焊接工字形鋼支撐及中心支撐鋼框架抗震性能研究.pdf

1、中心支撐鋼框架結構是目前多高層鋼結構中常用的一種結構類型，國內(nèi)外對其抗震性能已做了大量的研究工作。但由于其在罕遇地震下的響應非常復雜，仍有許多問題值得繼續(xù)研究。本文通過試驗和有限元分析相結合的方法，對焊接工字形鋼支撐的低周疲勞性能、中心支撐鋼框架結構的設計方法及抗震性能進行了分析研究，并得出了一些有意義的結論。
　　在兩端鉸接 ST12材質(zhì)焊接工字形鋼支撐等幅軸向循環(huán)位移荷載低周疲勞性能試驗基礎上，進行了 Q235材質(zhì)焊接工字形鋼

2、支撐低周疲勞性能試驗。分析了2種材質(zhì)的共47根支撐試件在試驗載荷下的最大橫向變形和最大抗壓承載力特性，驗證了本文推導公式及規(guī)范方法的可靠性。在假設加載幅值、試件幾何特征以及鋼材屈服強度對支撐低周疲勞壽命影響相互獨立的基礎上，提出了估算支撐低周疲勞壽命的經(jīng)驗公式。分析表明，翼緣寬厚比越小，長細比越大，加載幅值越小，屈服強度越低，支撐低周疲勞壽命越高。由于地震作用前支撐構件位移時程不可預知，設計支撐時除應嚴格限制翼緣板件寬厚比外，還應適當采

3、用低屈服點鋼材及適當放寬某些現(xiàn)行規(guī)范對長細比的限制，以避免支撐過早斷裂。最后，根據(jù)支撐不同損傷階段的累積耗能比，指出可偏于安全地采用階段?的壽命估算公式來預估支撐的低周疲勞壽命。
　　基于上述研究成果，對國內(nèi)外有關中心支撐設計的屈曲后承載力、長細比及工字形鋼支撐板件寬厚比的問題開展了分析討論，并提出了一些具體建議。
　　采用有限元程序ABAQUS對19根Q235材質(zhì)焊接工字形鋼支撐的滯回性能進行了模擬，有限元結果與試驗結果基

4、本吻合。結合 FE-SAFE程序，通過主應變、最大剪應變、Brown-Miller組合應變?nèi)N多軸臨界面損傷模型對支撐的低周疲勞性能進行了數(shù)值模擬研究。結果表明，殘余應力對支撐低周疲勞壽命影響甚微；三種臨界面損傷模型的預測壽命基本位于4倍分散帶以內(nèi)，偏于安全一側。
　　以位于抗震設防烈度8度區(qū)的某大型火電廠鋼結構主廠房橫向最不利一榀的煤倉間部分為原型，按1:12縮尺比例設計制作了鉸接中心支撐鋼框架結構試驗模型，對其進行了24種地震

5、工況下的模擬地震作用振動臺試驗和部分工況下的數(shù)值模擬研究。得到了模型結構的動力特性及其在8度多遇、偶遇、罕遇及8.5度罕遇地震下的加速度和位移響應等。結果表明，8度多遇地震作用前后，結構動力特性并未發(fā)生變化；8度罕遇地震作用后，個別支撐和節(jié)點板出現(xiàn)了微小的平面外變形。依據(jù)試驗結果及試驗原型的有限元分析結果，推算出試驗原型結構在三種地震（EL Centro、 Cholam Shandon、人工）的多遇烈度以及人工地震的罕遇烈度下，層間位移

6、角包絡值滿足我國抗震規(guī)范GB50011的限值要求。該體系在高烈度區(qū)也可具有良好的抗震性能。
　　采用有限元程序 ABAQUS，對4、10層高烈度區(qū)（8度）的鉸接中心支撐鋼框架結構進行了地震響應分析，研究了設計地震作用、構件（支撐、被撐梁、支撐跨柱）設計方法對鉸接中心支撐鋼框架結構抗震性能的影響。結果表明，在對被撐梁及支撐跨柱進行一定補充設計的基礎上，與按抗震規(guī)范GB50011設計的算例相比，按通則 CECS160:2004設計的算

7、例，在結構動力響應相當?shù)那闆r下，減少了用鋼量，獲得了較優(yōu)的綜合抗震性能。說明抗震規(guī)范GB50011規(guī)定的地震作用偏大。建議繼續(xù)開展深入的研究，擴大鉸接中心支撐鋼框架體系的應用范圍。
　　采用有限元程序 ABAQUS，對8度抗震設防烈度區(qū)的梁柱剛接中心支撐鋼框架結構進行了地震響應分析，重點研究了不同抗彎框架加強方法對鋼框架-中心支撐雙重體系抗震性能的影響。結果表明，罕遇地震下，若支撐沒有因低周疲勞失效退出工作，鋼框架-中心支撐雙重體

8、系（刪掉支撐的抗彎框架按任一層能獨立承擔結構層剪力的25％或結構基底剪力的25%加強）并未體現(xiàn)出優(yōu)于單體系的抗震性能；若假設支撐出現(xiàn)斷裂且斷裂時刻較早，刪掉支撐的抗彎框架按任一層能獨立承擔25%結構基底剪力加強的雙重體系算例明顯體現(xiàn)出了較優(yōu)的抗震性能。建議雙重體系設計中抗彎框架的調(diào)整加強，宜按照刪掉支撐后任一層能獨立承擔結構基底剪力的25％來進行。
　　振動臺試驗及中心支撐鋼框架結構的抗震性能分析結果均表明，抗震規(guī)范GB50011