鋼結構隅撐—支撐框架的耗能性能分析0前言在一般的鋼結構建筑中,抗彎框架(MRF)和中心支撐框架(CBF)這兩種結構形式應用的最為廣泛。然而,這兩種結構形式都不能同時滿足剛度和延性的要求。抗彎框架結構具有較好的延性和耗能能力,但抗側移剛度不足,中心支撐框架結構雖然具有很大的抗側移剛度,但延性不足,在大震作用下,支撐容易屈曲失穩(wěn),造成結構整體失穩(wěn)破壞。為結合抗彎框架和中心支撐框架的優(yōu)點同時彌補它們的不足,美國加州大學伯克利分校的Roeder和Popov提出了偏心支撐框架(EBF)結構,與中心支撐框架結構不同,它的支撐至少有一端偏離梁柱節(jié)點,而是直接連在梁上,在支撐和柱之間形成耗能梁段。通過合理選取耗能梁段的長度,使結構既有較好的抗側移剛度,又能通過耗能連梁的剪切屈服產(chǎn)生很好的延性。在中小地震時,結構處于彈性階段;在強震時,耗能梁段進入塑性,利用梁的塑性變形來吸收能量,而支撐始終保持為彈性。偏心支撐框架較好地解決了中心支撐所存在的強度、剛度和耗能這3種性能不匹配的問題,兼有中心支撐框架強度與剛度好以及純框架耗能大的優(yōu)點。為此,偏心支撐框架結構曾一度得到了國內(nèi)外廣大學者和工程設計人員的青睞。很多國家的規(guī)范也都先后給出了偏心支撐框架結構的設計規(guī)定。但是,偏心支撐框架結構也有其致命的缺點,就是其很好的延性和耗能性能是以犧牲框架梁為代價的。只有當框架梁產(chǎn)生充分屈服時,偏心支撐框架結構的耗能性能和延性才能得到充分發(fā)揮,但這會導致樓層的嚴重破壞,而且由于框架梁是結構的主要構件,所以,修復起來非常困難。為了克服偏心支撐框架的這一嚴重缺陷,Aris2tizabal2Ochoa結合支撐的剛度和隅撐的耗能性能,提出了一種新的框架結構。在這種結構中,隅撐用作耗能構件,它的一端連在梁上,另一端連在柱上,支撐有一端連在隅撐上,支撐為框架提供剛度。但由于支撐被設計成細柔構件,在地震作用下支撐發(fā)生屈曲,因此結構的耗能性能得不到發(fā)揮,所以不適合用作抗震結構。后來,Balendra等人修改了這種結構體系,提出了隅撐—支撐框架(KBF),它在彈性階段具有與中心支撐框架相當?shù)膭偠?它在大震時又具有與偏心支撐框架相似的延性和耗能能力。隅撐—支撐框架是在偏心支撐框架的基礎上發(fā)展起來的,與偏心支撐框架相比,它具有結構主構件損壞小、震后修復容易的優(yōu)點[1]。1隅撐的耗能原理在隅撐—支撐鋼框架結構中,隅撐的主要用途只是在水平荷載作用下提供抗側移剛度和耗能作用,在豎向作用下不是結構的主要受力構件。1.1隅撐—支撐鋼框架的形式典型的隅撐—支撐框架由梁、柱、支撐和隅撐構成,其外形與中心支撐框架相似,只是支撐至少有一端與隅撐連接,但支撐的軸線與梁、柱的軸線匯交于一點。常見的隅撐—支撐框架如圖1所示。圖1a為典型的隅撐—支撐框架形式;圖1b所示的結構形式一般用于跨度較大的建筑中;圖1c為支撐上下兩端均與支撐相連的形式。圖1隅撐—支撐框架的形式1.2隅撐—支撐鋼框架的耗能機理隅撐—支撐鋼框架是一種具有耗能特性的抗側力結構體系,在風或地震水平荷載作用下,隅撐—支撐作為主要受力構件進行受力。當隅撐—支撐鋼框架受地震作用時,隅撐—支撐作為一個整體的具有耗能特性的抗側力體系進行工作。在“小震”作用下,隅撐—支撐為結構僅提供抗側移剛度,隅撐不屈服,使結構具有很好的抗側移能力。在“大震”作用下,隅撐發(fā)生剪切屈服,作為主要耗能構件進行滯回耗能,使結構具有較好的耗能性能和變形能力,從而保護了結構的主構件。在這種結構體系中,把隅撐用作“耗能保險絲”,使塑性破壞控制在結構的次要構件上,保證了結構的主要構件不破壞。為了更好地分析隅撐的耗能性能,圖2定性地給出了隅撐—支撐鋼框架在水平荷載作用下隅撐的內(nèi)力分布情況。圖2隅撐的內(nèi)力分布由內(nèi)力分布可知,隅撐具有梁單元的受力性能,并被支撐分成兩個耗能段,每個耗能段在水平力作用下將承受較高的彎矩和均布剪力,軸向力相對較低(和隅撐—支撐間的角度有關),其受力性能與偏心支撐框架中的耗能梁段相似。由于耗能段所受的剪力分布均勻,如不考慮局部高應變,一旦形成剪切塑性鉸,該鉸的分布范圍將很大,甚至充滿整個耗能段。因而剪切型耗能段具有非常好的變形能力,可以耗散更多的能量。據(jù)Engelhardt和Povov分析,細部構造合理的剪切型耗能段,其轉動角度可達0.1rad,而彎曲耗能段的轉角僅可達到0.02rad。所以,剪切型耗能段比彎曲型耗能段具有更好的延性和耗能能力,設計時應優(yōu)先選用剪切型耗能段[2]。2隅撐—支撐框架結構的耗能性能分析2.1分析方法本文使用非線性有限元軟件ANSYS來分析隅撐—支撐鋼框架結構的滯回性能。梁、柱和隅撐采用雙重非線性四節(jié)點矩形等參殼單元Shell181[3],支撐采用梁單元Beam188;兩種單元都考慮了幾何和材料兩種非線性,通過線性隨動強化的材料本構關系考慮鋼材鮑辛格效應;同時不考慮初始缺陷和殘余應力;假定材料為初始各向同性。均采用位移增量形式的牛頓—拉普森迭代法求解非線性有限元方程。2.2構件設計因為隅撐—支撐鋼框架的特色是水平作用力主要由隅撐來承受,損壞也僅發(fā)生在隅撐上,其他構件均不受損壞。因此,在設計構件的尺寸時,應使隅撐先屈服。為了使隅撐的耗能性能得以充分發(fā)揮,應使支撐的承載力大于隅撐屈服時的承載力的1.6倍[4],以保證支撐不屈曲。模型參數(shù)見圖3和表1。表1模型參數(shù)圖3分析模型簡圖2.3耗能分析2.3.1單調(diào)加載首先采用上述分析模型對1層單跨隅撐—支撐鋼框架進行了單調(diào)加載,采用位移控制加載。圖4給出了單調(diào)加載結束時的應力分布圖,可看出,隅撐上的應力超過了屈服應力,而且隅撐上的應力最大,說明隅撐受的力最大,最先破壞,結構的破壞原理和所設想的相同。單調(diào)加載下的水平力—位移曲線如圖5所示。從圖5可看出,隅撐首先屈服,在隅撐屈服后,框架仍保持彈性,在水平位移達到12.9mm時,框架才開始出現(xiàn)屈服,這說明在框架屈服前,隅撐可充分發(fā)生變形進行耗能,使結構具有很好的耗能性能和變形能力。圖4隅撐—支撐框架的單元應力云圖(kN/mm2)圖5單調(diào)加載時的頂點水平力—側向位移曲線2.3.2低周反復加載在單調(diào)加載的基礎上進行了低周反復加載,采用位移控制加載,所得滯回曲線如圖6所示。由圖6可知,隅撐—支撐鋼框架結構的滯回曲線飽滿而穩(wěn)定,而且沒有退化現(xiàn)象。這說明,隅撐—支撐鋼框架具有很好的耗能性能。圖6隅撐—支撐鋼框架的滯回曲線3結論隅撐—支撐鋼框架結構體系是一種耗能性能很好的抗側力結構體系。在風或地震水平荷載作用下,隅撐首先屈服并進行滯回耗能,從而保護了結構的主構件。根據(jù)分析結果可看出,隅撐—支撐鋼框架不僅耗能性能好,而且在框架破壞之前,隅撐可充分變形,使結構具有很好的延性,從而顯著地改善了結構的抗震性能。參考文獻:[1]BalendraT,YuCH,LeeFL.Aneconomicalstructuralsystemforwindearthquakeloads.EngineeringStructures,2001123:4912501.[2]陳富生,邱國攆,范重.高層建筑鋼結構設計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.[3]AlperUcak,PanosTsopelas.ANewInnovativeDesignConcept:Thin2WalledCorrugatedSteelColumns[A].WeiqingliuFuh-GwoYuanandPeterC.Chang.Proceedingsofthe3rdInternation2alConferenceonEarthquakeEng