力性能

偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)是主要應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)的一種結(jié)構(gòu)形式，其具有較大的彈性剛度和良好的抗震性能。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對偏心支撐鋼框架進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和數(shù)值分析，得到了具有實(shí)際意義的結(jié)果，很多結(jié)論在工程方面得到了廣泛應(yīng)用，但多數(shù)的研究都是利用平面模型進(jìn)行的。為了更加接近建筑結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力狀態(tài)，利用ANSYS11.0工程軟件建立了三種不同平面外支撐情況的空間Y型偏心支撐鋼框架，與平面Y型偏心支撐鋼框架進(jìn)行了對比分析。四種模型框架分別是平面Y型框架(見圖1a))、普通空間Y型框架(見圖1b))、側(cè)向直撐空間Y型框架(見圖1c))和側(cè)向斜撐空間Y型框架(見圖1d))，分析時考慮材料非線性性能，分析方法采用有限元法。研究四種模型框架的整體受力性能，通過數(shù)值模擬，分析三層鋼框架在單向荷載和循環(huán)荷載情況下行為特征，重點(diǎn)分析了Y型偏心支撐鋼框架的屈服強(qiáng)度、極限承載力、延性、剛度和耗能能力等。

1 有限元模型的建立

1.1 試件的幾何尺寸

根據(jù)前人對Y型偏心支撐鋼框架的研究成果，按照典型剪切屈服型模型來確定模型框架及各構(gòu)件的幾何尺寸[1，2]。其中，模型框架層高設(shè)計(jì)為3.6 m，跨度為6 m，空間框架進(jìn)深取4 m，設(shè)計(jì)3層；梁、柱和支撐均采用H型鋼，梁截面采用H350×250×9×14，柱截面采用H450×300×11×18，支撐采用300×200×8×12，Y型偏心支撐框架耗能段截面采用H500×200×10×16，耗能段高取500 mm，所有結(jié)點(diǎn)均假設(shè)為理想的剛性連接形式。

1.2 有限元單元的選取及網(wǎng)格劃分

Y型偏心支撐鋼框架在罕遇地震作用下耗能梁段腹板首先屈服進(jìn)入塑性，這種耗能段的塑性變形是Y型偏心支撐鋼框架耗能的主要方式，這樣耗能段將會產(chǎn)生很大的塑性變形，為了研究更為詳細(xì)準(zhǔn)確，模型框架的網(wǎng)格劃分采用三維八結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid45，這種實(shí)體單元支持材料塑性、徐變、應(yīng)力硬化、大應(yīng)變和大變形，網(wǎng)格劃分采用自由劃分方式，這樣能劃分出比較連續(xù)的網(wǎng)格，單元節(jié)點(diǎn)的力和力矩也能夠很好地傳遞[3]。

1.3 定義材料參數(shù)

模型框架中各構(gòu)件的材質(zhì)均采用Q235鋼，焊條采用E43型焊條。鋼材的彈性模量為E=2.06×105MPa，切線模量為Et=0.02E，泊松比μ=0.3。模型框架在單向荷載作用時采用服從Von-Mises屈服準(zhǔn)則的多線性隨動強(qiáng)化本構(gòu)模型。考慮到鋼材在循環(huán)荷載作用下沒有明顯的屈服平臺，在計(jì)算循環(huán)荷載作用下的響應(yīng)時，參照EI-Tawil等人[4]的方法，取極限荷載點(diǎn)與屈服點(diǎn)連線的材料斜率作為強(qiáng)化模量，采用考慮應(yīng)變強(qiáng)化和帶有下降段的三折線模型，以考慮在循環(huán)荷載作用下鋼材的Bauschinger效應(yīng)。根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料，鋼材性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋼材性能參數(shù)明細(xì)

1.4 邊界條件、加載制度和破壞準(zhǔn)則

1)邊界條件。為了使模型框架的受力狀態(tài)更接近實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的工作情況，假定模型框架柱腳與地面為理想剛接，并在柱頂施加了0.4Ny(Ny為柱全截面屈服時所能承受的壓力)的軸力。(見圖2)。另外由于水平集中荷載作用在柱頂翼緣板上，為避免發(fā)生應(yīng)力集中或局部變形過大，將頂層梁端部位置柱側(cè)面的節(jié)點(diǎn)沿水平荷載的施加方向的自由度UX耦合在一起，如圖3所示。

2)加載制度。進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析時，參照GBJ 101-96建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[5]中的有關(guān)規(guī)定，在梁端以集中力的形式對Y型偏心支撐框架施加單向水平荷載，加載方式如圖4所示。根據(jù)單向荷載下的荷載位移曲線計(jì)算結(jié)構(gòu)的塑性位移Δy，采用“通用屈服彎矩法”(G.Y.M.M)[6]來確定結(jié)構(gòu)的屈服點(diǎn)。循環(huán)加載時按照如下加載方式：Δy/2，Δy，2Δy，3Δy，4Δy，5Δy…各循環(huán)一周，直至試件破壞。

3)破壞準(zhǔn)則。空間鋼框架結(jié)構(gòu)在荷載作用下的破壞形態(tài)十分復(fù)雜，并且ANSYS本身并沒有固定的破壞準(zhǔn)則，所以試驗(yàn)過程中，當(dāng)鋼框架的承載力超過極限荷載并降至其0.85倍的極限荷載時就認(rèn)為框架破壞[6]。

2 受力性能分析

2.1 強(qiáng)度和剛度

四種模型框架在單向荷載作用下的試驗(yàn)結(jié)果如圖5和表2所示，三種空間Y型偏心支撐鋼框架的屈服強(qiáng)度和極限承載力十分接近，均比平面Y型偏心支撐框架的大，這說明平面外支撐能有效提高框架的屈服強(qiáng)度和極限承載力，屈服強(qiáng)度提高了近20%，極限承載力提高了14%～20%。其中，側(cè)向直撐空間Y型偏心支撐框架的屈服強(qiáng)度和極限承載力最高。從表2中還可以看出，三種空間模型框架的剛度比較接近，但都明顯高于平面框架，空間框架的剛度比平面框架提高了4%～17%。其中側(cè)向直撐空間Y型偏心支撐框架的剛度最大。

表2 Y型偏心支撐框架計(jì)算結(jié)果對比

模型Fy/kNΔy/mmFu/kNΔu/mm平面Y型偏心支撐框架69917.301906466.5普通空間Y型偏心支撐框架83719.952180454.3側(cè)向直撐空間Y型偏心支撐框架837.419.522290495側(cè)向斜撐空間Y型偏心支撐框架83719.642286530注:Fy,Δy分別表示框架屈服時的水平荷載和水平位移;Fu,Δu分別表示框架極限狀態(tài)時的水平荷載和水平位移

圖6為四種模型框架在水平循環(huán)荷載作用下的滯回曲線，可以看出，所有模型框架的滯回曲線都非常飽滿和穩(wěn)定，呈紡錐形，這表明Y型偏心支撐框架具有良好的耗能性能和延性特征。從滯回曲線外形上看，平面Y型框架與普通空間Y型框架比較接近，側(cè)向直撐空間Y型框架與側(cè)向斜撐空間Y型框架滯回曲線的外形相似。從循環(huán)周數(shù)來看，三個空間模型框架均完成了四個半循環(huán)，而平面模型框架完成了五個循環(huán)，這說明平面外支撐的存在使Y型偏心支撐框架的延性略有降低，但明顯提高了強(qiáng)度和剛度。模型框架在循環(huán)荷載作用下的骨架曲線如圖7所示，從曲線中可以看出，空間模型框架的強(qiáng)度和剛度要高于平面模型框架，這與單向荷載作用下的結(jié)果是一致的。

模型框架在循環(huán)荷載作用下的割線剛度退化曲線如圖8所示，從模型的割線剛度退化曲線中可以看出，側(cè)向直撐空間Y型框架的彈性剛度最大，這也與單向荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)是一致的，另外從圖8中還可以看出割線剛度退化的規(guī)律：空間模型框架的剛度退化在前期要明顯比平面模型快，但當(dāng)耗能段屈服后，剛度隨荷載變化則趨于比較平緩，空間框架與平面框架的割線剛度退化程度相差不多。

2.2 耗能能力

圖9為四種Y型偏心支撐框架模型的四周循環(huán)下的耗能情況，圖中耗能最大的是側(cè)向直撐空間Y型框架，側(cè)向斜撐空間Y型框架略小，其次是普通空間Y型框架，耗散能量最小的是平面Y型框架。從各模型框架四周循環(huán)的耗能可以看出，Y型偏心支撐鋼框架具有良好的耗能能力，并且平面外支撐的存在能提高框架的耗能能力，總體提高10%～20%。

3 結(jié)語

根據(jù)以上有限元分析研究的結(jié)果，可得出以下結(jié)論：Y型偏心支撐框架具有較高的側(cè)向剛度，較好的延性特征和耗能能力；側(cè)向支撐的存在能有效提高框架的屈服強(qiáng)度、極限承載力和彈性剛度，并且不顯著降低框架的延性。相比較而言，側(cè)向直撐空間Y型偏心支撐框架的各項(xiàng)受力性能最優(yōu)。總之，平面外支撐的存在，能提高框架的整體受力性能，因此，當(dāng)設(shè)計(jì)中的計(jì)算模型采用平面框架作為計(jì)算模型時，對于實(shí)際結(jié)構(gòu)來說是偏于安全的。

[1] 賈子文,龔永忠,于安林.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(自然科學(xué)版),2001,33(4):375-378.

[2] 方 祥,葉燎原.耗能支撐框架結(jié)構(gòu)中幾個問題的探討[J].云南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1998,14(2):1-5.

[3] 王勖成,邵 敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].第2版.北京:清華大學(xué)出版社,1996.

[4] EI-Tawil,S..Strength and Ducthity of FR Weld-Bolted Connections[J].Rep.No.SAC/BD-98/0l,SAC Joint Venture,Sacramento,Cal,1998(5)：41-42.

[5] JGJ 101-96,建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S].

[6] 姚謙峰,陳 平.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2001：219-220.

Finite element analysis for the characters of Y-type eccentrically braced steel frames

JIANG Zuo-jie1ZHANG Zi-mao2

(1.ArchitecturalEngineeringSchool,HulunbuirCollege,Hailaer021008,China；2.CivilEngineeringCollege,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Four finite element model of Y-type eccentrically braced steel frames are established. The one-way loading and cyclic loading tests on plane model and three kinds of 3D model framework. The stress performance of the model is different by comparative analysis, such as yield strength, ultimate bearing capacity, lateral stiffness, ductility and energy dissipation capacity and so on. The results provide the reference for the engineering design.

Y-type eccentrically braced steel frames， 3D frames， finite element， mechanical performance

1009-6825(2014)30-0049-03

2014-08-11

姜作杰(1979- )，男，碩士，高級工程師，講師； 章梓茂(1959- )，男，博士，博士生導(dǎo)師，教授

TU311

A