偏心支撑体系在多层钢结构框架中的应用研究

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1、万方数据第24卷第2期2007年6月华中科技大学学报(城市科学版)J，ofHUST．(UrbanScienceEdition)V01．24No．2Jun．2007偏心支撑体系在多层钢结构框架中的应用研究王元清1’2，王斌斌1’2，石永久1’2，刘歌青1’2，陈宏3(1-清华大学土木工程系，北京100084；2．清华大学结构工程与振动教育部重点实验室，北京100084；3．清华大学建筑设计研究院，北京100084)摘要：钢结构偏心支撑体系在国外已被广泛应用于多层钢框架中，而我国8～12层钢结构框架仍以混合型体系为主。为了推广这种体系，详细介绍了耗能梁的分类、

2、耗能梁对偏心支撑结构的作用、多层钢框架中弯曲型耗能梁——偏心支撑钢结构体系在弹性阶段对侧移的控制及设计。分析表明，这种新型体系受力性能合理、弹性刚度好、经济性能高，适用于在多层钢框架中应用。关键词：多层钢框架；偏心支撑体系；耗能梁中图分类号：TU352文献标识码：A文章编号：1672—7037(2007)02—0001—04目前，我国8～12层的多层钢结构框架多是混合结构，利用电梯井、楼梯间构成混凝土剪力墙或混凝土核心筒，以抵抗水平风荷载与地震作用。钢框架主要承受竖向垂直荷载，常用的钢框架体系主要包括纯框架体系、中心支撑体系和偏心支撑体系。纯框架结构在平面

3、布置上具有很大灵活性，有稳定的弹塑性滞回性质和良好的耗能性能。但是弹性刚度差，结构较柔，当侧移刚度成为设计控制时，需采用经济指标差的梁柱截面。中心支撑体系在弹性阶段具有良好的刚度，能有效控制结构侧移，是多重抗侧力体系。但中心支撑的延性和耗能能力小，支撑受压屈曲后易使结构丧失承载力而破坏，其布置影响建筑设计的灵活性。偏心支撑体系兼顾了纯框架结构与中心支撑体系的优点[¨。在正常使用阶段，偏心支撑具有较大的刚度，结构侧移较小；在大地震作用下，利用耗能梁段的塑性变型吸收能量，具有很好的耗能效果，并可防止支撑过早屈曲引起的承载能力的降低。其布置能够兼顾建筑设计的要求

4、。1偏心支撑耗能梁偏心支撑的每一个支撑至少有一端与刚架梁连接。梁中较短的一段称为耗能梁，长度为e(图1)。耗能梁根据屈服机制，分为剪切型、弯剪混合型和弯曲型耗能梁。耗能梁的长度决定耗能梁的类型。耗能梁长度较小时，截面剪力达到截面腹板的屈服剪力y，，形成剪切塑性铰，截面弯矩小于截面翼缘屈服弯矩蛑。由于剪力分布较图1单榀K形偏心支撑均匀，剪切塑性铰在耗能梁内分布范围较大，因此剪切型耗能梁具有更好的变形能力与耗能效果。随着长度的增加，耗能梁端部弯矩增加，耗能梁由剪切型向弯曲型过渡。当长度较大时，耗能梁端部的截面弯矩达到截面塑性弯矩坛，形成弯曲塑性铰。当耗能梁长度

5、达到剪切塑性铰的临界长度时，耗能梁端部弯矩为埘，临界长度理论值为[2]L。一ZM；／Y，。(1)多层框架梁多为工一字形截面(图2)，如忽略腹板对截面翼缘屈服弯矩懈的贡献，耗能梁形成剪切塑性铰的临界长l度近似为0‘●‘．-IL。=2~／3bftf／t。。(2)图2工字形刚架梁截面美国钢结构协会根据伯克利大学波波夫等人研究成果，建议耗能梁按照以下规则分类[3]剪切型耗能连梁e≤1．6蝇／V，；(3)混合型耗能连梁1．6M,／V，

6、钢材屈服强度；Z为刚架粱对强轴的截收稿日期：2006—12一14。作者简介：5E元清(1963一)。男，安徽霍山人，教授，博士，从事结构工程研究，wang—yq(孕rmail。tsinghua．edu．cn。万方数据·2·华中科技大学学报(城市科学版)面塑性矩。理论与试验的结果均说明耗能梁的分类仅与截面特性有关，与刚架梁的受力形式及结构布置等因素无关。2耗能梁长度对结构抗侧力性能的影响偏心支撑体系的性能受支撑的布置、耗能梁的长度、结构的高跨比及水平荷载等多种因素的影响，耗能梁的长度对偏心支撑的强度与刚度起控制作用。多层钢框架的层高多为3m，跨度5～8m，高

7、跨比(h／1)为0．35～O．7。本文选取高跨比分别为0．35，0．5及0．7的一榀偏心支撑结构，分析耗能梁长度e对偏心支撑体系性能的影响。当elL=0时，结构为K形中心支撑结构；当e／L=1时，结构为纯框架结构。结构分析中采用二维梁单元建立平面模型，梁柱受力均在弹性阶段。计算采用有限元分析软件ANSYS，可以得到以下结论。a．图3和4中，随着e的增加，结构刚度迅速下降。当e／L>O．5时，偏心支撑结构的刚度与纯框架的刚度很接近，偏心支撑对结构的刚度几乎没有贡献。雹瓣曝越魁区漆暮图3相对基本自振频率的比较图4相对侧移的比较b．由图5和6可觅，偏心支撑体系受

8、力合理。偏心支撑的存在减小刚架梁的跨度，降低了梁内最大弯矩，对刚架