鉸接支撐雙重抗側框架及其彈塑性抗側性能研究

余玉潔，韋權飛，王霄翔，胡婉穎

鉸接支撐雙重抗側框架及其彈塑性抗側性能研究

余玉潔1，韋權飛1，王霄翔2, 3，胡婉穎1

(1. 中南大學土木工程學院，長沙 410075；2. 湖南建設投資集團有限責任公司，長沙 410004；3.湖南建工集團有限公司，長沙 410004)

基于現有分層裝配柔性支撐框架，提出改進的鉸接支撐雙重抗震改進型輕鋼框架體系．外墻轉角或邊墻處采用貫通式邊柱，結構內部采用柱分層、梁貫通式結構設計．內部分層立柱之間設置柔性交叉支撐提供結構的初始抗側剛度，貫通式邊柱與水平貫通梁剛性或半剛性連接形成外圍框架，提供后繼抗側儲備并形成第2道抗側防線．采用理論分析方法得到改進型框架梁、柱、支撐等構件初步設計方法，并基于Pushover分析改進型框架彈塑性抗側承載性能和關鍵結構參數影響規律．該結構傳力機制清晰，具備多重抗側承載機制，并可基于結構力學方法有效得到結構設計準則．柔性支撐在距邊柱一定距離后其位置變化不影響結構抗側承載性能．內部分層立柱節點剛度對結構抗側性能影響較小，實際設計中可采用全螺栓連接或限位鉸接．邊框梁柱連接剛度將影響外圍框架剛度和結構失效機制，實際設計中宜采用加勁型螺栓連接以保證有足夠的抗彎剛度．體系中各節點均可在保障結構性能條件下采用螺栓連接以實現全裝配化建造．

鉸接支撐雙重抗側框架；裝配化建造；抗側性能；受力分析；Pushover分析

近年來，隨著國家雙碳戰略和建筑業轉型升級的持續推進，裝配式鋼結構住宅得到快速發展[1]．住宅類民用建筑與公建不同，其建筑內部為滿足居住功能常常具有多樣、復雜的平面局部，柱網不規則且柱距較小．因此鋼結構住宅結構設計中需要重點考慮居住功能多變的建筑需求[2]．受此限制，低多層鋼結構住宅中常采用冷彎薄壁結構體系[3-4]或小尺寸截面的鋼框架結構體系．周緒紅等[5]提出了冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻體系，推廣冷彎體系應用于多層住宅．管宇等[6]、石宇等[7]、葉露等[8]通過系列試驗及模擬完善其中冷彎薄壁組合樓蓋、剪力墻等關鍵構件以及整體結構抗震性能和設計方法．葉繼紅[9]、Wang等[10]提出多層輕鋼龍骨式復合剪力墻結構體系，采用雙拼或三拼的C型龍骨承重，并在關鍵位置引入方鋼管輕質混凝土柱增大豎向承重和抗震能力．也有學者探索輕型框架體系的改進研發[11]，如曹萬林等[12]研發了輕鋼組合框架-輕型填充墻板結構體系，并進一步優化提出了裝配式輕鋼龍骨組合墻以滿足住宅的戶型變化需求．

對于低多層鋼結構住宅，同濟大學王偉等[13]參考日本的全裝配式住宅研發了分層裝配柔性支撐框架結構體系，采用梁通長、柱分層裝配，并結合柔性支撐的方式組合而成．該體系可實現全工業化制作和裝配安裝，具有施工周期短、設計便捷、綜合效益好等優點，且可基于住宅需求實現結構靈活調整．通過節點、支撐單元以及支撐框架整體的系列試驗研究證明該結構體系有較好的抗震性能[14]．但該體系本質上仍主要依靠柱間交叉柔性支撐抵抗水平力，一旦支撐破斷其抗側性能將大幅下降[15]．與此同時，我國《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[16]對于大部分地區工程結構都要求具有多重抗震防線，從而避免大震作用下因部分結構或構件破壞而導致整個結構倒塌．

本文在分層裝配柔性支撐框架基礎上進行改進，提出了鉸接支撐雙重抗震輕鋼框架結構體系．采用理論推導和典型框架抗側性能分析得到改進體系的設計策略和抗側性能影響因素．研究成果可為低多層鋼結構住宅體系研發和設計提供參考．

1?鉸接支撐雙重抗側框架結構體系

分層裝配柔性支撐框架結構體系特點在于采用梁貫通、柱分層并通過端板螺栓連接組合形成基本框架，柱間采用交叉柔性支撐抵抗水平力．但一旦支撐失效，其結構抗側性能將大幅下降．針對以上不足，綜合考慮住宅建筑中內外墻體布局特點和結構抗震需求，提出改進的鉸接支撐雙重抗側框架結構體系，如圖1(a)所示．

結構中位于外墻轉角或邊墻處立柱仍采用柱貫通式型鋼柱或鋼管混凝土柱，邊框梁柱連接處采用栓焊混合或端板螺栓連接的剛性或半剛性節點；在房屋內側采用分層裝配式結構中柱分層、梁貫通式結構設計；結構內部采用小尺寸鋼管立柱，在各層內與上下水平貫通梁之間采用可拆卸的螺栓連接(圖1(b))；沿用分層裝配式體系中構造，立柱之間設置扁鋼制作的鉸接柔性交叉支撐以提供結構抗側，扁鋼中部設置花籃螺栓張緊．

該結構體系中內部分層立柱主要承受豎向荷載，可采用小截面構件，在滿足豎向承重受力下實現結構柱藏于墻體內的使用要求．外圍貫通式鋼管混凝土柱或鋼框柱位于外墻位置，對室內空間布局影響較小．在正常使用、小震及中震時主要通過內部柔性支撐提供結構的抗側和抗震能力．同時外圍貫通式框柱及框架節點可提供結構抗側和抗震性能儲備，在大震作用下或鉸接支撐框架發生破壞后作為第2道抗震防線．此外，內部立柱和柔性支撐藏于墻內且可拆卸裝配，可在保障整體結構受力性能條件下根據房屋內部功能布局需求進行位置調整．

（a）結構體系構成

（b）鉸接立柱及鉸接支撐節點構造

圖1?鉸接支撐雙重抗側框架結構體系

Fig.1 System diagram of the hinged-brace dual-resistance frame

2?鉸接支撐雙重抗側框架受力分析

鉸接支撐雙重抗側框架在結構設計中，其內部分層立柱端假定為鉸接，在靜荷載時主要通過鉸接柔性支撐提供抗側能力，外圍框架提供多重抗側儲備．因此理想的結構受力和失效順序為：隨著側向水平荷載的增大，柔性鉸接支撐為主要抗側剛度來源，并最先發生屈服，之后外圍框架提供后備抗側能力；基于鋼框架“強柱弱梁”理念，鋼框梁端先于柱肢達到抗彎極限出現塑性鉸，外圍框柱作為最后一道抗震防線．因此在結構設計中應合理設計柔性支撐、外圍框柱和水平貫通梁的截面尺寸和強度，以實現期望的結構受力過程．

2.1?鉸接支撐雙重抗側框架受力關系計算

2.1.1?復合框架抗側性能計算

圖2(a)所示為代表性鉸接支撐框架計和變形關系．交叉支撐鉸接于立柱端部，僅在鉸接節點處傳遞水平抗力．因此根據承載順序和變形關系可將該框架劃分為柔性支撐和復合框架兩部分．圖2(b)所示為復合框架計算簡圖，內部分層立柱通過螺栓固定并主要傳遞豎向荷載，忽略其抗彎承載能力，因此結構分析中可簡化為兩端鉸接桿．外圍框架采用剛性或半剛性螺栓連接，梁柱節點具備抗彎承載能力，在結構理論分析時可簡化為剛接．

（a）結構變形幾何關系

（b）復合框架計算簡圖

圖2?結構計算簡圖

Fig.2?Schematic diagram of the calculation

復合框架在承受水平荷載時梁柱的受力狀態可通過結構力學方法求解，得到框架發生水平側移時框架梁端彎矩1和柱端彎矩2．假定框架貫通梁長度為1，抗彎剛度為1，邊柱長度為2，抗彎剛度2，內側一對鉸接立柱居中設置，間距為3．框架頂端發生水平位移為．

圖3?力法求解圖示

Fig.3?Diagram of the force method calculation

2.1.2?矩形鋼管混凝土柱壓彎承載強度計算

改進型框架在承受水平荷載時會在邊柱產生拉壓的豎向反力，因此受壓側邊柱則處于壓彎狀態．將鉸接支撐雙重抗側框架應用于多層住宅或辦公樓時，其邊柱為控制構件尺寸，可采用鋼管混凝土邊柱構造．因此在改進框架的失效狀態判斷時需要考慮到鋼管混凝土邊柱在壓彎受力下的承載力大小．

對于鋼管混凝土構件的承載力的計算方法，國內外學者多年來都開展了深入細致的研究工作，已有成套計算方法．矩形鋼管混凝土柱壓彎承載力強度，可通過極限狀態理論進行計算．

矩形鋼管混凝土柱壓彎承載力可基于全截面壓彎共同作用下全截面進入塑性時的極限平衡狀態推導出鋼管混凝土壓彎構件軸力和彎矩的相關公式[17]．規范中為簡化計算采用偏安全的直線相關關系，即

矩形鋼管混凝土軸壓承載力可基于疊加原理[18]進行計算，即

矩形鋼管混凝土柱抗彎承載力也基于極限狀態理論進行計算．假定矩形鋼管混凝土柱達到彎曲極限時，鋼管和受壓區混凝土分別達到屈服和抗壓強度極限，受拉區混凝土退出工作，如圖4所示．

式中為鋼管截面高度．

圖4?截面受力計算簡圖

2.1.3?鉸接支撐雙重抗側框架屈服機制

由式(4)～(6)可知，彈性狀態內邊框柱和水平貫通梁的彎矩和軸力大小均與水平側移呈線性關系，因此可基于貫通梁和邊框柱截面強度得到構件屈服或形成塑性鉸時所需要的水平側移大小．

當水平貫通梁采用H型鋼梁時，其中水平梁剛度和截面抗彎承載力分別為

當邊框柱采用鋼管混凝土柱時，其抗彎剛度為

2.2?鉸接支撐雙重抗側框架Pushover模擬驗證

首先建立復合框架模型，驗證力法推導的準確性和性能影響因素．采用結構力學方法進行抗側性能推導時梁柱構件均僅考慮其抗彎剛度，并未考慮構件抗拉和剪切剛度影響．因此在復合框架抗側分析中考慮理想抗彎桿件模式和真實桿件模式．理想抗彎桿件模式的Midas分析中，人為調整構件抗拉剛度和剪切剛度截面剛度放大系數實現其無窮大，而抗彎剛度能保持其實際大小，以實現桿件性能與理論推導一致．真實桿件模式中梁柱桿件的抗彎剛度、抗拉剛度和剪切剛度均為實際大小．開展典型框架的Pushover分析，計算在推覆位移＝15mm時梁柱構件的受力大小．復合框架理論計算與Midas結果對比如表1所示．

（a）復合框架模型 （b）鉸接支撐雙重抗側框架

圖5?改進型框架的Midas模型(單位：mm)

Fig.5?Midas models of the improved frame structures(unit：mm)

表1?復合框架理論計算與Midas結果對比

Tab.1?Comparisons between the theoretical calculations and the Midas results

框架中構件的屈服和塑性通過定義塑性鉸模擬．對柔性支撐定義軸力鉸，水平貫通梁定義彎矩鉸，鋼管立柱和鋼管混凝土邊柱定義軸力彎矩PMM相關鉸，如圖5所示．在定義塑性鉸時，為使Pushover曲線能夠出現下降段，模擬結構構件屈服后框架抗側承載力變化及下降狀態，梁、柱構件的彎矩-轉角關系采用FEMA骨架曲線定義，使用軟件默認的鉸屬性運算分析．圖6所示為FEMA鉸的骨架曲線特性．

圖6?FEMA鉸的骨架曲線特性

表2所示為分別采用理論分析方法和Midas中Pushover分析所得到的結構屈服順序結果和對比．可見理論分析方法所得出的支撐、梁和鋼管混凝土柱屈服順序的結果與Midas一致，因此在結構初始設計階段可采用理論分析方法進行框架中梁、柱桿件選型和設計，以實現預期承載機制和順序屈服模式．

2.3?鉸接支撐雙重抗側框架彈塑性抗側承載機制

從表2中選擇兩個代表性工況分析鉸接支撐雙重抗側框架的彈塑性承載和失效過程．兩個工況中框架邊柱均采用200mm×10mm的鋼管混凝土柱，中部鉸接分層柱采用100mm×5mm空心方鋼管，柔性支撐采用寬40mm、厚5mm的鋼板條．工況1中水平貫通梁采用150mm×100mm×5mm×7mm的H型鋼，可實現支撐→梁端→柱端的理論屈服順序．工況2水平貫通梁采用300mm×150mm×6mm×9mm的H型鋼，其組成框架的理論屈服順序為支撐→柱端→梁端．為得到框架彈塑性承載和失效全過程，Pushover分析中計算到最大節點水平側移達到120mm，即達到4%的層間位移角變形．計算完成后提取基底剪力-側移曲線以分析構件不同屈服和構件失效模式．

表2?結構構件屈服時的位移

Tab.2?Displacement of a structural member at yield

圖7所示為工況1：理想屈服順序工況，理論分析具有支撐→梁端→柱端的屈服順序．在水平側移逐漸增大時，支撐受拉先發生屈服，基底剪力-位移曲線出現第1個拐點；隨后外圍框架繼續承載，直至梁端左右梁端屈服，承載曲線產生第2個拐點；梁端屈服導致承載力曲線剛度輕微下降，表明其對結構剛度影響不大．當鋼管混凝土邊柱柱腳屈服時產生第3個拐點，結構剛度明顯降低；之后主要由鋼管混凝土邊柱提供主要抗側能力，直至一側邊柱達到極限強度時，承載力曲線突然下降．

圖8中工況2(非理想屈服順序工況)采用強梁設計，基于理論分析其柱腳將先于梁端進入塑性．由推覆分析結果可見，當柱腳發生屈服時，框架承載力曲線剛度明顯下降，隨后梁端達到屈服，框架進入塑性承載階段．當柱腳達到極限強度失效時，將使得框架承載力突然下降．相較于工況1，工況2框架的抗側剛度變化幅度較大，達到失效前的側移變形能力偏小，延性較低．

圖7?理想屈服順序工況

圖8?非理想屈服順序工況

3?改進型框架構造參數影響分析

改進型框架實際設計中內部分層立柱與水平貫通梁通過螺栓連接，水平貫通梁與框架邊柱可采用焊接或加強型栓接節點，或采用栓接形成半剛性節點．而理論計算方法中節點處均進行了簡化，即邊框梁柱節點簡化為剛接，分層柱與貫通梁節點簡化為鉸接，并且鉸接支撐假定居中設置．但實際結構中，不同構造方式的螺栓連接均會產生一定節點抗彎剛度，并且柔性支撐位置也會隨著建筑功能和墻體開洞需求而變化．這類構造參數和節點剛度對于結構抗側性能的影響規律可采用不同構造參數下的Pushover模擬進行研究．

參數化分析中選擇符合預期屈服順序梁、柱設計構造組合，即框架邊柱均采用200mm×10mm的鋼管混凝土柱，水平貫通梁采用150mm×100mm×5mm×7mm的H型鋼，中部分層立柱采用100mm×5mm空心方鋼管，柔性支撐采用寬40mm、厚5mm的鋼板條，支撐寬度為1.8m．分別變化支撐位置、分層立柱與水平貫通梁連接節點剛度、邊框梁柱節點剛度開展參數化分析．

3.1?柔性支撐位置

通過改變交叉支撐與鋼管混凝土邊柱之間的距離實現柔性支撐不同設置位置的變化，分別模擬支撐距邊柱2.1m、1.8m、1.5m、0.9m工況，如圖9所示．所有模型中分層立柱與水平貫通梁連接節點為鉸接，邊框梁柱節點為剛接．分析并對比所得到的基底剪力-側移關系曲線和失效模式，如圖10所示．

（a）工況A：支撐距邊柱2.1m??（b）工況B：支撐距邊柱1.8m

（c）工況C：支撐距邊柱1.5m??（d）工況D：支撐距邊柱0.9m

圖9?支撐位置

Fig.9?Brace locations

（a）基底剪力-側移曲線

（b）支撐距邊柱0.9m(工況D)失效模式

圖10?支撐位置影響

Fig.10?Influences of the brace locations

可以看出，當其他條件相同、只改變支撐距離兩端鋼管混凝土柱位置時，支撐距邊柱2.1m、1.8m和1.5m工況的基底剪力-側移曲線基本相同，且失效過程均與圖7中屈服順序和失效模式一致．說明支撐距邊柱一定距離時，改變支撐位置對整個框架的彈塑性承載和失效過程影響較小．但當支撐距邊柱過近時，其基底剪力-側移曲線變化較大．當支撐距邊柱較近時，框架初始彈性剛度下降，抗側承載力水平降低．

圖10(b)中給出工況D下關鍵構件出鉸位置及變化順序(圖中紅框標注)．隨著水平側移逐漸增大，受拉支撐先發生屈服．隨后梁左端先于梁右端發生屈服．這與圖7中失效模式有所差異，原因在于此時左端梁段線剛度較大，相同轉動幅度下梁端彎矩更大先達到屈服，但此時承載剛度未明顯下降．隨著側移的不斷加載，左端梁相較于右端梁段先達到塑性鉸失效．當梁右端及鋼管混凝土柱柱腳屈服時，抗側承載力下降，較未屈服前承載力下降82.3%．因此設計時交叉支撐不宜距離邊框過近，距邊框柱一定范圍內，支撐位置可依據建筑及功能需求靈活調整而不影響結構的抗側性能．

3.2?分層立柱連接節點剛度

框架內部的分層立柱與水平貫通梁節點在初設階段可簡化為鉸接節點，但實際連接中可通過端板及螺栓與水平貫通梁翼緣連接，為半剛性節點，如圖1(b)所示．為分析該節點影響，可在Midas中通過釋放分層立柱端部約束剛度的方式，模擬節點的不同剛度水平．分別模擬了剛接、75%剛度、50%剛度、25%剛度和鉸接5種工況(圖11中工況a～e)．該分析中所有模型柔性支撐均居中設置，邊框梁柱節點為剛接.

所得到的基底剪力-側移曲線如圖11所示．分層立柱與貫通梁的連接剛度越強，框架整體抗側剛度和抗側承載力水平略微增大，表明分層立柱節點剛度也可提供一定結構剛度．但整體抗側承載力變化幅度不大，結構整體失效模式不受影響，因此分層立柱節點對于結構性能影響有限．故考慮施工便捷性，可采用非加勁端板螺栓連接或采用限位鉸接連接，且在結構設計中，分層立柱可偏安全假定為鉸接．

圖11?分層立柱連接剛度的影響

3.3?邊框梁柱連接剛度

框架梁、柱在理論分析階段假定為剛接節點，但實際連接中可采用加強型栓焊混合或全螺栓節點連接，如圖12所示，前者可實現剛接性能，后者一般為半剛接．為揭示邊框梁柱連接剛度影響，以指導框架節點選型和設計，可通過釋放水平貫通梁端部約束剛度的方式分析框架節點剛度對結構抗側性能影響．

分別模擬邊框梁柱節點分別為剛接、75%剛度、50%剛度、25%剛度和鉸接5種工況(圖13(a)中工況a～e)．該分析中支撐均居中設置，分層立柱與貫通梁為鉸接．

圖13(a)為不同邊框梁柱連接剛度工況下基底剪力-側移曲線．當梁柱連接為剛接或剛度釋放小于50%時，框架抗側承載力曲線基本無變化，構件屈服失效順序與圖7中承載過程一致，符合預期屈服失效順序．當邊框梁柱剛度釋放50%時，支撐屈服后框架抗側剛度略微減小，承載力水平基本無變化，但此時邊框柱腳先于梁端進入屈服，與圖8中失效模式一致.

（a）剛性節點 （b）半剛性節點

圖12?邊框梁柱連接節點模式

Fig.12?Frame beam-column connection node

（a）基底剪力-側移曲線

（b）邊框梁柱25%剛度節點工況失效模式

（c）邊框梁柱鉸接節點工況失效模式

圖13?邊框梁柱連接剛度影響

Fig.13 Influences of the beam-to-side column connection stiffness

當邊框梁柱連接剛度釋放高于50%，支撐屈服后框架抗側剛度進一步降低．圖13(b)所示為邊框梁柱連接為25%剛度工況的失效模式．隨著側移的加大，受拉支撐首先發生屈服，抗側剛度略微下降．之后鋼管混凝土柱腳發生屈服，抗側剛度進一步降低，僅為初始剛度的10.9%．當柱腳達到極限強度時，整個框架喪失承載能力．此工況下支撐屈服后主要邊框柱提供主要抗側性能，框架主要產生邊框柱腳的屈服和失效，并進而影響整體框架的彈塑性承載性能．

圖13(c)所示為邊框梁柱采用鉸接節點時失效模式．邊框梁柱為鉸接節點時整體框架初始抗側剛度相較于其他工況偏低．支撐屈服后框架塑性剛度和抗側承載力水平下降較為顯著，此工況下支撐為主要的抗側承載來源．邊框柱腳屈服時結構抗側剛度下降91.5%．最后邊框柱腳同時達到極限強度，承載曲線發生突降．

對比結果可見，邊框梁柱節點剛度對于框架抗側時各部件承載機制和整體框架的抗側剛度和承載力水平均有較為顯著影響，邊框梁柱剛度較小或為鉸接時貫通梁基本不參與結構抗側承載．因此邊框梁柱連接剛度不宜過小，節點抗彎剛度宜控制在75%的梁截面剛度以上．因此可采用焊接、栓焊混合或加強型螺栓連接方式．

4?結?論

本文在現有分層裝配柔性支撐框架基礎上提出了改進的鉸接支撐雙重抗震改進型輕鋼框架體系.采用理論分析方法得到改進型框架梁、柱、支撐等構件初步設計方法，并基于Pushover分析改進型框架彈塑性抗側承載性能和關鍵結構參數影響規律，得到以下結論．

(1) 所提出的改進型框架具有多重抗側承載機制，其中柔性支撐提供初始抗側能力．當作為第1道抗震防線的柔性支撐屈服后，支撐外圍框架作為第2道抗震防線提供后續抗側和抗震儲備．

(2) 改進型框架結構傳力清晰，可基于結構力學方法預判結構承載和失效機制，有效得到結構設計準則以實現支撐-梁-柱的屈服順序，實現該結構體系雙重抗震防線穩定、延性好等優勢．

(3) 改進型框架支撐和梁端屈服時不會引發結構承載力的突降，邊框柱腳塑性和失效對結構承載力影響較為顯著．柔性支撐與邊柱之間的距離建議大于1m，可使得支撐位置變化基本不影響結構抗側承載性能．內部分層立柱節點剛度對結構抗側性能影響較小，其中鉸接工況下抗側剛度和承載力相較于剛接工況僅下降2.54%和6.35%，實際設計中可采用全螺栓連接或限位鉸接．邊框梁柱連接剛度將影響外圍框架剛度和結構失效機制，其鉸接工況下框架承載力和剛度相較于剛接工況分別下降18.68%和14.09%，實際設計中建議采用加勁型螺栓連接．

(4) 內部立柱和柔性支撐可藏于墻內，可基于屋內功能需求靈活變換位置．體系中各節點均可在保障結構性能條件下采用螺栓連接以實現全裝配化建造．

［1］ 龔永智，柯福隆，譚濤，等. 全干法連接裝配式夾芯剪力墻結構抗震性能研究[J]. 天津大學學報(自然科學與工程技術版)，2022，55(5)：451-461.

Gong Yongzhi，Ke Fulong，Tan Tao，et al. Seismic behavior of assembled sandwich shear wall structure connected by full dry method[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2022，55(5)：451-461(in Chinese).

［2］ 喬文濤，楊洋，肖劍. 鋼結構現澆樓板施工中快速拼裝模板體系[J]. 天津大學學報(自然科學與工程技術版)，2016，49(增1)：80-87.

Qiao Wentao，Yang Yang，Xiao Jian. High-efficient assembling formwork system for cast-in-place floor construction in steel structures[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2016，49(Suppl 1)：80-87(in Chinese).

［3］ 曹萬林，楊兆源，周緒紅，等. 裝配式輕鋼組合結構研究現狀與發展[J]. 建筑鋼結構進展，2021，23(12)：1-15.

Cao Wanlin，Yang Zhaoyuan，Zhou Xuhong，et al. Research and development on prefabricated lightweight steel composite structures[J]. Progress in Steel Building Structures，2021，23(12)：1-15(in Chinese).

［4］ 劉占科，靳璐君，周緒紅，等. 鋼構件整體穩定直接分析法研究現狀及展望[J]. 建筑結構學報，2021，42(8)：1-12.

Liu Zhanke，Jin Lujun，Zhou Xuhong，et al. State-of-the-art on research of direct analysis method of steel members with global instability[J]. Journal of Building Structures，2021，42(8)：l-12(in Chinese).

［5］ 周緒紅，鄒昱瑄，徐磊，等. 冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻抗震性能試驗研究[J]. 建筑結構學報，2020，41(5)：65-75.

Zhou Xuhong，Zou Yuxuan，Xu Lei，et al. Seismic behavior of cold-formed thin-walled steel plate shear wall[J]. Journal of Building Structures，2020，41(5)：65-75(in Chinese).

［6］ 管宇，周緒紅，石宇，等. 輕鋼組合樓蓋面內剛度和承載力計算方法研究[J]. 湖南大學學報(自然科學版)，2019，46(9)：31-43.

Guan Yu，Zhou Xuhong，Shi Yu，et al. Study on calculation method for in-plane stiffness and bearing capacity of thin-walled steel composite floor[J]. Journal of Hunan University(Natural Sciences)，2019，46(9)：31-43(in Chinese).

［7］ 石宇，曾樂，向弋，等. 新型冷彎薄壁型鋼板剪力墻抗側性能試驗研究[J]. 建筑鋼結構進展，2021，23(7)：21-30.

Shi Yu，Zeng Le，Xiang Yi，et al. Experimental study on the lateral performance of new cold-formed thin-walled steel plate shear walls[J]. Progress in Steel Building Structures，2021，23(7)：21-30(in Chinese).

［8］ 葉露，王宇航，石宇，等. 冷彎薄壁型鋼框架-開縫鋼板剪力墻力學性能研究[J]. 工程力學，2020，37(11)：156-166.

Ye Lu，Wang Yuhang，Shi Yu，et al. Study on the mechanical properties of cold-formed steel framed shear wall with slits[J]. Engineering Mechanics，2020，37(11)：156-l66(in Chinese).

［9］ 葉繼紅. 多層輕鋼房屋建筑結構-輕鋼龍骨式復合剪力墻結構體系研究進展[J]. 哈爾濱工業大學學報，2016，48(6)：l-9.

Ye Jihong. An introduction of midrise thin-walled steel structures：Research progress on cold-formed steel framed composite shear wall systems[J]. Journal of Harbin Institute of Technology，2016，48(6)：1-9(in Chinese).

［10］ Wang Xingxing，Ye Jihong. Cyclic testing of two- and three-story cold-formed steel(CFS)shear walls with reinforced end studs[J]. Journal of Constructional Steel Research，2016，121：13-28.

［11］ 劉?洋，陳志華，劉佳迪，等. 柱承重式鋼結構模塊建筑抗震性能試驗研究[J]. 天津大學學報(自然科學與工程技術版)，2021，54(2)：122-132.

Liu Yang，Chen Zhihua，Liu Jiadi，et al. Experimental study on seismic performance of corner-supported modular steel buildings[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2021，54(2)：122-132(in Chinese).

［12］ 曹萬林，劉子斌，劉?巖，等. 裝配式輕型鋼管混凝土框架-復合墻共同工作性能試驗研究[J]. 建筑結構學報，2019，40(8)：12-22.

Cao Wanlin，Liu Zibin，Liu Yan，et al. Experimental study on combining effect of assembled lightweight CFST frames with composite walls[J]. Journal of Building Structures，2019，40(8)：12-22(in Chinese).

［13］ 王?偉，陳以一，余亞超，等. 分層裝配式支撐鋼結構工業化建筑體系[J]. 建筑結構，2012，42(10)：48-52.

Wang Wei，Chen Yiyi，Yu Yachao，et al. Floor-by-floor assembled steel braced structures for prefabricated buildings[J]. Building Structure，2012，42(10)：48-52(in Chinese).

［14］ 劉大偉，王?偉，馬場峰雄，等. 分層裝配式鋼結構體系新型支撐研制與性能試驗[J]. 建筑結構，2012，42(10)：57-60，86.

Liu Dawei，Wang Wei，Baba Mineo，et al. Development and behavior testing of innovative braces of floor-by-floor assembled steel structures[J]. Building Structure，2012，42(10)：57-60，86(in Chinese).

［15］ Wang Wei，Zhou Qing，Chen Yiyi，et al. Experimental and numerical investigation on full-scale tension-only concentrically braced steel beam-through frames[J]. Journal of Constructional Steel Research，2013，80：369-385.

［16］ GB 50011—2010 建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

GB 50011—2010 Code for Seismic Design of Buildings[S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2010(in Chinese).

［17］ 沈祖炎. 鋼結構基本原理[M]. 3版. 北京：中國建筑工業出版社，2018.

Shen Zuyan. The Basic Principle of Steel Structure[M]. 3rd ed. China Architecture & Building Press，2018(in Chinese).

［18］ 中國工程建設標準化協會. CECS 159：2004?矩形鋼管混凝土結構技術規程[S]. 北京：中國計劃出版社，2004.

China Association for Engineering Construction Standardization. CECS 159：2004?Technical Specification for Structures with Concrete-Filled Rectangular Steel Tube Members[S]. Beijing：China Planning Press，2004(in Chinese).

Hinged-Brace Dual-Resistance Frame and the Elastic-Plastic Lateral Force Resistance Analysis

Yu Yujie1，Wei Quanfei1，Wang Xiaoxiang2, 3，Hu Wanying1

(1. School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China；2. Hunan Construction Investment Co.，Ltd.，Changsha 410004，China；3.Hunan Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Changsha 410004，China)

An enhanced hinged-brace dual-resistance light steel frame system was proposed based on the current design of layered assembly brace frame systems. Columns located at the corner of the wall or along the sidewall remain the vertically continuous construction. The interior structure adopts the through-beam layered-column design. Flexible cross braces are set between the internal layered columns to provide the initial lateral structural stiffness. The horizontal through beams are rigidly or semi-rigidly connected to the continuous side columns to form the peripheral frame，providing the subsequent lateral force resistance. This leads to the formation of the second lateral seismic defense. Theoretical analysis was performed to obtain the preliminary design method of beams，columns，and braces in the improved frame. The elastic-plastic lateral force resistance and influences of critical structural factors were analyzed based on Pushover simulations. The structure possesses a clear force transfer mechanism and multiple lateral load resistance mechanisms. The structural design criteria can be effectively obtained based on the structural mechanics method. Given a certain distance from the side column, the position changes of the hinged brace do not affect the lateral load resistance. The connection stiffness of internal layered columns has minimal influence on the structural lateral performance，allowing for the full bolted or hinge joints to be applied. The bending stiffness of the through-beam to the side column connection can impact the structural stiffness of the peripheral frame and further influence the failure mechanism of the entire structure. Stiffened bolted connections were proposed to ensure ??sufficient connection stiffness in practical structural designs. All connections in the improved frame can employ bolted connections to achieve the full assembly construction while retaining satisfactory structural mechanical performance.

hinged-brace dual-resistance frame；assembly construction；lateral force resistance；mechanical analysis；Pushover analysis

10.11784/tdxbz202304025

TU311.41

A

0493-2137(2024)04-0343-12

2023-04-13；

2023-06-09.

余玉潔（1990—??），女，博士，教授.

余玉潔，yujiecsu@csu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(52278231)；湖南省自然科學基金資助項目(2022JJ20073)；湖南省科技創新計劃資助項目(2022RC1185)；長沙市自然科學基金資助項目(kq2202100).

the National Natural Science Foundation of China(No. 52278231)，the Natural Science Foundation of Hunan Province，China(No. 2022JJ20073)，the Science and Technology Innovation Program of Hunan Province，China(No. 2022RC1185)，the Natural Science Foundation of Changsha City，China(No. kq2202100).

(責任編輯：金順愛)