钢结构隅撑-支撑钢框架的耗能性能

钢结构隅撑—支撑框架的耗能性能分析0前言在一般的钢结构建筑中,抗弯框架(MRF)和中心支撑框架(CBF)这两种结构形式应用的最为广泛。然而,这两种结构形式都不能同时满足刚度和延性的要求。抗弯框架结构具有较好的延性和耗能能力,但抗侧移刚度不足,中心支撑框架结构虽然具有很大的抗侧移刚度,但延性不足,在大震作用下,支撑容易屈曲失稳,造成结构整体失稳破坏。为结合抗弯框架和中心支撑框架的优点同时弥补它们的不足,美国加州大学伯克利分校的Roeder和Popov提出了偏心支撑框架(EBF)结构,与中心支撑框架结构不同,它的支撑至少有一端偏离梁柱节点,而是直接连在梁上,在支撑和柱之间形成耗能梁段。通过合理选取耗能梁段的长度,使结构既有较好的抗侧移刚度,又能通过耗能连梁的剪切屈服产生很好的延性。在中小地震时,结构处于弹性阶段;在强震时,耗能梁段进入塑性,利用梁的塑性变形来吸收能量,而支撑始终保持为弹性。偏心支撑框架较好地解决了中心支撑所存在的强度、刚度和耗能这3种性能不匹配的问题,兼有中心支撑框架强度与刚度好以及纯框架耗能大的优点。为此,偏心支撑框架结构曾一度得到了国内外广大学者和工程设计人员的青睐。很多国家的规范也都先后给出了偏心支撑框架结构的设计规定。但是,偏心支撑框架结构也有其致命的缺点,就是其很好的延性和耗能性能是以牺牲框架梁为代价的。只有当框架梁产生充分屈服时,偏心支撑框架结构的耗能性能和延性才能得到充分发挥,但这会导致楼层的严重破坏,而且由于框架梁是结构的主要构件,所以,修复起来非常困难。为了克服偏心支撑框架的这一严重缺陷,Aris2tizabal2Ochoa结合支撑的刚度和隅撑的耗能性能,提出了一种新的框架结构。在这种结构中,隅撑用作耗能构件,它的一端连在梁上,另一端连在柱上,支撑有一端连在隅撑上,支撑为框架提供刚度。但由于支撑被设计成细柔构件,在地震作用下支撑发生屈曲,因此结构的耗能性能得不到发挥,所以不适合用作抗震结构。后来,Balendra等人修改了这种结构体系,提出了隅撑—支撑框架(KBF),它在弹性阶段具有与中心支撑框架相当的刚度,它在大震时又具有与偏心支撑框架相似的延性和耗能能力。隅撑—支撑框架是在偏心支撑框架的基础上发展起来的,与偏心支撑框架相比,它具有结构主构件损坏小、震后修复容易的优点[1]。1隅撑的耗能原理在隅撑—支撑钢框架结构中,隅撑的主要用途只是在水平荷载作用下提供抗侧移刚度和耗能作用,在竖向作用下不是结构的主要受力构件。1.1隅撑—支撑钢框架的形式典型的隅撑—支撑框架由梁、柱、支撑和隅撑构成,其外形与中心支撑框架相似,只是支撑至少有一端与隅撑连接,但支撑的轴线与梁、柱的轴线汇交于一点。常见的隅撑—支撑框架如图1所示。图1a为典型的隅撑—支撑框架形式;图1b所示的结构形式一般用于跨度较大的建筑中;图1c为支撑上下两端均与支撑相连的形式。图1隅撑—支撑框架的形式1.2隅撑—支撑钢框架的耗能机理隅撑—支撑钢框架是一种具有耗能特性的抗侧力结构体系,在风或地震水平荷载作用下,隅撑—支撑作为主要受力构件进行受力。当隅撑—支撑钢框架受地震作用时,隅撑—支撑作为一个整体的具有耗能特性的抗侧力体系进行工作。在“小震”作用下,隅撑—支撑为结构仅提供抗侧移刚度,隅撑不屈服,使结构具有很好的抗侧移能力。在“大震”作用下,隅撑发生剪切屈服,作为主要耗能构件进行滞回耗能,使结构具有较好的耗能性能和变形能力,从而保护了结构的主构件。在这种结构体系中,把隅撑用作“耗能保险丝”,使塑性破坏控制在结构的次要构件上,保证了结构的主要构件不破坏。为了更好地分析隅撑的耗能性能,图2定性地给出了隅撑—支撑钢框架在水平荷载作用下隅撑的内力分布情况。图2隅撑的内力分布由内力分布可知,隅撑具有梁单元的受力性能,并被支撑分成两个耗能段,每个耗能段在水平力作用下将承受较高的弯矩和均布剪力,轴向力相对较低(和隅撑—支撑间的角度有关),其受力性能与偏心支撑框架中的耗能梁段相似。由于耗能段所受的剪力分布均匀,如不考虑局部高应变,一旦形成剪切塑性铰,该铰的分布范围将很大,甚至充满整个耗能段。因而剪切型耗能段具有非常好的变形能力,可以耗散更多的能量。据Engelhardt和Povov分析,细部构造合理的剪切型耗能段,其转动角度可达0.1rad,而弯曲耗能段的转角仅可达到0.02rad。所以,剪切型耗能段比弯曲型耗能段具有更好的延性和耗能能力,设计时应优先选用剪切型耗能段[2]。2隅撑—支撑框架结构的耗能性能分析2.1分析方法本文使用非线性有限元软件ANSYS来分析隅撑—支撑钢框架结构的滞回性能。梁、柱和隅撑采用双重非线性四节点矩形等参壳单元Shell181[3],支撑采用梁单元Beam188;两种单元都考虑了几何和材料两种非线性,通过线性随动强化的材料本构关系考虑钢材鲍辛格效应;同时不考虑初始缺陷和残余应力;假定材料为初始各向同性。均采用位移增量形式的牛顿—拉普森迭代法求解非线性有限元方程。2.2构件设计因为隅撑—支撑钢框架的特色是水平作用力主要由隅撑来承受,损坏也仅发生在隅撑上,其他构件均不受损坏。因此,在设计构件的尺寸时,应使隅撑先屈服。为了使隅撑的耗能性能得以充分发挥,应使支撑的承载力大于隅撑屈服时的承载力的1.6倍[4],以保证支撑不屈曲。模型参数见图3和表1。表1模型参数图3分析模型简图2.3耗能分析2.3.1单调加载首先采用上述分析模型对1层单跨隅撑—支撑钢框架进行了单调加载,采用位移控制加载。图4给出了单调加载结束时的应力分布图,可看出,隅撑上的应力超过了屈服应力,而且隅撑上的应力最大,说明隅撑受的力最大,最先破坏,结构的破坏原理和所设想的相同。单调加载下的水平力—位移曲线如图5所示。从图5可看出,隅撑首先屈服,在隅撑屈服后,框架仍保持弹性,在水平位移达到12.9mm时,框架才开始出现屈服,这说明在框架屈服前,隅撑可充分发生变形进行耗能,使结构具有很好的耗能性能和变形能力。图4隅撑—支撑框架的单元应力云图(kN/mm2)图5单调加载时的顶点水平力—侧向位移曲线2.3.2低周反复加载在单调加载的基础上进行了低周反复加载,采用位移控制加载,所得滞回曲线如图6所示。由图6可知,隅撑—支撑钢框架结构的滞回曲线饱满而稳定,而且没有退化现象。这说明,隅撑—支撑钢框架具有很好的耗能性能。图6隅撑—支撑钢框架的滞回曲线3结论隅撑—支撑钢框架结构体系是一种耗能性能很好的抗侧力结构体系。在风或地震水平荷载作用下,隅撑首先屈服并进行滞回耗能,从而保护了结构的主构件。根据分析结果可看出,隅撑—支撑钢框架不仅耗能性能好,而且在框架破坏之前,隅撑可充分变形,使结构具有很好的延性,从而显著地改善了结构的抗震性能。参考文献:[1]BalendraT,YuCH,LeeFL.Aneconomicalstructuralsystemforwindearthquakeloads.EngineeringStructures,2001123:4912501.[2]陈富生,邱国撵,范重.高层建筑钢结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.[3]AlperUcak,PanosTsopelas.ANewInnovativeDesignConcept:Thin2WalledCorrugatedSteelColumns[A].WeiqingliuFuh-GwoYuanandPeterC.Chang.Proceedingsofthe3rdInternation2alConferenceonEarthquakeEng