偏心支撐鋼框架結構的抗震性能研究綜述★

方 斌 王 焱 吳揚州 于海豐 馬 康

(1.河北省建設工程標準編制研究中心，河北 石家莊 050051； 2.河北科技大學建筑工程學院,河北 石家莊 050018)

0 引言

偏心支撐結構是一種新型抗震結構體系，兼顧了中心支撐結構和純框架結構的優點，具有彈性剛度大、延性好及耗能能力好等優點，適用于高烈度抗震設防區域的多高層建筑物[1,2]。罕遇地震下，偏心支撐結構主要通過耗能梁段的塑性變形耗散能量(耗能梁段相當于結構“保險絲”)，其他非耗能構件(框架柱、框架梁及支撐等)基本處于彈性工作狀態，由于偏心支撐鋼框架結構具有良好的抗震性能，我國建筑抗震設計規范[3](后簡稱抗規)及JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結構技術規程[4](后簡稱高鋼規)規定，8度抗震設防區及以上宜采用偏心支撐鋼框架結構，因此對偏心支撐結構的研究是十分有必要的。基于此，本文對已有的偏心支撐結構體系的研究進行總結，希望增進相關研究人員與設計人員對此結構類型的了解以促進該結構體系的發展與應用。

1 偏心支撐結構基本概述

偏心支撐鋼框架結構是指結構體系中的支撐斜桿，至少一端與梁連接(不在梁柱節點處)，另一端可連接在梁與柱的相交處，或在偏離另一支撐的連接點處與梁連接，這樣就在支撐與柱之間，或者支撐與支撐之間形成了耗能梁段(圖1中的3)[5]。根據支撐布置形式的不同，偏心支撐結構可以分為K形、D形、Y形、V形和A形等[6](見圖1)。基于偏心支撐框架合理的結構布置，使其用鋼量比中心支撐結構節約20%，純框架結構節約30%，具有重要的工程使用價值[7]。

偏心支撐結構的設計原則為強柱、強梁、強支撐和弱耗能梁(“強弱相對”的抗震設計思想)，即罕遇地震下通過耗能梁段發生剪切塑性變形和彎曲塑性變形耗散能量，因此耗能梁段的設計對于整個結構體系來說尤為重要。故高鋼規[4]根據耗能梁長度的不同把偏心支撐結構分為剪切型偏心支撐結構(e≤1.6Mp/Vp)、彎曲剪切型偏心支撐結構(1.6Mp/Vp2.6Mp/Vp)，其中，e為耗能梁長度;Mp為耗能梁塑性受彎承載力;Vp為耗能梁塑性受剪承載力。相比較而言，由于剪切型偏心支撐結構的各項抗震性能指標要優于后者，故國內外學者對剪切型偏心支撐結構的研究較多。

2 偏心支撐結構國內外研究綜述

2.1 試驗研究

罕遇地震下，偏心支撐結構通過耗能梁段的塑性變形耗散地震能量，以此來保護非耗能構件(基本處于彈性工作狀態)。為了使耗能梁段的耗能更加充分，提高結構整體的抗震性能，為此國內外學者作了大量的研究，敘述如下。

Popov等通過試驗對剪切屈服型耗能梁偏心支撐鋼框架結構的設計方法、耗能梁段的構造(腹板高厚比、加勁肋的間距、厚度等)、節點構造及加載歷史等進行了研究，結果表明偏心支撐結構通過耗能梁段的塑性變形耗散能量，防止了支撐過早的屈曲，延長了整體結構抗震反應時間，側移和變形等均滿足規范的要求，且整體的用鋼量大大減小，并且通過布置合理的加勁肋(加勁肋與耗能梁段應采用全焊縫連接)和保證節點連接的可靠性等構造措施能夠提高結構的抗震性能[8-10]。實際工程中，梁段上存在著混凝土樓板，為了研究樓板對結構抗震性能的影響，Ricles[11]對6個帶樓板的剪切屈服型耗能梁和2個不帶樓板的進行了循環加載試驗，試驗表明8個試件均是通過耗能梁腹板剪切變形耗散能量，樓板的存在會增加結構的初始剛度和承載力，延性略有降低，且樓板破壞時僅發生耗能梁段附近區域。

上述研究表明整個偏心支撐結構破壞只局限于耗能梁段附近(其他構件基本處于彈性狀態)，震后為了提高修復受損耗能梁段的效率，可替換耗能梁[12](耗能梁段獨立于梁段)由此產生。Stratan和Dubina[13]通過試驗證明了寬翼緣工字鋼截面可替換耗能梁段(端板螺栓連接)偏心支撐鋼框架的可行性；Nabil Mansour[14]通過試驗證明了端板螺栓連接和雙槽鋼背對背連接兩種連接方式的可替換耗能梁偏心支撐框架均具有較好的延性和耗能能力。為了進一步提高偏心支撐結構的抗震性能，Dubina[15]把高強鋼引用到偏心支撐結構體系中來并對單榀框架進行了試驗，結果表明高強鋼的引用減小了其他非耗能構件的塑性變形，使耗能梁段的耗能更加充分。

國內學者錢稼茹[16]、于安林[17]和石永久[18]等對偏心支撐結構進行了試驗研究，試驗結果均表明偏心支撐結構具有良好的性能。段留省[19]對4個 1/2 縮尺的高強鋼組合的K形偏心支撐鋼框架結構進行了試驗研究并在試驗后對耗能梁段進行更換(修復工作量較小)，更換后的結構極限承載力與原試件的基本相同，并根據試驗結果建立了雙線性恢復力模型(模型與骨架曲線基本相符)；為了研究可替換耗能梁段的抗震性能，殷占忠[20]對9根不同參數(耗能梁長度、加勁肋等)的剪切型耗能梁進行試驗研究，結果表明所有試件的滯回曲線均飽滿、性能穩定；張浩[21]把可替換耗能梁引進高強鋼結構體系中來，同時為了研究這種新型結構的抗震性能和震后可替換修復能力(考慮樓板組合作用的影響)，對3個2/3縮尺試件進行了循環加載試驗，結果表明耗能梁段的塑性變形較好且破壞主要發生在耗能梁段，有利于震后結構的快速修復，并且組合樓板對結構的承載力、可替換能力影響較小。總體來說，國內對偏心支撐結構的研究要晚于國外，但隨著對其研究深入，研究成果不斷豐富。

2.2 有限元研究

隨著大型有限元軟件的興起，有限元研究不斷發展，它作為了試驗研究的一種補充，兩種研究方法的同步應用可以提高科研效率。采用有限元研究的方法能夠對偏心支撐結構進行大量的參數化分析(如耗能梁長度、腹板高厚比、翼緣寬厚比、加勁肋的厚度和間距等)，進而得出更全面的設計參數。通常采用殼單元[22]、實體單元[23]及混合單元[24]等單元類型進行研究，由于殼單元是四節點四邊形有限薄膜應變線性減縮積，其性能穩定，可以充分考慮剪切變形和局部屈曲效應，且對于偏心支撐結構的研究大多數是基于工字型截面展開的，該截面一維尺寸(厚度)遠小于另外兩維尺寸，相較而言，選擇殼單元對偏心支撐結構的研究較為合理且同時能夠節省計算時間，提高計算效率。

3 偏心支撐結構研究現狀與展望

3.1 研究現狀分析

我國規范[3]基于“小震彈性”計算設計地震作用，設計時不考慮結構延性差異，亦即無法考慮偏心支撐鋼框架結構延性所帶來的設計地震作用折減。在此前提下基于性能設計時，為了保證罕遇地震作用下耗能梁段能夠充分進入彈塑性工作狀態，非耗能構件須考慮由應變硬化和材料超強引起的內力增大效應，除此之外還需承受耗能梁屈服之后產生的內力值，造成了設計截面變大(用鋼量增加)，這使得偏心支撐鋼框架結構在我國的推廣應用遇到了瓶頸，工程界出現了認可偏心支撐鋼框架結構具有較好的抗震性能、但實際工程應用較少、造價較高的矛盾現象。為了充分發揮偏心支撐結構較好的抗震性能和提高其經濟效益(減少結構整體的用鋼量)，國內外學者主要基于兩種設計思路來實現，第一種高強鋼偏心支撐結構體系，第二種削弱耗能梁段截面(主要為可替換式耗能梁)，本節將分別介紹這兩種方法。

高強鋼偏心支撐結構體系中，耗能梁段為普通鋼(Q235或Q345)制作，其他非耗能構件采用高強鋼(Q460等)制作。高強鋼偏心支撐結構體系充分利用“強弱相對”的抗震設計思想，即普通鋼(弱)延性較好、變形能力較好，高強鋼(強)強度較高，在地震發生時耗能梁段的塑性變形能夠充分發揮，并且在相同設計條件下由高強鋼制作的非耗能構件的截面尺寸得以減小，降低了結構整體的用鋼量，提高了經濟性能。可替換式耗能梁偏心支撐結構是把耗能梁段從橫梁中分離出來，形成一個獨立的構件(可以對耗能梁段截面進行削弱)，之后通過端板螺栓連接或者腹板(如：雙槽鋼背對背)螺栓連接等兩種方式與框架梁連接。

總體上，上述兩種方法在提高偏心支撐結構經濟性(降低結構整體用鋼量)的同時也出現了一些對結構抗震性能不利的一面，如高強鋼結構體系中耗能梁段(普通鋼)與非耗能構件(高強鋼)連接處的焊縫較多，造成了較嚴重的應力集中現象[19]；對于可替換式耗能梁來說，端板的厚度、螺栓直徑、孔間距等因素均會對結構的抗震性能產生影響[20]，造成了設計難度的增加，且耗能梁段與框架梁段的螺栓連接也大大增加了連接的工作量。

3.2 研究展望

目前，國內外學者對于偏心支撐結構的研究大多數是基于構件層面的研究，如耗能梁段的構造(開孔削弱、加勁肋的布置等)，而對于體系層面的研究較少。相關研究表明[25]，偏心支撐結構的塑性鉸主要出現在結構下部的耗能梁處，結構上部的基本處于彈性狀態，故造成了結構體系變形不協調，耗能能力未得到充分發揮。因此，今后對于偏心支撐結構的研究應該注重體系層面的研究，使各層耗能梁變形協調，提高其抗震性能。

4 結語

偏心支撐結構中耗能梁段在正常使用階段或小震作用下處于彈性狀態，在罕遇地震作用下通過其塑性變形耗散地震能量，從而保護了其他的非耗能構件，是一種較好的抗震結構體系，但目前在我國的實際工程中應用較少。本文對偏心支撐結構的研究概述將有助于設計人員對該種結構體系的進一步了解，進而促進其在實際工程中的應用。