Y型偏心支撑钢框架力学性能研究

【摘要】本文利用非线性有限元，分别对Y型偏心支撑框架、中心支撑框架、纯框架进行了多遇地震和罕遇地震时程分析，并对三种结构在多遇地震和罕遇地震下的性能分别作比较，验证了Y型偏心支撑框架具有更好的抗震性能。

【关键词】Y型偏心支撑框架；时程分析；非线性有限元

1 引言

纯框架具有良好的延性，但在罕遇地震下变形过大，中心支撑框架虽然具有良好的刚度，但在罕遇地震下，支撑容易失稳破坏。而偏心支撑框架具有纯框架和中心支撑框架二者的优点，在罕遇地震下具有良好的刚度和延性[1][2]。

2 模型设计

本文建立三榀7层单跨钢结构框架模型，分别为Y型偏心支撑框架，中心支撑框架，纯框架，见图1。

图1 偏心支撑框架、中心支撑框架、纯框架模型

模型的跨度为。层高。使用钢材，钢材的弹性摸量，切线摸量，抗拉强度设计值，抗剪强度设计值，泊松比，密度[3]。梁间荷载为。三个算例的梁、柱截面相同，中心支撑框架和偏心支撑框架的支撑截面相同。偏心支撑框架耗能段符合剪切屈服型的长度限值：[1]。地震波选用EL-centro波，根据《抗震规范》规定：八度设防烈度下，多遇地震加速度峰值为70gal，罕遇地震加速度峰值为341.7gal[4][5]。

3 多遇地震下抗震性能分析

从图2中可以看到，偏心支撑框架和中心支撑框架位移曲线平滑，纯框架的层间位移在第四层及第五层有突变。从图3中可以看到，偏心支撑框架的层间位移角的最大值为1/310，略小于《抗震规范》规定的1/300[4]，而中心支撑框架和纯框架的层间位移角最大值分别为1/177和1/118，大于1/300。从图4中可以看到，偏心支撑框架的层间剪力的最大值为，中心支撑框架层间剪力的最大值为，纯框架的层间剪力最大值为，约为中心支撑的层间剪力最大值的五分之一。从图5中可以看到，偏心支撑框架支撑轴力明显小于中心支撑框架轴力，具体数据见表1，首層最大值分别为和，中心支撑框架支撑轴力是偏心支撑框架的2倍多，支撑极限轴力由钢结构轴心受压构件的整体稳定极限承载力计算公式计算得到。偏心支撑框架支撑在多遇地震下的轴力的最大值只占其极限轴力的，而中心支撑框架为。另外，从表1中耗能段的内力数据知道，耗能段的剪力都没有达到极限剪力，的最大值发生在第一层，值为0.932，因此，在多遇地震下所有耗能段均没有达到屈服。

图2多遇地震下位移包络图 图3多遇地震下层间位移包络图

图4多遇地震下层间剪力图 图5多遇地震下支撑轴力图

表1 多遇地震下偏心支撑框架和中心支撑框架构件内力

层数 极限轴力 偏心支撑轴力 中心支撑轴力 耗能段极限剪力 耗能段剪力

1 10310 2256 0.218 5849 0.56 3573 3299 0.923

2 7950 1803 0.226 4785 0.60 3605 2396 0.664

3 6085 1620 0.266 3676 0.60 3605 2413 0.669

4 4771 1653 0.346 3052 0.64 3361 2319 0.690

5 4771 1285 0.269 3077 0.64 3361 1857 0.552

6 4451 1146 0.257 2467 0.55 2497 1725 0.691

7 4451 428 0.096 1391 0.31 2497 581 0.233

4 罕遇地震下抗震性能分析

从图6可以看到，纯框架的位移大于偏心支撑框架和中心支撑框架。从图7看到，偏心支撑框架和中心支撑框架的层间位移角都在塑性位移角限值之内，纯框架的层间位移角最大值达到。从图8可以看到，偏心支撑框架的层间剪力的最大值为，中心支撑框架层间剪力的最大值为，中心支撑框架层间剪力约为偏心支撑框架层间剪力的1.5倍，纯框架的层间剪力最大值为。从图9可以看到，偏心支撑框架支撑的轴力小于中心支撑框架支撑的轴力，偏心支撑框架支撑轴力与其极限承载力的比值都小于1，最大值为0.959，而中心支撑框架支撑轴力与其极限承载力的比值在第一层，第二层分别为1.969，2.14，已经超过极限承载力，在实际工程中已发生失稳破坏，其他层数据见表2。另外，从表2中耗能段的内力数据知道，耗能段的剪力除第七层外都已超过其极限剪力，的最大发值生在第一层，值为3.93，因此，在罕遇地震下大部分耗能段达到屈服。

图6罕遇地震下位移包络图 图7罕遇地震下层间位移包络图

图8罕遇地震下层间剪力图 图9罕遇地震下支撑轴力图

表2 偏心支撑框架和中心支撑框架支撑构件内力

层数 支撑极限轴力 偏心支撑轴力 中心支撑轴力 耗能段极限剪力 耗能段剪力

1 10310 9888 0.959 20308 1.96 3573 14050 3.93

2 7950 5434 0.683 14631 2.14 3605 8037 2.22

3 6085 4557 0.748 8003 1.38 3605 5508 1.52

4 4771 2894 0.606 6207 1.30 3361 4139 1.23

5 4771 2575 0.539 3355 1.15 3361 4028 1.19

6 4451 2232 0.501 3797 1.00 2497 2753 1.10

7 4451 1233 0.277 2140 0.51 2497 979 0.39

5 Y型偏心支撑框架构件应力分析

（1）多遇地震应力分析

图10（a）为耗能段剪应力图，从该图可以看到，耗能段的剪应力在腹板的中间最大，达到，剪应力接近钢材的剪切屈服，耗能段也接近全截面剪切屈服。图10（b）为耗能段與梁的节点处耗能段的正应力图，从该图可以看到，在多遇地震作用下，耗能段的正应力最大，没有达到钢材的轴心抗拉强度设计值，图10（c）为耗能段与梁节点处梁的正应力图，从该图可以看到，梁翼缘正应力为，没有达到钢材的轴心抗拉强度设计值。图10（d）为柱脚正应力图，从该图可以看到，在多遇地震下，偏心支撑框架柱的正应力为也没有达到钢材的轴心抗拉强度设计值，有一定的强度储备。图10（e）为支撑中部正应力图，从该图可以看到，支撑的中间部分应力分布比较均匀，多遇地震下的正应力没有达到钢材的抗拉强度设计值，有一定的强度储备。

（a） （b） （c） （d） （e）

（10）多遇地震作用下构件应力

（2）罕遇地震应力分析

图11（a）为耗能段剪应力图，从该图可以看到，耗能段的腹板全截面都屈服，只有在翼缘处剪应力较小。图11（b）为耗能段与梁的节点处耗能段的正应力图，从该图可以看到，耗能段翼缘处钢材应力为，翼缘钢材达到屈服，但腹板钢材没有屈服，耗能段端部没有形成弯曲塑性铰。图11（c）为耗能段与梁节点处梁的正应力图，从该图可以看到，梁翼缘正应力为，但梁的腹板钢材没有达到钢材的轴心抗拉强度设计值，梁的中部没有形成塑性铰。图11（d）为柱脚正应力图，从该图可以看到，偏心支撑框架柱脚的正应力在罕遇地震下两侧钢材已经受压屈服，中部钢材没有屈服，说明在罕遇地震下柱也没有形成塑性铰。图10（e）为支撑中部截面正应力图，从该图可以看到，支撑的中部截面应力分布比较均匀，罕遇地震下的正应力没有达到钢材的抗拉强度设计值，有一定的强度储备。

（a） （b） （c） （d） （e）

（11）罕遇地震作用下构件应力

6 分析与结论

1.在多遇地震和罕遇地震下，Y型偏心支撑框架结构有良好的刚度，层间位移角小于纯框架的层间位移角。而且，在多遇地震下，层间位移角小于1/300，结构处于弹性阶段，满足《抗震规范》对结构的弹性变形要求。在罕遇地震下结构有良好的延性，且层间位移角小于1/50，满足《抗震规范》对结构塑性变形要求。

2.在多遇地震和罕遇地震下梁、柱和支撑的内力比相同截面的中心支撑框架小。而且，在多遇地震下各构件的内力均没达到构件内力设计值，达到“小震不坏”的设防目标。在罕遇地震作用下，耗能段首先达到剪切屈服，保证梁、柱不破坏，支撑不产生失稳破坏，达到“大震不倒”的设防目标。

3.在多遇地震下，Y型偏心支撑框架各构件钢材剪应力和正应力均没有达到设计强度，结构处在弹性阶段。在罕遇地震下，Y型偏心支撑框架的梁、柱和支撑的部分钢材屈服，但梁、柱和支撑没有形成塑性铰，耗能段腹板钢材剪应力超过钢材抗剪强度设计值，形成剪切塑性铰。

因此，得出结论：Y型偏心支撑框架有优越的抗震性能。

参考文献：

[1] 贾子文，于安林.Y型支撑钢框架耗能梁段抗震性能研究[J].西安建筑科技大学硕论文，2001.17-20页、26-27页.

[2] 沈聚敏，周锡元，高小旺等.抗震工程学[M].北京：中国建筑出版社，2004.570页.

[3] 钢结构设计规程（GB 50017）.北京：2001.14-21页.

[4] 建筑抗震设计规范（GB 50011）.北京2001.27页、38-40页.

[5] 杨磊.钢结构交错桁架体系抗震性能研究[D].内蒙古工业大学硕士论文，2007.49页.

作者简介： 王飞 ，1982年7月，男，江苏徐州人，工程师。学历：研究生，研究方向：大跨度钢结构。