偏心支撑耗能梁段内力分析及构造措施

吕 村，孟艳春

（1.青岛工学院，山东青岛 266300；2.青岛黄海学院，山东青岛 266427）

0 引言

近年来，偏心支撑钢框架这种结构形式应用越来越广泛，因为它的抗震性能较好，所以偏心支撑比较适用于Ⅷ度及以上的抗震设防的钢结构房屋，尤其是高层钢结构中。在罕遇地震下，因耗能梁受到剪力作用，从而发生剪切屈服，除柱底形成弯曲塑性铰之外，其余各部件均为弹性状态，避免了结构承载力降低，因耗能梁段具有很好的抗剪力，在罕遇地震下能具有钢框架类似的延性。在罕遇地震下：①利用了耗能梁段的非弹性的变形来进行耗能；②它最先发生剪切屈服。保证这两点之后才能很好的保护支撑斜杆的屈曲和后伸，以及相应增加了地震持续时间和抗震能力。在地震过程中，耗能梁充当保险丝的作用，使得支撑斜杆的轴向力得到了限制，避免了使其通过屈曲过大的力用来支撑，从而使得结构的耗能能力和延性得到了提高，所以在高烈度地震区，越来越多的开始采用偏心支撑这样一种结构体系[1]。

偏心支撑框架的典型形式如图1 所示，图中标字母“a”的梁段是耗能梁段，其作用是使支撑斜杆和梁的屈服顺序发生了变化[2]，即在罕遇地震下，最先通过耗能梁段非弹性的变形来耗能，使耗能梁最先发生屈服，进而使支撑斜杆后发生屈曲或不发生屈曲，相应地使结构的抗震持续时间延长，以达到节约钢材的目的。

1 耗能机构

1.1 耗能梁段长度

使整体框架结构不发生整体破坏，就要在耗能梁段处在弹塑性状态之时，梁、柱以及支撑斜杆均为弹性阶段，其他构件与耗能梁段之间常采用的是固接的形式。如图2 所示，图中为一耗能梁段的力学模型，其一端是固定端，另一端为定向支座。

图1 典型偏心支撑形式

图2 耗能梁段力学模型

耗能梁段的长度a 若满足公式（1），则为剪切屈服型，如果不满足公式（1），则耗能梁段为弯曲屈服型的。

其中：Mp-耗能梁段的塑性抗弯承载力；Vp-耗能梁段的塑性抗剪承载力[3]。

1.2 耗能梁段的截面设计

选择耗能梁段的截面时最好是首先要满足受剪面积，使得截面的高度满足最大值，从而使腹板发生剪切破坏。故在设计时，选择腹板面积最小的截面，另外，还应满足三点：①满足腹板高厚比的要求；②满足翼缘宽厚比的要求；③满足最小受剪面积。除此之外，还要符合《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中有关截面和翼缘宽厚比的规定[4]。

公式（2）是耗能梁段的剪力与框架的侧向荷载之间的简化关系：

式中：Vcum-上部楼层的侧向荷载所传来总的层间剪力；Va-耗能梁段剪力。

通过式（2）来计算耗能梁段剪力，同时取Vp=Va来进行估算耗能梁段的截面，这样在确定了耗能梁段的截面后，其他杆件也可以按照此原则来设计[6]，即耗能梁段屈曲甚至发生应变硬化时仍保持着弹性状态，则耗能梁段杆端弯矩为：

式中：Ma、Mb-耗能梁段杆端弯矩；Vu-耗能梁段的极限抗剪承载力；Mp为耗能梁段塑性抗弯承载力；Vp-抗剪承载力；a-耗能梁段净长；L-框架的跨度。

此外，为了使腹板的抗剪承载力得到提高，应分别在耗能梁段的两端设横向加劲肋，且不能在腹板上开洞，避免减小腹板的强度。此外，也不能采用加焊贴板来提高腹板强度[7]。

《建筑抗震设计规范》（GB 50010—2010）中规定：当耗能梁段长度时，中间加劲肋的间距要不大于30tw-h/5；当2.6Mp/Vp≤a≤5Mp/Vp时，中间加劲肋应设置在耗能梁段端部1.5bf处，且间距不应大于 52tw-h/5；当 1.6Mp/Vp≤a≤2.6Mp/Vp时，中间加劲肋的间距应采用插值法来得出；当a＞5Mp/Vp时，可不设置中间加劲肋。除此之外，当a＜2.6Mp/Vp时，应在距梁段两端距离为bf处设置加劲肋。腹板两侧加劲肋总宽度不得小于bf-2tw，厚度不小于10mm 或0.75tw。加劲肋须采用角焊缝的形式与梁连接起来[5]。

1.3 偏心支撑钢框架各构件之间的连接

抗震规范中，对所有框架结构中对抗震有一定要求的结构，在构造上，支撑梁段均应采用刚接的形式。AISC 中指出：当框架柱与耗能梁段相连时，只能采用剪切型耗能梁段[8]。对节点的拼接时，柱子与耗能梁段的翼缘相连时，采用深熔焊缝形式，同时柱上的外伸节点板与梁段的腹板应采用焊接而不能采用螺栓连接，因为螺栓连接会因螺栓节点受循环剪力的作用，使螺栓发生相对滑移，进而使柱与翼缘焊缝发生断裂。弯曲型梁段因为梁端弯矩较大，而普通框架节点又不能随塑性铰转动，故常不采用柱与耗能梁直接连接的方式。另外，耗能梁与柱的腹板直接相连的方式也行不通，是不符合强柱弱梁这项原则的[8]。

1.4 偏心支撑钢框架的抗震构造

为了保证柱子与支撑的弹性，支撑节点和耗能梁段的构造应满足以下的规定：

（1）因钢材屈服强度反而会降低钢材的延性，不能保证其屈服，因此用在耗能梁段的钢材屈服强度要不大于345MPa。

（2）提高耗能梁段腹板的方法不得采用加焊贴板的方式。此外，梁腹板也不能开洞，在梁腹板开洞会使耗能梁的性能变得复杂，难以预测。

（3）支撑斜杆与梁中线的交点一般是在耗能梁段两端，或者在其内部，但是交点不能在耗能梁外，这样会增加耗能梁和支撑弯矩，对抗震不利。

（4）支撑和梁之间的角度应该大于40°，小于50°。若角度小于40°，将不仅会使支撑的轴力增大，这样不经济。而且使得梁和柱与支撑的连接不方便，不利于现场施工。

2 总结

本文主要总结了耗能梁的内力计算与分析、钢框架的各构件连接及抗震措施，根据有关的规范给出相应的计算公式，为偏心支撑钢框架的分析提供了依据。