偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在高烈度情況下的抗震性能研究

李靈君 杜長虹

摘 要：偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)剛度大、延性好，具有良好的抗震性能。通過歸納整理偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在實際工程案例和有限元算例中的應(yīng)用，本文發(fā)現(xiàn)耗能梁段總能率先屈服，耗散地震能量，保護(hù)整體結(jié)構(gòu)。因此，偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)是一種性能卓越的建筑結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：偏心支撐鋼框架;耗能梁段;抗震

中圖分類號：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）26-0095-03

Abstract： Eccentrically braced steel frame structure system has large rigidity， good ductility， and good seismic performance. by summarizing and sorting out the application of eccentrically braced steel frame structure in actual engineering cases and finite element calculation examples， this paper found that the energy dissipating beam section always yielded first， dissipating seismic energy and protecting the overall structure. Therefore， the eccentrically braced steel frame structure is a building structure with excellent performance.

Keywords： eccentrically braced steel frame;energy dissipating beam section;earthquake resistance

偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)最主要的特點是支撐斜桿的一端或兩端沒有連接在梁柱節(jié)點處，而是連接在框架梁上或框架梁以外。這樣就形成了一個特殊的結(jié)構(gòu)部件——耗能梁段，位于支撐斜桿與柱之間（D型和V型）、斜桿與斜桿之間（K型）或支撐斜桿與梁之間（Y型），常見有4種形式，如圖1所示，字母e處為耗能梁段。

1 偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的耗能梁段

耗能梁段是偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)不可或缺的組成部分。因為耗能梁段的出現(xiàn)，在多遇地震發(fā)生時，耗能梁段處于線彈性的工作狀態(tài)，像中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)一樣具有很大的抗側(cè)力剛度，側(cè)向水平位移小，結(jié)構(gòu)處于正常使用極限狀態(tài)以內(nèi);在設(shè)防地震或罕遇地震發(fā)生時，因結(jié)構(gòu)側(cè)向位移加大，耗能梁段上出現(xiàn)比框架梁上大很多的內(nèi)力，尤其是剪力，使得耗能梁段先于其他結(jié)構(gòu)部件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，因塑性變形，耗能梁段將消耗大量輸入結(jié)構(gòu)的地震能量，保護(hù)框架梁、柱及支撐斜桿發(fā)生明顯的非彈性變形，避免它們遭遇破壞，同時迅速衰減結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，達(dá)到消能減震的目的。震后結(jié)構(gòu)的損傷主要發(fā)生在耗能梁段上，只須修復(fù)或更換耗能梁段結(jié)構(gòu)即可恢復(fù)正常使用，所需的時間和資金相對較少，這是一種性能相當(dāng)優(yōu)越的多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震體系，尤其適用于高烈度情況。

2 偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系在高烈度情況下的抗震性能研究綜述

2.1 中美規(guī)范偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計對比研究

為了研究偏心支撐鋼框架在高地震烈度地區(qū)的抗震性能，吳虹[1]特意選取了一幢抗震設(shè)防8度0.2 g、Ⅱ類場地、第三地震分組地區(qū)的綜合高層建筑。其采用偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)，共有34層，1～33層均為標(biāo)準(zhǔn)層，層高為3.25 m，34層為設(shè)備層，層高為2.4 m，結(jié)構(gòu)總高度為109.65 m。

首先，該研究依據(jù)中國規(guī)范和美國規(guī)范對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，對比了中美兩國在設(shè)計方法等方面存在的差異。在進(jìn)行地震作用計算時，中國規(guī)范采用小震彈性反應(yīng)譜的方法，美國規(guī)范應(yīng)用彈塑性抗震設(shè)計方法，中國規(guī)范設(shè)計相對比較保守，未利用材料的屈曲后強(qiáng)度。耗能梁段的設(shè)計上，兩國均設(shè)計為剪切屈服型，相比于彎曲屈服型，具有更好的耗能性能。

然后，該研究用Perform-3D軟件就設(shè)計結(jié)果建立模型，評估抗震性能。靜力彈塑性分析發(fā)現(xiàn)，用中國方法設(shè)計的偏心支撐框架部分構(gòu)件截面尺寸相對較大，所以結(jié)構(gòu)沿縱橫兩個方向的初始剛度和推覆分析的底部剪力最大值均大于美國的，中美兩個設(shè)計結(jié)果的結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服次序一致，都是耗能梁段先發(fā)生剪切屈服，框架梁端再發(fā)生彎曲屈服，框架柱最后發(fā)生屈服，支撐斜桿不出現(xiàn)屈服或屈曲，與人們理論設(shè)定的目標(biāo)完全一致，能夠滿足工程實際的要求，達(dá)到了抗震設(shè)防的目的。

動力彈塑性分析中，為了得到中美兩個設(shè)計結(jié)果（以我國8度0.2 g烈度區(qū)為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計）的結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)，該研究在結(jié)構(gòu)縱橫兩個方向分別輸入8組不同的地震波。其中，6組是自然波，2組是人工波，6組自然波均包括2個水平方向、1個豎向三個方向的3條波。分析期間只考慮兩水平方向的雙向激勵，在分析人工波時，縱橫兩個方向輸入了不同的地震波以考慮雙向激勵，為了得到設(shè)計基準(zhǔn)烈度區(qū)罕遇地震作用水準(zhǔn)下結(jié)構(gòu)的抗震性能，將8組地震波的地面峰值加速度都調(diào)幅至0.4 g。通過對8組地震波的地震響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，中美兩個設(shè)計結(jié)果的結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服次序一致，仍為耗能梁段先發(fā)生剪切屈服，框架梁端再發(fā)生彎曲屈服，框架柱最后發(fā)生屈服，支撐斜桿不出現(xiàn)屈服或屈曲，從塑性鉸出現(xiàn)的數(shù)量上來說，有85%～90%的耗能梁段發(fā)生屈服，30%左右的框架梁發(fā)生屈服，15%左右的框架柱發(fā)生屈服。由此看來，耗能梁段的確在偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)中充當(dāng)著“保險絲”的作用，保護(hù)其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件免受損傷，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，避免了建筑結(jié)構(gòu)倒塌帶來人員傷亡和財產(chǎn)損失，而耗能梁段自身塑性變形發(fā)展充分，能夠耗散大量的地震能量。

2.2 鋼框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)體系在高烈度區(qū)工程中的應(yīng)用研究

張謹(jǐn)?shù)萚2]以江蘇宿遷的一文化體育中心辦公樓項目為例開展了研究。該工程地處8度0.3 g抗震設(shè)防區(qū)，屬于Ⅲ類建筑場地、第一組地震分組，特征周期為0.45 s，結(jié)構(gòu)長為114 m，寬為28 m，高為65.4 m，地上有15層，地下有1層。

結(jié)構(gòu)體系的確定過程中，該研究從鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、無支撐、中心支撐、偏心支撐等方面列舉了8種結(jié)構(gòu)體系，通過精確計算和性能分析比較，最終確定為框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)，框架由矩形鋼管混凝土柱和鋼梁構(gòu)成，且為D型偏心支撐。之所以選用該結(jié)構(gòu)體系，是因為凈建筑面積有所增加，結(jié)構(gòu)施工速度快，周期短，耗能梁段震后損傷后修復(fù)更換相對來說容易，總的比較，該結(jié)構(gòu)綜合效益最好。

而后，該研究依據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范，對與支撐斜桿和消能梁段處于同榀的框架梁及框架柱的內(nèi)力進(jìn)行放大調(diào)整，以確保結(jié)構(gòu)為多道抗震防線的結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步研究分析所選結(jié)構(gòu)的抗震性能，該研究又用Perform-3D軟件建立模型，對靜、動力彈塑性進(jìn)行了分析，通過靜力推覆分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服順序為耗能梁段先屈服，再就是框架梁，然后是支撐斜桿，最后是框架柱底，與事先理論分析的結(jié)果完全一致，達(dá)到了多道抗震設(shè)防的目的。

在動力彈塑性分析中，該研究選取了3組地震波，包括2組自然波和1組人工波，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了3向地震波激勵，加速度峰值分別取300 cm/s2與510 cm/s2，以模擬中震和大震。分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服順序仍為耗能梁段先發(fā)生剪切屈服，框架梁端再發(fā)生彎曲屈服，僅個別框架柱最后發(fā)生彎曲屈服，但程度很輕微，支撐斜桿不出現(xiàn)屈服或屈曲，完全符合預(yù)期狀態(tài)。

大震作用下的地震輸入能分布分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)塑性變形耗散了近一半的地震輸入能量，然而耗能梁段的剪切屈服變形就耗散掉了這些能量的73%，鋼梁彎曲屈服變形耗散掉了這些能量的26%，兩者耗散能量的總和就達(dá)到了99%。這更說明了雙層抗震設(shè)防的預(yù)想，耗能梁段就是偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的“保險絲”，在大震中能夠消耗大量地震能量，保護(hù)其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，防止整體結(jié)構(gòu)的失效、倒塌。

2.3 高層建筑偏心支撐鋼框架抗震性能分析

為了分析偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，崔粉英[3]設(shè)計了一20層、層高3.6 m、縱橫兩個方向各3跨、跨度均為8 m的工程算例，用SAP2000對該算例建立分析模型，分別選用D型、K型、V型三種偏心支撐形式，每一種偏心支撐形式又設(shè)計了5種不同長度的耗能梁段，地震波選用Elcentro1940 n-s，記錄峰值加速度為341.7 cm/s2。為了達(dá)到8度罕遇地震的要求，該研究對其做了調(diào)整，將加速度峰值放大到400 cm/s2。

通過動力彈塑性分析發(fā)現(xiàn)，三種偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)形式都表現(xiàn)為隨著耗能梁段的減小，結(jié)構(gòu)的剛度增大，層間位移減小，因為其設(shè)置了耗能梁段，保護(hù)了支撐斜桿的受壓損傷，結(jié)構(gòu)剛度穩(wěn)定。所以，偏心支撐鋼框架的耗能梁段能夠有效保護(hù)其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服損傷破壞，防止結(jié)構(gòu)倒塌。

2.4 含偏心支撐小高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能

為了研究多層偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，熊俊等[4]利用SAP2000對內(nèi)蒙古的某9層商住樓項目進(jìn)行了有限元分析。項目結(jié)構(gòu)平面尺寸為52.4 m×30.5 m，地上有9層，地下有1層，底層層高為4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2 m，結(jié)構(gòu)總高度為38.1 m。鋼框架柱為焊接箱形，鋼框架梁和耗能梁段均為焊接H型鋼，雙向跨度均為7.2 m，采用K型偏心支撐結(jié)構(gòu)形式，耗能梁段設(shè)計為彎曲屈服型，長度為1 800 mm，是跨度1/4，同時還建立了純鋼框架、中心支撐鋼框架，以對比它們的抗震性能差異。

研究分析發(fā)現(xiàn)，純鋼框架抗側(cè)剛度最小，中心支撐鋼框架抗側(cè)剛度最大，K型偏心支撐鋼框架抗側(cè)剛度居中，很接近中心支撐鋼框架的能力，可以支撐斜桿的軸力，中心支撐明顯大于偏心支撐。對三種結(jié)構(gòu)輸入多條地震加速度峰值為70 cm/s2的地震波，以模擬8度多遇地震，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)最小，優(yōu)于中心支撐框架和純框架。

在彈塑性動力分析時，該研究選取地震加速度峰值為400 cm/s2的地震波，輸入三種結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行8度罕遇地震的時程分析，發(fā)現(xiàn)偏心支撐鋼框架的頂點位移明顯低于純鋼框架和中心支撐鋼框架，且偏心支撐鋼框架的頂點位移的峰值出現(xiàn)不止一次，再出現(xiàn)的峰值跟首次相比稍有衰減，而純鋼框架和中心支撐鋼框架峰值過后衰減很厲害，再無峰值出現(xiàn)。這說明在罕遇地震中偏心支撐鋼框架的耗能梁段發(fā)生塑性變形保護(hù)了其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件，整體結(jié)構(gòu)的剛度有所退化，但在合理范圍之內(nèi)，而中心支撐鋼框架因支撐斜桿軸力過大，發(fā)生屈曲失穩(wěn)，退出工作，使得整體結(jié)構(gòu)的剛度退化嚴(yán)重，頂點位移位移較大。通過三者的比較分析，該研究充分說明偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性和耗能梁段的“保險絲”效應(yīng)。

3 結(jié)論

通過偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在實際工程案例和有限元算例中的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，因設(shè)置了耗能梁段，在高烈度罕遇地震作用下，偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形主要發(fā)生在耗能梁段上，變形過程中耗散大量的地震能量，減小了整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的地震響應(yīng)，保護(hù)了它們的安全，就如同電路系統(tǒng)中的保險絲一樣。所以，偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)因耗能梁段的存在，成為一種有效且性能優(yōu)越的抗震結(jié)構(gòu)體系，尤其適用于高地震烈度的情況下。

參考文獻(xiàn)：

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[3]崔粉英.高層建筑偏心支撐鋼框架抗震性能分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[4]熊俊，王元清，石永久，等.含偏心支撐小高層鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（1）：7-12.