設置新型耗能機制的桁框結構抗震性能研究＊

張家源，侯雅雅

（河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000）

1 主要研究內容及研究方法

STMF 的設計方法在《美鋼抗規》中主要以單消能段中置，依靠弦桿的塑性轉動來實現耗能的體系。該體系如果在高烈度設防地區，是不適合適用于位移敏感性的結構構件類型[1、2]。Longo A[3]提出的延性桁框體系中提出在設計過程中引入BRB，設置兩個消能段，但是這種設計方法理論較為復雜，不利于推廣。

本文主要內容針對延性桁框體系中存在的問題，研究一種利用弦桿塑性彎曲的延性桁框的改進及其性能研究，以下簡稱雙消能段延性桁框，如圖1所示。

圖1 雙消能段延性桁框體系桁架布置簡圖

采用基于能量平衡原理及屈服機制的設計思路來驗證這種體系的設計方法，將這種體系應用于三層桁框結構之中，對比采用原始STMF 單消能段中置的延性桁框，進行非線性動力時程分析并分析反應情況，以評估對提出的新設計方法抗震性能的有效性。

2 主要研究結果

單榀雙消能段延性桁框的組成，如圖2 所示，兩側為柱和側邊桁架的部分，中間依次設置兩消能段。

圖2 雙消能段延性桁框主要組成部分

該結構體系的屈服機制：首先在地震影響下，柱腳處發生轉角θ，此時桁架上弦與下弦桿的中點處會發生位移Δ，其次在中間的消能段，同樣會出現位移Δ，并且在幾何中心處出現旋轉γθ 的轉角（γ為中間段桁架的轉角折減系數），中間段與兩側邊桁架連接處設置第二個消能段，這就是該體系的屈服機制。

2.1 雙消能段延性桁框體系消能段構建的設計

基于PBPD 設計方法的雙消能段延性桁框[4]，主要是運用能量和側向力分布方法及單消能段STMF的基礎上進行對應修改后完成的。根據構件的截面形式來選擇最大設計抵抗剪力的大小，參考《美鋼抗規》的式E4-5 可計算出Vne[5]。計算過程如下：

首先可以計算出靠近柱子處的最大轉角值為：

以及中間段桁架最大轉角：

可得出消能段的弦桿總轉角

即消能段內四弦桿極限狀態下彎矩值為：

代入雙消能段延性桁框的Vne值：

消能段弦桿中主要軸力的產生是因為側向荷載，故假設第二消能段連接處四個軸力數值等大，根據以得出Vne 四軸力的方向同變形，取圖2 中三部分各自為隔離體，軸力大小可計算出：

2.2 雙消能段延性桁框體系非消能段構建的設計

非消能段的作用是要保證在目標位移狀態下不發生屈服，即在已經確定消能段構件的極限位移狀態下的內力作用在與之連接的非消能構件上，只在保持彈性階段分析即可。取非消能段作為隔離體，在隔離體上施加荷載，包括自身重力荷載、與消能段連接處最大設計期望剪力以及柱腳的塑形彎矩Mpi、以及待求側向力。受力情況如圖3 所示。

圖3 用于非彈性部分設計的邊柱隔離體

根據彎矩平衡方程即可得出設計柱所受側向力的總和。

當側向力方向向右時，對隔離體左側邊柱受側向力為：

當側向力方向向左時，對隔離體左側邊柱受側向力為：

將消能部分和非消能部分的設計思路進行整理，流程圖如圖4 所示。

圖4 雙消能段延性桁框體系設計思路

3 雙消能段延性桁框體系的非線性動力時程分析情況

為了驗證對雙消能段延性桁框體系設計方法的可靠性，在sap2000 中分別設計在三層、六層的算例來進行驗證，同時設置STMF 體系到相同的三層結構中作為對照組，進而考察雙消能段延性桁框體系的合理性。

三層結構一榀框架包含5 跨，每跨設置10m。荷載方面，恒荷載每層設置4.5kN/m2，同時考慮變跨裝飾層的線荷載為6.45kN/m2，活荷載各層取2kN/m2。根據荷載規范要求進行組合，來求得荷載設計值，進而分別按照單雙向板的豎向荷載分布規律來計算耗能框架上的等效荷載。基本參數見表1。

表1 不同體系三層桁框基本參數

根據《建筑抗震設計規范》中的關于檢驗地震動記錄的有效性參考標準，對采用兩種不同桁框體系的三層算例輸入8 度多遇、設防和罕遇地震水準的EL CENTRO 地震波，使用sap2000 進行動力彈塑性時程分析，分析結構的抗震變形能力。

分別提取三層桁框中的這一榀框架中層間位移角、結構頂部加速度對比情況，如圖5，圖6 所示。

圖5 層間位移角對比

圖6 結構頂部加速度對比

根據算例進行的時程分析結果，可得出以下結論：

（1）從層間位移角的情況對比，雙消能段延性桁框體系變形控制上相較于STMF 體系有略微的提升。

（2）在地震作用下受影響最為明顯的結構頂部加速度時程情況對比中可以看出，雙消能段延性桁框體系頂部在外界加速度時程影響下，較之STMF體系有更好的能量消散的效果，通過雙耗能段的設置達到減小地震響應的效果。

4 雙消能段延性桁框體系應用前景和未來研究方向

全文主要分析消能段設置的幾何位置選取。首先，雙消能段不宜放在桁架的兩端，在進行模型試算時發現，兩個消能段之間間距增加或導致弦桿之間的軸力會增大，對于在抗震過程中需要反復彎曲的消能段而言，會造成低于設計承載能力下出現破壞，導致不好的結果。

其次，關于非消能段部分的截面選取不宜出現與消能段相比截面過大的設計方案，由于兩種構件進行連接時，一側截面選取的過大或導致一側構件剛度會明顯大于另一側，從而導致在發生同向位移時內力的增大，會導致耗能段過早進入塑性階段，過早消耗耗能段的抗震能力。

綜上所述，雙消能段延性桁框體系在沿用了傳統桁架的基本形式基礎上，比采用傳統STMF 體系能減小桁架的整體變形能力及消能段處的弦桿變形量。但是相對于傳統STMF 體系而言，雙消能段延性桁框體系由于設置雙消能段，用鋼量除了增加，會提升結構的最終造價水平。

與預期計劃相比，在實際研究過程中發現在耗能段設置摩擦塑性鉸構件的可行性和耐久性均不如在桁框中通過原有構件設置耗能區效果更顯著，而且實踐中更容易實現，因為把研究重點放在了如何更好的設置耗能段方面。

在進行算例驗算時更加注重結構整體性能，對于組成構件本身的截面特性的優化還有欠缺，驗算中對塑性變形能力進行了折減，但是折減方案基于工字截面，對于體系是否能夠完全成立還待相關試驗研究。

在未來的研究中可以考慮如何能不顯著增大截面的塑性抵抗矩的前提下增加截面面積，探究是否能通過增加截面來協助消能段截面分擔軸力。