隅撑支撑钢框架的抗震性能分析_图文

1、隅撑支撑钢框架的抗震性能分析周伟1巫恩海1吴文平2(1.镇江市建科工程质量检测中心有限公司,江苏镇江212000;2.江苏沪宁钢机股份有限公司,江苏宜兴214200摘要:为研究隅撑支撑钢框架结构的抗震性能,对纯框架(MRF、中心支撑框架(CBF、偏心支撑框架(EBF和隅撑支撑框架(KBF等主要框架结构形式的内力进行分析并进行有限元分析对比。结果表明:隅撑支撑铜框架结构的受力性能与耗能能力都要比其他类型的框架形式要好。在相同条件下,KBF比其他形式的框架结构具有更好的抗震性能,因此隅撑支撑钢框架结构是一种良好的结构形式。关键词:隅撑支撑;抗震性能;内力分析;时程分析ASEISMIC BEHAVI

2、oR ANALYSIS0F THE KNEE BRACED STEEL FRAMEZhou Weil Wu Enhail Wu Wenpin92(1.Zhenjiang City Jianke Engineering Quality Examine Centre Co.Ltd.Zhenjiang212000.China;2.Jiangsu Huning Steel Mechanism Co.Ltd,Yixing214200,ChinaABSTRACT:To study the aseismic behavior of the knee braced steel frame,The MRF。CB

3、F,EBF and KBF of main frame structures are analyzed,the results show that the behaviors and the aseismic behavior of the KBF are better than dther steel frame structures.In the same condition,the behavior of the knee braced steel frame structure is obviously better than other frame structures,and it

4、 is a good structure form.KEY WORDS:knee braced;aseismic behavior;internal force analysis;history analysis1概述目前,钢框架结构形式主要有纯框架(MRF、中心支撑框架(CBF、偏心支撑框架(EBF和隅撑支撑框架(KBF。一般来说,抗弯框架作为柔性结构,具有较大的延性和一定的耗能能力,其耗能主要是通过梁端塑性弯曲铰的非弹性变形来实现的,但用于承受较大的地震作用时,抗侧移刚度不足。中心支撑框架在小震作用下有着很好的性能1,主要是由于它具有较大的刚度和强度,但在大震作用下,支撑易屈曲失稳,造成刚

5、度及耗能能力急剧下降,直接影响结构的整体性能。偏心支撑框架结合了前两者的长处,它的支撑至少有一端偏离梁柱节点,直接连在梁上,使支撑与柱之间形成一段耗能梁段。与抗弯框架相比,它每层加有支撑,具有更大的抗侧移刚度和极限承载力。与中心支撑框架相比,它在支撑的一端有耗能梁段,在大震作用下,耗能梁段在巨大剪力作用下,先发生剪切屈服,从而保证支撑的稳定,使得结构延性好,滞回环稳定,具有良好的耗能能力。但它的耗能能力是以牺牲框架梁为代价,结构楼层损坏严重,震后需要大修或更换;而且。为了使其有较好的耗能性能,在设计时需调整框架梁尺寸,所以比较麻烦2。为克服偏心支撑框架的这些缺点,有人提出隅撑支撑框架343(图

6、1。隅撑作为耗能构件,其一端连在梁上,另一端连在柱上;支撑有一端连在隅撑上,支撑为框架提供侧向刚度;当承受较大的地震作用时,隅撑进入非弹性变形阶段来耗散能量;由于隅撑是次要构件,所以修复起来比较容易。该结构体系主要利用隅撑作为“耗能保险丝"5|,将塑性破坏控制在结构次要构件上,在保证结构主要构件不受破坏的同时也保证支撑构件不屈曲,有效地克服了偏心支撑框架的缺点。为了更好地说明隅撑支撑钢框架比其他结构形式具有更好的抗震性能,本文通过内力分析和有限元计算,对隅撑支撑钢框架、偏心支撑钢框架和纯钢框架的结构性能进行了对比。2内力分析2.1分析模型第一作者:周伟.男,1982年出生,硕士。Em

7、ail:jokiezoo163.corn收藕日期:20090331Steel Construction.2009(11。V01.24,No.12671一柱;2一粱;3一支搏;4一隅撵图1KBF的形式为比较隅撑支撑钢框架、偏心支撑钢框架和纯钢框架的受力性能,运用SAP 2000程序建立如图2所示的3种不同支撑形式的结构分析模型63,模型构件参数见表1,钢材弹性模量E=2.06x105MPa。对图2所示的模型施加单位水平力(P=1kN,进”/鱼蛊2400行结构内力分析。2.2剪力分析由图3可知,在柱顶水平力作用下,隅撑支撑钢框架的梁和柱所受剪力在3种结构中最小,隅撑受的剪力比较大,正好可以使隅撑屈

8、服来耗能,与所设想的受力机理一致。偏心支撑钢框架的耗能梁段(支撑和柱之间的部位所受剪力较大,其他部位的梁和柱所受的剪力相对较小,这也与偏心支撑的设想受力机理一致:利用耗能梁段的屈服来耗能。但是,偏心支撑钢框架中的耗能梁段是主体框架的一部分,修复比较麻烦,而且由于耗能梁段的屈服,会使主体框架发生破坏。纯框架只由梁柱构成,所以全部横向力都由柱来承受,梁柱所受的剪力在这3种结构中最大,当横向力较大时,柱或梁就会屈服,致使结构破坏。吲产一/,耄_力.2400baKBF;bEBF;c-MRF图2内力分析模型表1构件截面型号11111111O.54一.I珩/0.06/_./_2.3弯矩分析由图4可知,这3

9、种结构中,隅撑支撑钢框架所受的弯矩最小,且分布比较均匀,偏心支撑钢框架所受的弯矩几乎是隅撑支撑钢框架的2倍,纯框架所受的弯矩最大,几乎是偏心支撑钢框架的2倍。这说明在同样大的横向力作用下,纯框架会最先破坏,接着是偏心支撑钢框架,最后是隅撑支撑钢框架。8钢结构2009年第11期第24卷总第126期FR M Nk 。耋加一剪F3船图一baKBF,bEBFcMRF 图4弯矩图kNm3时程分析3.1分析模型为更全面地比较隅撑支撑钢框架(KBF、偏心支撑钢框架(EBF和纯钢框架(MRF的结构性能,P 运用ANSYS有限元分析软件对同样的模型进行有限元模拟,模型构件参数同表1。对图5所示的模型进行单调加载

10、和循环加载分析,以位移控制加载。ba-KBF,bEBFC-MRF图5有限元分析模型3.2分析结果钢材为Q235,采用线性随动强化准则,取屈服强度仃,=235MPa,钢材的极限强度瓯一375MPa,弹性模量E一2.06×105MPa,强化模量H=0.01E,泊松比“=0.3。图6给出了KBF、EBF和MRF的单调加载曲线,图7给出了KBF、EBF和MRF在循环荷载下的滞回曲线。由图6可看出,KBF和EBF的侧向刚度和承载力远远大于MRF的侧向刚度和承载力,KBF的侧向刚度和承载力又大于EBF的侧向刚度和承载力。而且KBF的隅撑屈服点早于EBF的耗能梁段屈服点,KBF的主体框架屈服点又晚

11、于EBF的耗能梁段屈服点。因此,KBF比EBF具有更好的延性。由图7可知,MRF的滞回曲线最扁平,承载力最低,延性最好;KBF和EBF的滞回曲线都很饱满,延性差不多,但KBF具有更高的承载能力。P蚤、钆杂单*侧移,衄1一MRF,2一EBF:3一KBF图6单调加载曲线尸4结论本文分别对比研究了3种不同的钢框架结构的静力性能和滞回耗能性能。通过分析得到隅撑支撑钢框架(KBF具有以下优点:1在较小的水平力作用下,KBF具有较高的抗侧刚度,主体框架梁柱受力较小且均匀,具有较好的Steel Construction.2009(11,Voi.24,No.1269蚤 a-o 争￥-一-一一fff/7,蠢7/

12、,l?f,/,"-J一J一一J一-J一互、钆孟*一一旒孵I广一一一1一一历叠I删f眉l l脚删I¨JJW艮¨,J儿矗Ur1T憎f,¨“,Vr蚕、盘R争*。厕呵7刀况矿抛缪i址纱侧移AIm侧移/l侧移/衄a b ca-MRFlb-KBF;e-EBF图7滞回曲线整体受力性能;2在较大的水平力作用下,隅撑首先进入塑性阶段耗散能量,进而破坏,使得结构梁柱免受破坏或破坏较小;3在地震水平力作用下,隅撑支撑钢框架具有较高的结构承载力和滞回耗能性能,相同条件下, KBF比其他框架结构形式具有更好的抗震性能。参考文献1Medhekar M s。Kennedy D J L

13、.Seismic Response of Two-Story Buildingswith Concentrically Braced Steel FramesJ.Canadian Journal of Civil Engineering,1999.26:497509. 2赵宝成.偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的破坏机理及抗震设计对策D.西安:西安建筑科技大学,2003.Balendra T,Lim E L,Liaw C Y.Large-Scale Seismic Testing of Knee-Brace-FrameJ.Journal of Structural Engineering, 19

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15、7(5:334343.孙爱伏。董军,周伟.隅撑支撑钢框架的恢复力模型研究J.山西建筑。2006,32(24:35.负航。郝际平。潘秀珍,等.加肋板D型偏心支撵钢框架在循环荷载作用下的滞回性能分析J.钢结构,2008,23(5:3337.信自.1言思。苏州新火车站北站房已初显雏形苏州新火车站的设计方案既现代通透又富江南风格,而菱形图案组成的站房屋顶是其中最为夺目的亮点之一。记者在新火车站北站房施工现场看到。经过一个月的紧张施工,目前新火车站北站房已经初显雏形,其屋面钢结构已经完成近半。据介绍,由于新苏州站站房屋面由菱形钢结构支撑,表层金属面将呈现苏州建筑风格的瓦状效果,展现出江南风韵,新苏州站设计的站房屋面也被称之为“江南瓦”。首榀钢屋盖桁架一段在项目部的精心组织下,已顺利吊装成功,稳稳盖在了新苏州站的北站房房顶。首榀吊装桁架总长为143m,总质量达185t,共分7段从中间往两端吊装上脚手架平台,并在高空脚手架平台完成焊接拼装,再进行液压机