偏心支撐耗能梁段內力分析及構造措施

呂 村，孟艷春

（1.青島工學院，山東青島 266300；2.青島黃海學院，山東青島 266427）

0 引言

近年來，偏心支撐鋼框架這種結構形式應用越來越廣泛，因為它的抗震性能較好，所以偏心支撐比較適用于Ⅷ度及以上的抗震設防的鋼結構房屋，尤其是高層鋼結構中。在罕遇地震下，因耗能梁受到剪力作用，從而發生剪切屈服，除柱底形成彎曲塑性鉸之外，其余各部件均為彈性狀態，避免了結構承載力降低，因耗能梁段具有很好的抗剪力，在罕遇地震下能具有鋼框架類似的延性。在罕遇地震下：①利用了耗能梁段的非彈性的變形來進行耗能；②它最先發生剪切屈服。保證這兩點之后才能很好的保護支撐斜桿的屈曲和后伸，以及相應增加了地震持續時間和抗震能力。在地震過程中，耗能梁充當保險絲的作用，使得支撐斜桿的軸向力得到了限制，避免了使其通過屈曲過大的力用來支撐，從而使得結構的耗能能力和延性得到了提高，所以在高烈度地震區，越來越多的開始采用偏心支撐這樣一種結構體系[1]。

偏心支撐框架的典型形式如圖1 所示，圖中標字母“a”的梁段是耗能梁段，其作用是使支撐斜桿和梁的屈服順序發生了變化[2]，即在罕遇地震下，最先通過耗能梁段非彈性的變形來耗能，使耗能梁最先發生屈服，進而使支撐斜桿后發生屈曲或不發生屈曲，相應地使結構的抗震持續時間延長，以達到節約鋼材的目的。

1 耗能機構

1.1 耗能梁段長度

使整體框架結構不發生整體破壞，就要在耗能梁段處在彈塑性狀態之時，梁、柱以及支撐斜桿均為彈性階段，其他構件與耗能梁段之間常采用的是固接的形式。如圖2 所示，圖中為一耗能梁段的力學模型，其一端是固定端，另一端為定向支座。

圖1 典型偏心支撐形式

圖2 耗能梁段力學模型

耗能梁段的長度a 若滿足公式（1），則為剪切屈服型，如果不滿足公式（1），則耗能梁段為彎曲屈服型的。

其中：Mp-耗能梁段的塑性抗彎承載力；Vp-耗能梁段的塑性抗剪承載力[3]。

1.2 耗能梁段的截面設計

選擇耗能梁段的截面時最好是首先要滿足受剪面積，使得截面的高度滿足最大值，從而使腹板發生剪切破壞。故在設計時，選擇腹板面積最小的截面，另外，還應滿足三點：①滿足腹板高厚比的要求；②滿足翼緣寬厚比的要求；③滿足最小受剪面積。除此之外，還要符合《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）中有關截面和翼緣寬厚比的規定[4]。

公式（2）是耗能梁段的剪力與框架的側向荷載之間的簡化關系：

式中：Vcum-上部樓層的側向荷載所傳來總的層間剪力；Va-耗能梁段剪力。

通過式（2）來計算耗能梁段剪力，同時取Vp=Va來進行估算耗能梁段的截面，這樣在確定了耗能梁段的截面后，其他桿件也可以按照此原則來設計[6]，即耗能梁段屈曲甚至發生應變硬化時仍保持著彈性狀態，則耗能梁段桿端彎矩為：

式中：Ma、Mb-耗能梁段桿端彎矩；Vu-耗能梁段的極限抗剪承載力；Mp為耗能梁段塑性抗彎承載力；Vp-抗剪承載力；a-耗能梁段凈長；L-框架的跨度。

此外，為了使腹板的抗剪承載力得到提高，應分別在耗能梁段的兩端設橫向加勁肋，且不能在腹板上開洞，避免減小腹板的強度。此外，也不能采用加焊貼板來提高腹板強度[7]。

《建筑抗震設計規范》（GB 50010—2010）中規定：當耗能梁段長度時，中間加勁肋的間距要不大于30tw-h/5；當2.6Mp/Vp≤a≤5Mp/Vp時，中間加勁肋應設置在耗能梁段端部1.5bf處，且間距不應大于 52tw-h/5；當 1.6Mp/Vp≤a≤2.6Mp/Vp時，中間加勁肋的間距應采用插值法來得出；當a＞5Mp/Vp時，可不設置中間加勁肋。除此之外，當a＜2.6Mp/Vp時，應在距梁段兩端距離為bf處設置加勁肋。腹板兩側加勁肋總寬度不得小于bf-2tw，厚度不小于10mm 或0.75tw。加勁肋須采用角焊縫的形式與梁連接起來[5]。

1.3 偏心支撐鋼框架各構件之間的連接

抗震規范中，對所有框架結構中對抗震有一定要求的結構，在構造上，支撐梁段均應采用剛接的形式。AISC 中指出：當框架柱與耗能梁段相連時，只能采用剪切型耗能梁段[8]。對節點的拼接時，柱子與耗能梁段的翼緣相連時，采用深熔焊縫形式，同時柱上的外伸節點板與梁段的腹板應采用焊接而不能采用螺栓連接，因為螺栓連接會因螺栓節點受循環剪力的作用，使螺栓發生相對滑移，進而使柱與翼緣焊縫發生斷裂。彎曲型梁段因為梁端彎矩較大，而普通框架節點又不能隨塑性鉸轉動，故常不采用柱與耗能梁直接連接的方式。另外，耗能梁與柱的腹板直接相連的方式也行不通，是不符合強柱弱梁這項原則的[8]。

1.4 偏心支撐鋼框架的抗震構造

為了保證柱子與支撐的彈性，支撐節點和耗能梁段的構造應滿足以下的規定：

（1）因鋼材屈服強度反而會降低鋼材的延性，不能保證其屈服，因此用在耗能梁段的鋼材屈服強度要不大于345MPa。

（2）提高耗能梁段腹板的方法不得采用加焊貼板的方式。此外，梁腹板也不能開洞，在梁腹板開洞會使耗能梁的性能變得復雜，難以預測。

（3）支撐斜桿與梁中線的交點一般是在耗能梁段兩端，或者在其內部，但是交點不能在耗能梁外，這樣會增加耗能梁和支撐彎矩，對抗震不利。

（4）支撐和梁之間的角度應該大于40°，小于50°。若角度小于40°，將不僅會使支撐的軸力增大，這樣不經濟。而且使得梁和柱與支撐的連接不方便，不利于現場施工。

2 總結

本文主要總結了耗能梁的內力計算與分析、鋼框架的各構件連接及抗震措施，根據有關的規范給出相應的計算公式，為偏心支撐鋼框架的分析提供了依據。