偏心支撐鋼框架性能介紹與設計要點

1、<p>　　偏心支撐鋼框架性能介紹與設計要點</p><p>　　摘 要：本文對偏心支撐鋼框架的抗震性能進行了簡單的介紹，比較了不同的偏心支撐的形式，并說明各種形式的優(yōu)缺點。然后對偏心支撐鋼框架消能梁段的設計方法進行了介紹，并為實際設計中采用這種支撐形式的結構提出了設計建議。 </p><p>　　關鍵詞：偏心支撐鋼框架；性能；設計 </p><p>　　

2、Abstract: This paper take a simple introduction to the seismic performance of eccentrically braced steel frame, compare different eccentric support in the form, and explain the advantages and disadvantages of various for

3、ms. Beam segments of the energy dissipation of eccentrically braced steel frame design method were introduced and the proposed design for the actual design of the structure of this support in the form of recommendations.

4、Keywords: eccentrically braced steel frame; performance; des</p><p>　　中圖分類號：TU391 獻標識碼： A 文章編號：2095-2104（2012）11-0020-02 </p><p>　　1.偏心支撐鋼框架性能簡介 </p><p>　　偏心支撐鋼框架是近二十年發(fā)展起來的、并在抗震設防八度

5、及以上的地震區(qū)的鋼結構建筑中得到較多的應用。它是在構造上使支撐至少有一端偏離梁和柱的軸線交點而與梁相交，另一端可在梁柱交點處進行連接，或偏離另一根支撐斜桿一端長度與梁相連，這樣就在支撐斜桿桿端與柱子之間或者兩根支撐斜桿的桿端之間構成了消能梁段。如圖1所示，為常見的幾種偏心支撐的類型和消能梁段的構成。 </p><p>　　與純框架和中心支撐框架相比，偏心支撐框架的優(yōu)點特別明顯：1）與純框架相比，偏心支撐框架每層的

6、支撐增大了抗側剛度和極限承載力，并具有與純框架相近的良好延性，但是梁截面卻比純框架中的梁截面小，這樣就有效的降低了結構的造價；2）與中心支撐框架相比，偏心支撐框架可有效的降低體系在罕遇地震下反應，有效的避免了鋼支撐失穩(wěn)所帶來的結構承載力的迅速下降和位移的急劇增大；并可縮小各樓層層間側移值的劇烈變化，使其趨于平穩(wěn)，而中心支撐框架各層間側移值大小相差懸殊，頂層與底層有時相差三倍；3）中心支撐框架中的支撐軸力明顯大于偏心支撐框架中的支撐軸力，

7、并 </p><p>　　1-框架柱2-支撐 3-消能梁段 4-框架梁 </p><p>　　圖1 偏心支撐常見的類型 </p><p>　　且中心支撐框架中底部幾層支撐在較大的壓力作用下非常容易發(fā)生失穩(wěn)并退出工作，而在偏心支撐框架中，由于消能梁段的非線性大變形保護了支撐不發(fā)生失穩(wěn)，保證了所用的支撐都在彈性范圍內工作；4）偏心支撐框架中的支撐斜桿的軸線偏離梁、柱軸線

8、交點，這樣使梁柱節(jié)點的構造得以簡化，并增加了布置門窗洞口的靈活性。5）不管是在多遇地震還是在罕遇地震作用下，偏心支撐框架都具有良好的控制變形的能力，可以用較少的材料來控制側移，從而取得良好的經濟效益。單在節(jié)省鋼材一方面，偏心支撐框架就比純框架節(jié)省約20%，比中心支撐框架節(jié)省約30%。 </p><p>　　偏心支撐鋼框架的滯回曲線呈豐滿的紡錘形,幾乎沒有“捏攏”現(xiàn)象和剛度退化,保證了偏心支撐鋼框架具有較大的耗能能

9、力。 </p><p>　　多遇震作用下，偏心支撐框架結構可以保持彈性；而在罕遇震作用下，在消能梁段發(fā)生剪切屈服之后，它通過剪切變形來耗散地震輸入的能量。消能梁段以外的框架各個構件（柱，支撐等）在相應消能梁段1.6倍設計抗剪承載力的荷載作用下，直到結構破壞仍然保持彈性工作狀態(tài)。這就說明消能梁段是結構體系中最薄弱的構件，它通過塑性變形有效地減小了支撐中的軸力，支撐受壓失穩(wěn)之類的非延性破壞就被杜絕了。單就變形狀態(tài)而言

10、，偏心支撐框架與中心支撐框架有本質的區(qū)別:中心支撐框架的主要變形因素為支撐斜桿的拉伸和受壓失穩(wěn)；而偏心支撐框架在水平荷載下的變形，主要集中在消能梁段，除了消能梁段發(fā)生較大的剪切塑性變形外，其余構件都處于彈性變形階段。水平地震作用下偏心支撐框架和中心支撐框架的變形如圖2所示。 </p><p>　　a)單斜桿偏心支撐b)八字形偏心支撐 c）中心支撐 </p><p>　　圖2 水平地震作用下

11、中心、偏心支撐的變形狀態(tài) </p><p>　　偏心支撐框架工作的基本原理是:在罕遇地震的作用下，通過消能梁段往復的剪切塑性變形來耗散地震輸入結構的能量，從而保證結構其它構件的彈性工作狀態(tài)，并使支撐不發(fā)生失穩(wěn)破壞。這樣就防止了結構的承載力迅速下降，增加了框架側向變形的延性，進一步提高了結構的整體安全性和抗震可靠度。由于消能梁段產生塑性變形時，結構的豎向承載力受到的影響非常小，所以保證了結構在罕遇地震作用下不至于發(fā)

12、生倒塌。 </p><p>　　在實際的設計中，我們還應該通過細部構造的設計來確保偏心支撐鋼框架優(yōu)越抗震性能的充分發(fā)揮。如可靠的梁柱連接以及消能梁段與支撐斜桿的連接都是偏心支撐框架桿件內力有效傳遞的保證。 </p><p>　　偏心支撐，在彈性形變階段時的抗側剛度非常接近中心支撐，而在彈塑性形變階段時，其延性和耗能能力則接近于延性框架，這就保證了結構在較小的水平荷載下有很大的剛度，而在較大

13、的水平荷載作用下有很強的變形能力，所以偏心支撐是一種抗震性能十分優(yōu)越的抗震構件。 </p><p>　　偏心支撐的設計原則是：強柱、強支撐、弱消能梁段。在罕遇地震作用下，較弱的消能梁段發(fā)生塑性剪切屈服產生了較大變形，消耗輸入結構的地震能量，從而保證支撐不屈曲，因此結構具有穩(wěn)定的滯回性能。即使當消能梁段屈服并進入應變硬化階段，支撐、框架柱、和橫梁的其余梁段仍能保持在彈性工作階段。圖3給出了兩種偏心支撐框架的塑性變形

14、機構。 </p><p>　　a)八字型偏心支撐框架b)單斜桿偏心支撐框架 </p><p>　　圖3偏心支撐框架的塑性變形機構 </p><p>　　2.消能梁段設計要點 </p><p>　　偏心支撐框架體系的性能很大程度上取決于消能梁段，結構在較大的水平荷載的作用下，消能梁段承受比較大的剪力和彎矩，使梁段發(fā)生非線性剪切變形，從而保證了結

15、構體系中其它構件處于彈性工作狀態(tài)。 </p><p>　　2.1消能梁段的計算模型 </p><p>　　消能梁段在復雜應力作用下，材料進入塑性狀態(tài)時的應力應變關系很復雜。對于同時承受較大剪力和彎矩的消能梁段，需要考慮二者共同作用下梁截面的屈服模型。 </p><p>　　根據(jù)不同的基本假定，能夠推導出不同的關系式。利用理想彈塑性理論推導和以及在其基礎上建立起來的簡

16、化公式不能很好地解釋一些試驗現(xiàn)象，在分析中應用也較為困難，這主要是由于消能梁段的應變硬化作用。從大量試驗研究來看，工字型消能梁段屈服時，彎矩和剪力的相互影響并不明顯，并且剪切屈服后的消能梁段由于應變硬化效應而使剪切承載能力將繼續(xù)增加，而彎曲屈服后的梁端彎矩將保持不變。文獻中推薦采用如圖4a）所示的簡化了的彎矩——剪力相互作用關系曲線。 </p><p>　　a）簡化的M-V相互作用關系 b）塑性鉸的形成過程 &l

17、t;/p><p>　　圖4剪力彎矩關系和塑性鉸的形成過程 </p><p>　　圖4b）對應消能梁段的幾種可能屈服形式及塑性鉸出現(xiàn)順序：情況1表示在消能梁段很短的情況下，梁段發(fā)生剪切屈服后剪力繼續(xù)的增大，這主要是由于應變硬化效應的作用。因為梁段長度很短，在其發(fā)生破壞時，兩端仍未發(fā)生彎曲屈服。情況2表示在消能梁段比較短的情況下，梁段先發(fā)生剪切屈服，由于應變硬化效應，剪切承載力繼續(xù)增加，與此同時兩

18、端彎矩也繼續(xù)增加。當梁段剪切變形達到或超過極限變形時，只有一端發(fā)生了彎曲屈服。情況3表示在消能梁段長度相當?shù)那闆r下，梁段發(fā)生剪切屈服，隨后剪力和兩端彎矩都在增加，并且兩端先后發(fā)生彎曲屈服，達到極限狀態(tài)。情況4表示在消能梁段比較長的情況下，它的一端首先發(fā)生彎曲屈服，然后在梁段中形成剪切鉸，直到另一端也發(fā)生彎曲屈服。情況5表示在消能梁段很長的情況下，當達到極限狀態(tài)時，梁只在兩端發(fā)生彎曲屈服而并未形成剪切鉸。 </p><

19、p>　　在偏心支撐框架設計中，對于其極限承載力的預先估計是很有必要的。在文獻中提到了對于偏心支撐框架采用極限分析法進行分析，并得到了各種形式的偏心支撐框架極限承載力計算的簡化公式。其中指出：在梁段不同屈服形式下的耗能計算方法也不相同： </p><p>　　1、剪切屈服并且兩端都彎曲屈服（見圖5a） </p><p>　　式中——梁所做的內虛功； </p><p&

20、gt;　　、——A端和B端的轉角； </p><p>　　——消能梁段的長度； </p><p>　　——梁段的剪切變形角； </p><p>　　——極限狀態(tài)下梁段的剪力，即應變硬化后的剪力。 </p><p>　　對上式進行整理得： </p><p><b>　?。?</b></p>

21、;<p>　　式中、——A端和B端的變形角。 </p><p>　　2、剪切屈服并且其中一端發(fā)生彎曲屈服 (見圖5b)) </p><p>　　假設A端發(fā)生彎曲屈服 </p><p><b>　?。?</b></p><p>　　式中、——A端和B端的轉角； </p><p>　　—

22、—梁段兩端的相對豎向位移； </p><p>　　——A端實際的塑性變形角。 </p><p>　　3、剪切屈服但兩端都未發(fā)生彎曲屈服 (見圖5c)) </p><p><b>　　a)b)c) </b></p><p>　　圖5三種屈服狀態(tài)以及相應的塑性變形 </p><p>　　2.2消能梁段

23、的變形 </p><p>　　在罕遇地震的作用下，結構的抗震能力取決于它在保持承載力的情況下吸收和耗散能量的能力。對于偏心支撐框架結構來說，大部分的能量耗散都通過消能梁段的剪切塑性變形來實現(xiàn)。但是消能梁段變形也不能過大，否則會導致與其連接的樓板因發(fā)生過大的變形而破壞。實驗證明：合理設計消能梁段，這些要求都可以得到滿足。 </p><p>　　消能梁段分剪切屈服型和彎曲屈服型。試驗研究表明：

24、剪切屈服型消能梁段對偏心支撐框架的抗震性能很有利。一方面，能使結構具有很大的彈性剛度，保證在多遇地震作用下結構的變形在允許范圍內；另一方面，當罕遇地震作用時，剪切性的消能梁段能夠在梁中較大的范圍內均勻的屈服，消耗更多能量。 </p><p>　　2.3消能梁段的承載力 </p><p>　　根據(jù) 《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程 (JGJ99-98)》第六章第五節(jié)中偏心支撐鋼框架的相關規(guī)定，有

25、關消能梁段的承載力計算要求如下： </p><p>　　1、消能梁段的塑性受剪承載力和塑性受彎承載力，以及梁段承受軸向力時的全塑性受彎承載力，應分別按照下式計算： </p><p>　　式中——梁段腹板計算高度； </p><p>　　——梁段腹板厚度； </p><p>　　——梁段截面的塑性抵抗矩； </p><p&g

26、t;　　——軸力產生的梁段翼緣平均正應力。 </p><p>　　2、消能梁段軸向力產生的梁段翼緣平均正應力，應該按照下式計算： </p><p>　　1）消能梁段凈長時： </p><p>　　2）消能梁段凈長時： </p><p>　　式中、——分別為梁段的剪力設計值和軸力設計值； </p><p>　　——梁段翼

27、緣寬度； </p><p>　　——梁段翼緣厚度 ； </p><p>　　——梁段截面面積。 </p><p>　　2.4消能梁段的構造要求 </p><p>　　消能梁段的構造應滿足下列要求： </p><p>　　當時，消能梁段的長度應符合下列規(guī)定： </p><p><b>　

28、　當時， </b></p><p><b>　　當時, </b></p><p>　　式中——消能梁段的長度； </p><p>　　——消能梁段軸向力設計值與剪力設計值之比。 </p><p>　　消能梁段的腹板不得貼焊補強板，也不得開洞。這是由于補強板提高了消能梁段的強度，使它不能及時地屈服，也不利于消能

29、梁段充分的變形。而開洞的消能梁段受力性能十分復雜，并且對于梁段的削弱會使梁段過早地破壞，這顯然對耗能不利。 </p><p>　　剪切型消能梁段腹板的塑性屈曲會導致其承載力和耗能能力的大大降低，設置腹板加勁肋，可以有效的防止腹板屈曲。通過與無加勁肋的消能梁段的剪力——位移滯回曲線可以看出：有加勁肋的消能梁段滯回曲線豐滿，其性能更好。同時加勁肋的間距選擇應合理，否則不能起到提高承載力的作用。對于腹板加勁肋的間距，我

30、國《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011作出了相關規(guī)定： </p><p>　　1、當a1.6時，加勁肋間距不大于(30－h(huán)/5)； </p><p>　　2、當2.6　　3、當1.6　　4、當a>5時，可不配置中間加勁肋； </p><p>　　5、中間加勁肋應與消能梁段的腹板等高，當消能梁段截面高度不大于640mm時，可配置單側加勁肋，消能梁段截面高度大于6

31、40mm時，應在腹板兩側配置加勁肋，一側加勁肋的寬度不應小于((/2－)，厚度不應小于和10mm。 </p><p>　　加勁肋與消能梁段通過三邊圍焊角焊縫進行連接。消能梁段與支撐的連接處，需設置與腹板等高的加勁肋，以傳遞梁段的剪力并防止消能梁段腹板屈曲。 </p><p><b>　　2.5其它構件 </b></p><p>　　偏心支撐框架

32、的設計是為了實現(xiàn)消能梁段以外的框架結構部分始終保持彈性。相比較之下，消能梁段以外的構件在水平力的作用下承受了較大的桿段彎矩和軸向力，而均布的剪力較低。為此，我國《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011規(guī)定：偏心支撐框架的內力設計值，應按下列要求調整： </p><p>　　1、支撐斜桿的軸力設計值，應取與支撐斜桿相連接的消能梁段達到受剪承載力時支撐斜桿軸力與增大系數(shù)的乘積，其值在8度及以下時不應小于1.4，9度時不應小

33、于1.5； </p><p>　　2、位于消能梁段同一跨的框架梁內力設計值，應取消能梁段達到受剪承載力時框架梁內力與增大系數(shù)的乘積，其值在8度及以下時不應小于1.5，9度時不應小于1.6； </p><p>　　3、框架柱內力設計值，應取消能梁段達到受剪承載力時柱內力與增大系數(shù)的乘積，其值在8度及以下時不應小于1.5，9度時不應小于1.6； </p><p>　　4

34、、支撐軸向力、框架柱的彎矩和軸向力、同跨框架梁的彎矩、剪力和軸向力設計值，須先乘以消能梁段受剪承載力與剪力設計值的比值(，小于1.0時取1.0)，再乘以以上規(guī)定的增大系數(shù)。 </p><p>　　支撐和梁之間的夾角不宜太小，應在35度到50度之間。如果小于35度，則會使支撐中的軸力設計值增大，使?jié)M足條件的支撐截面偏大，不夠經濟;另一方面，將使支撐與梁和柱的連接構造發(fā)生困難，也不利于現(xiàn)場施工。 </p>

35、<p><b>　　結 論： </b></p><p>　　偏心支撐框架的性能和一些設計要求進行了介紹，由上面的介紹和分析可知： </p><p>　　1、在罕遇地震時，偏心支撐框架就是通過消能梁段的塑性變形來保護框架的其它構件。 </p><p>　　2、偏心支撐鋼框架的耗能特性與消能梁段的長度有著非常直接的關系，設計時應當將消