关于单斜杆偏心支撑框架的刚度

1、关于偏心支撑框架的刚度、延性相关性的讨论一、偏心支撑框架的简介为了同时满足抗震对结构刚度、强度和耗能的要求，结构应兼有中心支撑框架刚度与强度好和纯框架耗能大的优点。基于这样的思想，提出了一种介于中心支撑框架和纯框架之间的抗震结构形式一一偏心支撑框架。偏心支撑框架的工作原理是：在中、小地震作用下，所有构件弹性工作，这时支撑提供主要的抗侧力刚度，其工作性能与中心支撑框架相似；在大地震作用下，保证支撑不发生受压屈曲，而让偏心梁段屈服消耗地震能，这时偏心支撑框架的工作性能与纯框架相似。可见，偏心支撑框架的设计应注意两点：支撑应足够强，以保证偏心梁段先于支撑屈曲而屈服;在梁截面一定的条件下，偏心梁段的长

2、度不能太大，应设计为剪切届服梁，以使偏心梁段的承载能力最大，进而使偏心支撑框架的抗侧力能力最大，且延性和耗能性好。偏心支撑框架的典型形式见图1.1所示。图LI偏心支撑钢框架体系偏心支撑框架体系是指支撑斜杆至少有一端与梁连接，支撑轴线偏离梁柱的交点，在两端或跨中形成耗能段的结构体系。偏心支撑结构体系具有中心支撑的特点，能够提供较高的强度和刚度，满足规范要求的层间位移及侧移，在罕遇地震作用下，一方面通过耗能段的非弹性变形将地震能耗散掉，另一方面是使耗能段的剪切屈曲先发生，从而保护支撑斜杆不屈曲或在耗能段发生屈曲后发生，偏心支撑框架结构体系要求结构在强度、刚度、延性和能量耗散四者之间保持均衡。设计合

3、理的偏心支撑结构体系，可使耗能段在正常使用阶段或小震情况下保持在弹性范围内，而在强震作用下，通过耗能段的非弹性变形耗能。通过比较框架结构体系、中心支撑框架结构体系及偏心支撑框架结构体系在循环荷载作用下的滞回性能,可以更好地了解偏心支撑框架结构体系的延性和耗能能力。二、偏心支撑框架结构与纯框架结构、中心支撑框架结构的比较钢框架结构体系由梁、柱通过刚性或半刚性节点组成，具有结构简单、平面布置灵活、不设柱间支撑、刚度均匀以及良好的延性和较强的耗能能力等优点，因而得到了广泛的应用。但是框架结构体系较柔，弹性刚度较差，为了控制层间位移及侧移，有时必须采用超过承载力要求的梁柱截面，往往在经济上造成巨大的浪

4、费，从而失去了经济合理性，在应用上受到了限制，一般多用于30层以下。一般来说，框架结构体系作为柔性体结构体系，因构造合理，具有良好的抗震性能，但使用在高烈度地震区承受较大的地震作用时，则没有足够的抗侧移刚度来控制结构的层间位移和总体位移，致使非结构构件损伤严重，并且结构仅仅通过梁柱的非线性变形来消耗地震的能量，这就造成梁柱端、框架节点和楼板损伤严重，框架结构体系为单一抗侧力体系，加上P一效应的影响，其破坏程度较大，甚至会引起结构局部或整体的倒塌。框架支撑体系是由框架体系演变而来的，即在框架体系中对部分框架柱之间设置竖向支撑，形成若干榻带竖向支撑的框架。支撑结构体系通过刚性楼板或弹性楼板的变形协

5、调与刚接框架共同工作，形成一双重抗侧力结构体系。在水平荷载作用下，支撑产生的变形是伸长和缩短，而框架柱和梁为弯曲变形，在变形协调的情况下，全部水平力都将作用在支撑上，而框架几乎不受力，当支撑体系破坏后，水平荷载由框架承担，因而框架支撑体系在风载及中等以上强度地震作用下具有良好的抗震性能，成为高层结构中应用最多的体系之一。框架支撑结构体系分为中心支撑框架结构体系和偏心支撑框架结构体系,中心支撑框架结构体系在弹性阶段工作时强度和整体刚度都较好，在中低烈度区或当侧向荷载主要是风荷载时，常被广泛使用。然而，在高烈度地震区，其耗能能力和非弹性工作性能不佳。这主要是由于在强烈地震作用下，支撑杆件受压后易发

6、生屈曲，使得结构的耗能机构不稳定，水平承载力急剧下降。中心支撑框架体系是利用支撑变形来耗能，在水平地震中用下，中心支撑受压容易产生侧向屈曲，产生以下后果：支撑斜杆重复压屈后，其受压承载力急剧降低；支撑的两侧柱子产生很大的内力及应力；往复的水平地震作用，斜杆会从受压的压屈状态变为受拉的拉伸状态，这将对结构产生冲击性作用力，使支撑及其节点和相邻的构件产生很大的附加应力；往复的水平地震作用，使同一层支撑框架的斜杆轮流压屈又不能恢复，楼层的受剪承载力迅速降低；中心支撑一旦失效，整个结构的抗剪能力大大降低，从而导致整体结构丧失承载力；中心支撑框架结构体系在弹性阶段基本上没有耗能能力，在中等和强烈地震烈度

7、下地震能量主要通过支撑曲屈后的变形来耗能。框架结构体系具有很好的延性和耗能能力，但当楼层较高时，其刚度往往不够。中心支撑框架体系虽然增加了结构的侧向刚度，然而延性差，支撑曲屈后其性能退化，影响整体结构的承载力和耗能能力。偏心支撑框架(eccentricallybracedframes，简称EBF)则结合了中心支撑框架强度高、刚度大和纯框架结构耗能性能好的优点。在偏心支撑钢框架中，支撑与支撑、或支撑与梁柱节点不会交，在框架梁上形成了一个偏心的受剪段，这段专门仔细选用的偏心连接起到了“保险丝”的作用，可以避免过大的力传入支撑使之屈曲。偏心支撑框架体系吸取了框架体系和中心支撑体系的各自优点，很好地解

8、决了上述两种体系中存在的问题，弥补了不足。三、承载力、刚度、延性为主导的结构概念设计概念设计的宗旨就是在特定的空间形式、功能和地理环境条件下，以结构工程师自身确定的理想承载力、刚度和延性为主导目标，用整体构思来设计各部分有机相连的结构总体系，并能有意识地利用和发挥结构总体系和主要分体系、以及分体系与构件之间的最佳受力特征与协调关系。在方案设计和初步设计阶段，用概念性近似计算能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择。这种近似计算方法虽然有一定的误差，但是概念清楚，定性准确，手算简单快捷，能很快地比较和选择出相对最佳的结构方案，乃至估算出主要分体系及其构件的基本尺寸大小，为以后的计算机分析提供

9、比较确切的结构计算模型和所需输入的原始数据。同时也是施工图设计阶段判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。马那瓜美洲银行1972年12月23日尼加拉瓜首都马那瓜发生罕遇的强烈地震，5000多人死亡，市区1万多栋楼房夷为平地，见图112。而马那瓜当时最高的建筑，图1.2尼加拉瓜马那瓜美洲银行大楼（震后所摄）林同炎教授于1963年设计的18层、61m高的美洲银行一一一栋钢筋混凝土塔楼，虽位于震中，在楼前的街道上出现了13mm宽的地裂缝，承受着比当时设计规范（UBC,美国统一建筑规范）所要求的地面运动水平加速度0.06g大6倍的地震强度（0.35g，相当于里氏6.36.5级）而未倒塌，甚至未严

10、重破坏。图1.2马那瓜美洲银行大楼方面是有林同炎教授在马那瓜美洲银行的多道防线、刚柔结合的概念设计思想是由4个4.6m等边的L型柔性筒（H/b=13.37），通过每层的连梁组成一个11.6m11.6m的正方形核心筒作为主要的抗震结构（见图1一13）。在风荷载和抗震设防烈度的地震作用下具有很大的抗弯刚度（H/6c怂），为了预防未知的罕遇强烈地震，林同炎教授在连梁的中部开了较大的孔洞，一方面可以用来穿越通风管道，减少楼层的结构高度；另意识地形成该结构总体系（第一道防线）中的预定簿弱环节，在未来遭遇强烈地震时，通过控制首先在连梁开洞处开裂、屈服、出现塑性铰，从而变成具有延性和耗能能力的结构体系（第二

11、道防线），即各分体系（L型柔性筒）作为独立的抗震单元，则整体结构变柔，自振周期变图1.3马那瓜美洲银行大楼平立面图长，阻尼增加，地震动力反应将大大地减小，从而可以继续保持结构的稳定性和良好的受力性能。即使在超出弹性极限的情况下，仍具有塑性强度，可以做到较大幅度的摇摆而不倒塌。为确保每一个L型柔性筒都可以作为有效的独立抗震单元，林同炎教授在L型筒的每面墙内的配筋几乎都是一样的。震后的调查正如设计所预料的那样，这幢建筑核心筒的连梁剪切破坏，混凝土保护层剥落、开裂，这是比较容易修复的。墙体没有裂缝，只是在核心筒的墙面上掉下了几块大理石饰面。这充分说明，虽然主体结构没有开裂，但剪力墙内已具有很高的应力

12、。也就是说在地震的剪力和弯矩作用下，墙仍处于弹性阶段。伯克利加州大学的教授V.Bertero在震后对这幢建筑作了动力分析，见表1一1。显而易见，当核心筒连梁破坏后，四个L型角筒独立作用时，结构的自振周期和顶部位移明显加大，而基底剪力和倾覆力矩却明显减小。在正常工作状态下，即在风荷载或设防烈度的地震作用下，设计所选择的结构的自振周期丁=1.3s，相当于0.072n（n楼层数），顶部侧向位移12cm,相当于1/500楼高。ai-i马那瓜美洲银行大楼动力分析四个角简共同作用四个角筒分别独立作用自振周期1*33.3基底剪力（t）27001300倾覆力矩（t-m）9300037000顶部位移（mm）12

13、0240马那瓜美洲银行大楼的抗震实例说明了以承载力、刚度和延性为主导目标，设计抗风和抗震都比较理想的高层建筑是完全可能的。在风荷载作用下结构的整体刚度大，有较高的自振频率；而在罕遇的强烈地震作用下，可通过充分发挥延性（其中包括结构延性、构件延性或截面延性，与耗能能力使结构仍具有足够的承载力。四、偏心支撑框架刚度与延性相关性的讨论影响Y型偏心支撑框架耗能能力的因素有耗能段长度、截面高度、腹板厚度、翼缘厚度、腹板加劲肋厚度、框架高跨比、支撑截面高度、支撑角度等，其中影响显著的是耗能段的长度、腹板高度和腹板厚度。本文以这三种参数的变化进行Y型偏心耗能支撑框架的滞回性能研究。通过滞回曲线，对其刚度与延

14、性的相关性进行讨论。通过建立Y型支撑耗能段模型，并以有限元分析软件建立有限元模型，以计算机模拟分析Y型支撑框架体系在循环荷载作用下的性能。材料属性:钢材材性采用应变强化模型，钢材材性均取其名义值，即Q235钢b=235MP。，y由于钢材的极限强度离散性较大，这里取b=375MPa,弹性模量E=206000MPa,混合强化参u数M=0.2，强化模量H=0.01E，泊松比v=0.3。试件尺寸：Base试件跨度取0.72m，层高0.36m，框架柱、框架梁、支撑及耗能段均采用焊接工字形钢，各构件连接均采用刚接，构件尺寸及各截面尺寸见图1.4和图1.5。Y型偏心支撑框架计算模型如图1.6,所有杆件均划分

15、为壳单元，支撑与耗能段采用刚接，连接构造见图1.7。-5丿1-L图1.6Y型偏心支撑框架计算模型加载过程如图1.8：图1.7Y型偏心支撑连接构造图1.8加载过程示意图-3D-I荷载历程表1.2Base试件设计参数（单位：mm）一一Base几何尺寸HLe36007200600构杵编号1234截面高度400400600200截面宽度400200200200腹板厚度1616U12翼缘厚度20201616加劲肋厚度12加劲肋数量3（1）、YA系列Y型偏心支撑框架与其它框架不同，由于耗能段不是主梁的一部分，其截面大小可以与主梁不同，这在构造上很方便，因此在分析Y型偏心支撑框架时，需要分析耗能段截面改变对

16、结构耗能能力的影响，鉴于此设计了YA系列试件，这个系列的试件与Base试件比较，除耗能段截面高度变化以外，结构其余部分的尺寸都与Base试件相同。试件设计参数件表1.3。表1.3YA系列试件耗能段设计参数参数（单位：mm）试件编号YA1YA2YA3YA41YA5耗能段腹板髙500620740860980图1.9YA系列试件单向加载曲线（2）、YB系列试件的设计目的是分析偏心支撑框架耗能段长度变化对结构耗能性能的影响。这个系列的试件与Base试件比较，除耗能段长度改变以外，结构其余部分的尺寸都与Base试件相同。YB系列试件与Base试件设计参数不同部分见表1.4。表1.4YB系列试件耗能段设计

17、参数参数（单位：mm）试件编号YB1YB2YB3YB4YB5耗能段民度亡4206007809601140图1.10YB系列试件单位加载曲线、YC系列为了研究耗能段腹板厚度对Y型偏心支撑框架耗能能力的影响，设计了YC系列试件。YC系列试件中耗能段腹板厚度与Base试件不同，除此以外的结构构件截面及几何尺寸均与Base试件相同。YC系列试件与Base试件设计参数不同部分见表1.5。图1.11YC系列试件单位加载曲线表1.5YC系列试件耗能段设计参数参数(单位：mm)试件编号YC1YC2YC3YC4YC5耗能段腹板厚610141822、通过对数据的分析，得到各型号结构的滞回曲线面积与刚度的相关数据见

18、表1.6,通过相关软件，将其关系通过图表示。表1.6各型号结构的滞回曲线面积与刚度的相关数据O08拓回环面积与初始刚度的相关曲线100120140160180200220240初始刚度型号滞回曲线面积初始刚度最终刚度刚度退化刚度退化量YA1416143.5066.350.5477.15YA2482.6175.7876.290.5799.49YA3544.4198.0686.680.56111.38YA4602213.0096.030.55116.97YA5658.2237.76104.490.56133.27YB1513.2221.7685.900.61135.86YB2476.4151.7275.410.5076.31YB3428.7146.0370.430.5275.60YB4369.1122.0165.380.4656.63YB5301.395.3158.560.3936.75YC1330.4131.9750.780.6281.19YC2432.8128.9867.130.4861.85YC3506167.2182.710.5184.50YC4565.6167.