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偏心支撑钢框架结构在高烈度情况下的抗震性能研究

范文

李灵君杜长虹

摘要：偏心支撑钢框架结构刚度大、延性好，具有良好的抗震性能。通过归纳整理偏心支撑钢框架结构在实际工程案例和有限元算例中的应用，本文发现耗能梁段总能率先屈服，耗散地震能量，保护整体结构。因此，偏心支撑钢框架结构是一种性能卓越的建筑结构。

关键词：偏心支撑钢框架;耗能梁段;抗震

中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）26-0095-03

Abstract： Eccentrically braced steel frame structure system has large rigidity， good ductility， and good seismic performance. by summarizing and sorting out the application of eccentrically braced steel frame structure in actual engineering cases and finite element calculation examples， this paper found that the energy dissipating beam section always yielded first， dissipating seismic energy and protecting the overall structure. Therefore， the eccentrically braced steel frame structure is a building structure with excellent performance.

Keywords： eccentrically braced steel frame;energy dissipating beam section;earthquake resistance

偏心支撑钢框架结构最主要的特点是支撑斜杆的一端或两端没有连接在梁柱节点处，而是连接在框架梁上或框架梁以外。这样就形成了一个特殊的结构部件——耗能梁段，位于支撑斜杆与柱之间（D型和V型）、斜杆与斜杆之间（K型）或支撑斜杆与梁之间（Y型），常见有4种形式，如图1所示，字母e处为耗能梁段。

1 偏心支撑钢框架结构的耗能梁段

耗能梁段是偏心支撑钢框架结构不可或缺的组成部分。因为耗能梁段的出现，在多遇地震发生时，耗能梁段处于线弹性的工作状态，像中心支撑钢框架结构一样具有很大的抗侧力刚度，侧向水平位移小，结构处于正常使用极限状态以内;在设防地震或罕遇地震发生时，因结构侧向位移加大，耗能梁段上出现比框架梁上大很多的内力，尤其是剪力，使得耗能梁段先于其他结构部件进入弹塑性状态，因塑性变形，耗能梁段将消耗大量输入结构的地震能量，保护框架梁、柱及支撑斜杆发生明显的非弹性变形，避免它们遭遇破坏，同时迅速衰减结构的地震响应，达到消能减震的目的。震后结构的损伤主要发生在耗能梁段上，只须修复或更换耗能梁段结构即可恢复正常使用，所需的时间和资金相对较少，这是一种性能相当优越的多高层钢结构抗震体系，尤其适用于高烈度情况。

2 偏心支撑钢框架结构体系在高烈度情况下的抗震性能研究综述

2.1 中美规范偏心支撑钢框架结构抗震设计对比研究

为了研究偏心支撑钢框架在高地震烈度地区的抗震性能，吴虹[1]特意选取了一幢抗震设防8度0.2 g、Ⅱ类场地、第三地震分组地区的综合高层建筑。其采用偏心支撑钢框架结构，共有34层，1～33层均为标准层，层高为3.25 m，34层为设备层，层高为2.4 m，结构总高度为109.65 m。

首先，该研究依据中国规范和美国规范对其进行了结构设计，对比了中美兩国在设计方法等方面存在的差异。在进行地震作用计算时，中国规范采用小震弹性反应谱的方法，美国规范应用弹塑性抗震设计方法，中国规范设计相对比较保守，未利用材料的屈曲后强度。耗能梁段的设计上，两国均设计为剪切屈服型，相比于弯曲屈服型，具有更好的耗能性能。

然后，该研究用Perform-3D软件就设计结果建立模型，评估抗震性能。静力弹塑性分析发现，用中国方法设计的偏心支撑框架部分构件截面尺寸相对较大，所以结构沿纵横两个方向的初始刚度和推覆分析的底部剪力最大值均大于美国的，中美两个设计结果的结构构件屈服次序一致，都是耗能梁段先发生剪切屈服，框架梁端再发生弯曲屈服，框架柱最后发生屈服，支撑斜杆不出现屈服或屈曲，与人们理论设定的目标完全一致，能够满足工程实际的要求，达到了抗震设防的目的。

动力弹塑性分析中，为了得到中美两个设计结果（以我国8度0.2 g烈度区为基准进行设计）的结构弹塑性地震响应，该研究在结构纵横两个方向分别输入8组不同的地震波。其中，6组是自然波，2组是人工波，6组自然波均包括2个水平方向、1个竖向三个方向的3条波。分析期间只考虑两水平方向的双向激励，在分析人工波时，纵横两个方向输入了不同的地震波以考虑双向激励，为了得到设计基准烈度区罕遇地震作用水准下结构的抗震性能，将8组地震波的地面峰值加速度都调幅至0.4 g。通过对8组地震波的地震响应分析发现，中美两个设计结果的结构构件屈服次序一致，仍为耗能梁段先发生剪切屈服，框架梁端再发生弯曲屈服，框架柱最后发生屈服，支撑斜杆不出现屈服或屈曲，从塑性铰出现的数量上来说，有85%～90%的耗能梁段发生屈服，30%左右的框架梁发生屈服，15%左右的框架柱发生屈服。由此看来，耗能梁段的确在偏心支撑钢框架结构中充当着“保险丝”的作用，保护其他结构构件免受损伤，保证了结构的稳定，避免了建筑结构倒塌带来人员伤亡和财产损失，而耗能梁段自身塑性变形发展充分，能够耗散大量的地震能量。

2.2 钢框架-偏心支撑结构体系在高烈度区工程中的应用研究

张谨等[2]以江苏宿迁的一文化体育中心办公楼项目为例开展了研究。该工程地处8度0.3 g抗震设防区，属于Ⅲ类建筑场地、第一组地震分组，特征周期为0.45 s，结构长为114 m，宽为28 m，高为65.4 m，地上有15层，地下有1层。

结构体系的确定过程中，该研究从钢结构、钢筋混凝土结构、无支撑、中心支撑、偏心支撑等方面列举了8种结构体系，通过精确计算和性能分析比较，最终确定为框架-偏心支撑结构，框架由矩形钢管混凝土柱和钢梁构成，且为D型偏心支撑。之所以选用该结构体系，是因为净建筑面积有所增加，结构施工速度快，周期短，耗能梁段震后损伤后修复更换相对来说容易，总的比较，该结构综合效益最好。

而后，该研究依据现行抗震规范，对与支撑斜杆和消能梁段处于同榀的框架梁及框架柱的内力进行放大调整，以确保结构为多道抗震防线的结构。为了进一步研究分析所选结构的抗震性能，该研究又用Perform-3D软件建立模型，对静、动力弹塑性进行了分析，通过静力推覆分析发现，结构构件的屈服顺序为耗能梁段先屈服，再就是框架梁，然后是支撑斜杆，最后是框架柱底，与事先理论分析的结果完全一致，达到了多道抗震设防的目的。

在动力弹塑性分析中，该研究选取了3组地震波，包括2组自然波和1组人工波，对结构进行了3向地震波激励，加速度峰值分别取300 cm/s2与510 cm/s2，以模拟中震和大震。分析发现，结构构件的屈服顺序仍为耗能梁段先发生剪切屈服，框架梁端再发生弯曲屈服，仅个别框架柱最后发生弯曲屈服，但程度很轻微，支撑斜杆不出现屈服或屈曲，完全符合预期状态。

大震作用下的地震输入能分布分析发现，结构塑性变形耗散了近一半的地震输入能量，然而耗能梁段的剪切屈服變形就耗散掉了这些能量的73%，钢梁弯曲屈服变形耗散掉了这些能量的26%，两者耗散能量的总和就达到了99%。这更说明了双层抗震设防的预想，耗能梁段就是偏心支撑钢框架结构的“保险丝”，在大震中能够消耗大量地震能量，保护其他结构构件的破坏，防止整体结构的失效、倒塌。

2.3 高层建筑偏心支撑钢框架抗震性能分析

为了分析偏心支撑钢框架结构的抗震性能，崔粉英[3]设计了一20层、层高3.6 m、纵横两个方向各3跨、跨度均为8 m的工程算例，用SAP2000对该算例建立分析模型，分别选用D型、K型、V型三种偏心支撑形式，每一种偏心支撑形式又设计了5种不同长度的耗能梁段，地震波选用Elcentro1940 n-s，记录峰值加速度为341.7 cm/s2。为了达到8度罕遇地震的要求，该研究对其做了调整，将加速度峰值放大到400 cm/s2。

通过动力弹塑性分析发现，三种偏心支撑钢框架结构形式都表现为随着耗能梁段的减小，结构的刚度增大，层间位移减小，因为其设置了耗能梁段，保护了支撑斜杆的受压损伤，结构刚度稳定。所以，偏心支撑钢框架的耗能梁段能够有效保护其他结构构件的屈服损伤破坏，防止结构倒塌。

2.4 含偏心支撑小高层钢框架结构的抗震性能

为了研究多层偏心支撑钢框架结构的抗震性能，熊俊等[4]利用SAP2000对内蒙古的某9层商住楼项目进行了有限元分析。项目结构平面尺寸为52.4 m×30.5 m，地上有9层，地下有1层，底层层高为4.5 m，标准层层高为4.2 m，结构总高度为38.1 m。钢框架柱为焊接箱形，钢框架梁和耗能梁段均为焊接H型钢，双向跨度均为7.2 m，采用K型偏心支撑结构形式，耗能梁段设计为弯曲屈服型，长度为1 800 mm，是跨度1/4，同时还建立了纯钢框架、中心支撑钢框架，以对比它们的抗震性能差异。

研究分析发现，纯钢框架抗侧刚度最小，中心支撑钢框架抗侧刚度最大，K型偏心支撑钢框架抗侧刚度居中，很接近中心支撑钢框架的能力，可以支撑斜杆的轴力，中心支撑明显大于偏心支撑。对三种结构输入多条地震加速度峰值为70 cm/s2的地震波，以模拟8度多遇地震，结果发现，偏心支撑钢框架结构的地震响应最小，优于中心支撑框架和纯框架。

在弹塑性动力分析时，该研究选取地震加速度峰值为400 cm/s2的地震波，输入三种结构，对其进行8度罕遇地震的时程分析，发现偏心支撑钢框架的顶点位移明显低于纯钢框架和中心支撑钢框架，且偏心支撑钢框架的顶点位移的峰值出现不止一次，再出现的峰值跟首次相比稍有衰减，而纯钢框架和中心支撑钢框架峰值过后衰减很厉害，再无峰值出现。这说明在罕遇地震中偏心支撑钢框架的耗能梁段发生塑性变形保护了其他结构构件，整体结构的刚度有所退化，但在合理范围之内，而中心支撑钢框架因支撑斜杆轴力过大，发生屈曲失稳，退出工作，使得整体结构的刚度退化严重，顶点位移位移较大。通过三者的比较分析，该研究充分说明偏心支撑钢框架结构的优越性和耗能梁段的“保险丝”效应。

3 结论

通过偏心支撑钢框架结构在实际工程案例和有限元算例中的应用发现，因设置了耗能梁段，在高烈度罕遇地震作用下，偏心支撑钢框架结构的结构变形主要发生在耗能梁段上，变形过程中耗散大量的地震能量，减小了整体结构及构件的地震响应，保护了它们的安全，就如同电路系统中的保险丝一样。所以，偏心支撑钢框架结构因耗能梁段的存在，成为一种有效且性能优越的抗震结构体系，尤其适用于高地震烈度的情况下。

参考文献：

[1]吴虹.中美规范偏心支撑钢框架结构抗震设计对比研究[D].南京：东南大学，2019.

[2]张谨，杨律磊，朱寻焱，等.钢框架-偏心支撑结构体系在高烈度区工程中的应用研究[J].建筑结构，2016（23）：10-17.

[3]崔粉英.高层建筑偏心支撑钢框架抗震性能分析[D].成都：西南交通大学，2008.

[4]熊俊，王元清，石永久，等.含偏心支撑小高层钢框架结构的抗震性能[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2010（1）：7-12.

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