半剛性連接鋼框架-支撐體系抗震性能的深度剖析與實(shí)踐探究一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，建筑行業(yè)面臨著日益增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)和需求。在各類建筑結(jié)構(gòu)體系中，鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、自重輕、施工速度快、工業(yè)化程度高以及可回收利用等顯著優(yōu)勢(shì)，在高層建筑、大跨度建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中，半剛性連接鋼框架-支撐體系作為一種高效且經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，逐漸成為建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和工程應(yīng)用的重要選擇。半剛性連接鋼框架-支撐體系是將鋼框架與支撐結(jié)構(gòu)相結(jié)合，并采用半剛性連接節(jié)點(diǎn)的一種結(jié)構(gòu)體系。傳統(tǒng)的鋼框架設(shè)計(jì)通常假定梁柱連接為完全剛接或理想鉸接，然而在實(shí)際工程中，所有連接在荷載作用下都會(huì)表現(xiàn)出一定的柔性，介于完全剛接和理想鉸接之間，即半剛性連接。半剛性連接具有獨(dú)特的力學(xué)性能，它能夠在一定程度上允許節(jié)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又能傳遞部分彎矩，這種特性使得結(jié)構(gòu)在受力時(shí)呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)剛接或鉸接框架不同的響應(yīng)。支撐結(jié)構(gòu)則能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的承載能力和穩(wěn)定性。將兩者結(jié)合形成的半剛性連接鋼框架-支撐體系，兼具了鋼框架的靈活性和支撐結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際建筑工程中，半剛性連接鋼框架-支撐體系已被廣泛應(yīng)用于各類建筑項(xiàng)目。在高層建筑中，這種結(jié)構(gòu)體系能夠有效地抵抗風(fēng)荷載和地震作用，保障建筑的安全和穩(wěn)定。在一些地震頻發(fā)地區(qū)，如日本、美國(guó)加州等地，許多建筑采用了半剛性連接鋼框架-支撐體系，以提高建筑的抗震性能。在大跨度建筑中，如體育場(chǎng)館、展覽館等，該體系能夠滿足大空間的使用需求，同時(shí)通過(guò)合理設(shè)計(jì)支撐布置和半剛性節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。在工業(yè)建筑領(lǐng)域，半剛性連接鋼框架-支撐體系也因其施工便捷、可根據(jù)工藝需求靈活布置等特點(diǎn)，得到了大量應(yīng)用。地震是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全最具威脅的自然災(zāi)害之一，其具有突發(fā)性和巨大的破壞力。在地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)需要具備足夠的抗震性能，以確保人員生命安全和減少財(cái)產(chǎn)損失。半剛性連接鋼框架-支撐體系的抗震性能研究具有至關(guān)重要的意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：保障生命財(cái)產(chǎn)安全：深入研究半剛性連接鋼框架-支撐體系的抗震性能，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更科學(xué)、合理的依據(jù)，提高建筑在地震中的安全性和可靠性，有效減少地震造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行精確分析，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)在地震時(shí)能夠保持穩(wěn)定，避免發(fā)生倒塌等嚴(yán)重破壞。推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展：對(duì)該體系抗震性能的研究有助于深化對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的理解，拓展和完善建筑結(jié)構(gòu)抗震理論。半剛性連接的非線性特性以及支撐與框架的協(xié)同工作機(jī)制，為結(jié)構(gòu)抗震研究帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。通過(guò)研究這些復(fù)雜的力學(xué)行為，可以開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)的分析方法和設(shè)計(jì)理論，推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷進(jìn)步。促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展：合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以在保證抗震性能的前提下，減少建筑材料的使用量，降低工程造價(jià)，提高資源利用效率，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展。半剛性連接鋼框架-支撐體系通過(guò)優(yōu)化節(jié)點(diǎn)連接和支撐布置，可以在滿足抗震要求的同時(shí)，減少鋼材的消耗，降低建筑的全生命周期成本。盡管半剛性連接鋼框架-支撐體系在工程中得到了應(yīng)用，但其抗震性能仍存在一些有待深入研究的問(wèn)題。半剛性連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能復(fù)雜，其彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系受到多種因素的影響，如連接形式、螺栓布置、鋼材性能等，目前對(duì)這些因素的綜合影響機(jī)制尚未完全明確。支撐與框架的協(xié)同工作機(jī)理在地震作用下也較為復(fù)雜，如何準(zhǔn)確考慮兩者之間的相互作用，優(yōu)化支撐布置和設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮支撐的作用，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，還需要進(jìn)一步研究。因此，開(kāi)展對(duì)半剛性連接鋼框架-支撐體系抗震性能的理論分析與試驗(yàn)研究具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值，有助于解決上述問(wèn)題，為該結(jié)構(gòu)體系的廣泛應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)于半剛性連接鋼框架-支撐體系的研究起步較早，在理論分析、試驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬等方面都取得了豐碩的成果。在理論分析方面，早在20世紀(jì)中葉，國(guó)外學(xué)者就開(kāi)始關(guān)注鋼框架連接的半剛性特性。Kishi和Chen提出了著名的三參數(shù)冪函數(shù)模型來(lái)描述半剛性連接的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系，該模型考慮了連接的初始剛度、極限彎矩和形狀參數(shù)，為半剛性連接的理論分析奠定了基礎(chǔ)。此后，眾多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究，不斷完善和改進(jìn)半剛性連接的理論模型。如Goto等通過(guò)對(duì)多種連接形式的試驗(yàn)研究，進(jìn)一步明確了不同連接參數(shù)對(duì)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系的影響，提出了更為精確的計(jì)算公式。在試驗(yàn)研究方面，國(guó)外開(kāi)展了大量的足尺試驗(yàn)和縮尺試驗(yàn)。其中，日本學(xué)者在地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方面取得了顯著成果。他們通過(guò)對(duì)不同類型半剛性連接鋼框架-支撐體系的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞模式、變形特性和耗能能力。美國(guó)的一些研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了一系列擬靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了半剛性連接節(jié)點(diǎn)在循環(huán)荷載作用下的性能，以及支撐與框架的協(xié)同工作機(jī)制。例如，F(xiàn)EMA（聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局）資助的相關(guān)研究項(xiàng)目，對(duì)不同支撐布置形式和半剛性連接類型的鋼框架進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供了重要的試驗(yàn)依據(jù)。在數(shù)值模擬方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析方法在半剛性連接鋼框架-支撐體系的研究中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)外學(xué)者利用ANSYS、ABAQUS等大型有限元軟件，建立了高精度的結(jié)構(gòu)模型，模擬結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的力學(xué)行為。通過(guò)數(shù)值模擬，不僅可以深入研究結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、變形規(guī)律和抗震性能，還能對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。如英國(guó)的一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)有限元模擬，對(duì)比了不同半剛性連接模型對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響，為實(shí)際工程中的連接選型提供了參考。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)半剛性連接鋼框架-支撐體系的研究也逐漸增多，在借鑒國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)的工程實(shí)際和規(guī)范要求，開(kāi)展了一系列有針對(duì)性的研究工作。在理論分析方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者在半剛性連接模型的改進(jìn)和完善上取得了一定進(jìn)展。一些學(xué)者考慮了節(jié)點(diǎn)的幾何非線性和材料非線性，提出了更符合實(shí)際情況的半剛性連接模型。同時(shí)，在支撐與框架協(xié)同工作的理論分析方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)建立力學(xué)模型，深入研究了支撐的受力特性和對(duì)框架的約束作用，以及半剛性連接對(duì)協(xié)同工作的影響。例如，文獻(xiàn)通過(guò)理論推導(dǎo)，給出了考慮半剛性連接的鋼框架-支撐體系在水平荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算方法。在試驗(yàn)研究方面，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。一些高校和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了半剛性連接鋼框架-支撐體系的擬靜力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)的滯回性能、延性、耗能能力以及破壞機(jī)理等。如完海鷹等對(duì)雙腹板頂?shù)捉卿撨B接的半剛性鋼框架進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，分析了節(jié)點(diǎn)的抗震性能和破壞模式。在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方面，清華大學(xué)等單位對(duì)不同類型的半剛性連接鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)和抗震性能。在數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，建立了可靠的數(shù)值模型，進(jìn)而開(kāi)展了參數(shù)分析，研究了各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。如通過(guò)有限元模擬，分析了節(jié)點(diǎn)剛度、支撐布置、結(jié)構(gòu)層數(shù)等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期、振型和地震響應(yīng)的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論支持。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)半剛性連接鋼框架-支撐體系的抗震性能研究已經(jīng)取得了許多重要成果，為該結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用提供了有力的理論支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。然而，目前的研究仍存在一些不足之處，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：半剛性連接節(jié)點(diǎn)模型的通用性和準(zhǔn)確性有待提高：雖然已經(jīng)提出了多種半剛性連接節(jié)點(diǎn)模型，但由于節(jié)點(diǎn)受力的復(fù)雜性，現(xiàn)有的模型在描述節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能時(shí)仍存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確反映各種因素對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的綜合影響。不同模型之間的計(jì)算結(jié)果也存在較大差異，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)證方法，這給實(shí)際工程設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。支撐與框架協(xié)同工作機(jī)理研究不夠深入：支撐與框架的協(xié)同工作是半剛性連接鋼框架-支撐體系抗震性能的關(guān)鍵，但目前對(duì)于兩者之間的協(xié)同工作機(jī)理研究還不夠全面和深入。在不同地震動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)階段，支撐與框架的相互作用規(guī)律尚未完全明確，如何優(yōu)化支撐布置和設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮支撐的作用，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，還需要進(jìn)一步研究?？紤]多種因素耦合作用的研究較少：實(shí)際工程中，半剛性連接鋼框架-支撐體系的抗震性能受到多種因素的影響，如材料非線性、幾何非線性、節(jié)點(diǎn)半剛性、支撐的屈曲和失效等，這些因素之間相互耦合，共同作用于結(jié)構(gòu)。然而，目前大多數(shù)研究?jī)H考慮了單一或少數(shù)因素的影響，對(duì)于多種因素耦合作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能研究較少，難以準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)在復(fù)雜地震作用下的真實(shí)響應(yīng)。缺乏完善的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范：盡管對(duì)半剛性連接鋼框架-支撐體系的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但目前還沒(méi)有形成一套完善的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，往往需要參考傳統(tǒng)剛接框架或鉸接框架的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果不夠合理，無(wú)法充分發(fā)揮該結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)。因此，迫切需要建立一套適用于半剛性連接鋼框架-支撐體系的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。綜上所述，對(duì)半剛性連接鋼框架-支撐體系抗震性能的研究仍有許多工作需要開(kāi)展。本文將針對(duì)上述研究不足，開(kāi)展理論分析與試驗(yàn)研究，以期為該結(jié)構(gòu)體系的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容半剛性連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究：對(duì)常用的半剛性連接節(jié)點(diǎn)，如頂?shù)捉卿撨B接、端板連接等，進(jìn)行詳細(xì)的力學(xué)性能分析?；诓牧狭W(xué)、彈性力學(xué)等理論，推導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系表達(dá)式，明確節(jié)點(diǎn)初始剛度、極限彎矩等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法?？紤]節(jié)點(diǎn)的幾何非線性和材料非線性，建立能夠準(zhǔn)確描述節(jié)點(diǎn)力學(xué)行為的理論模型，分析不同連接參數(shù)，如螺栓數(shù)量、角鋼尺寸、端板厚度等對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響規(guī)律。支撐與框架協(xié)同工作機(jī)理研究：建立考慮半剛性連接的鋼框架-支撐體系力學(xué)模型，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，分析支撐與框架在水平荷載作用下的內(nèi)力分布和變形協(xié)調(diào)關(guān)系。通過(guò)理論推導(dǎo)，得出支撐與框架協(xié)同工作的力學(xué)方程，明確支撐在體系中的受力特點(diǎn)和對(duì)框架的約束作用。研究不同支撐布置形式，如交叉支撐、人字形支撐、K形支撐等，對(duì)體系協(xié)同工作性能的影響，以及半剛性連接對(duì)協(xié)同工作機(jī)理的影響機(jī)制。半剛性連接鋼框架-支撐體系抗震性能數(shù)值模擬：利用大型有限元分析軟件ABAQUS，建立高精度的半剛性連接鋼框架-支撐體系有限元模型。在模型中，合理模擬半剛性連接節(jié)點(diǎn)的非線性行為，如采用彈簧單元模擬節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，考慮材料的非線性本構(gòu)關(guān)系和幾何非線性效應(yīng)。對(duì)建立的模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的自振周期、振型等動(dòng)力特性參數(shù)，分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性和薄弱部位。進(jìn)行多遇地震和罕遇地震作用下的時(shí)程分析，研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)、加速度響應(yīng)、內(nèi)力分布和耗能情況，評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能。開(kāi)展參數(shù)分析，研究節(jié)點(diǎn)剛度、支撐布置、結(jié)構(gòu)層數(shù)、結(jié)構(gòu)跨度等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。半剛性連接鋼框架-支撐體系抗震性能試驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)并制作半剛性連接鋼框架-支撐體系的縮尺模型，模型應(yīng)能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特征和連接形式。根據(jù)相似理論，確定模型的幾何尺寸、材料特性和加載制度，確保試驗(yàn)結(jié)果的有效性和可靠性。對(duì)制作好的模型進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，采用低周反復(fù)加載方式，模擬地震作用下結(jié)構(gòu)的受力過(guò)程。通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線、滯回曲線、應(yīng)變分布等數(shù)據(jù)，研究結(jié)構(gòu)的滯回性能、延性、耗能能力和破壞模式，分析結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為和抗震性能。進(jìn)行地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，將模型放置在振動(dòng)臺(tái)上，輸入不同特性的地震波，如El-Centro波、Taft波等，模擬結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震中的響應(yīng)。通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)、位移響應(yīng)和內(nèi)力變化，研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力特性和抗震性能，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性?；谠囼?yàn)與模擬結(jié)果的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究：根據(jù)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果，總結(jié)半剛性連接鋼框架-支撐體系的抗震性能特點(diǎn)和破壞規(guī)律，提出針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議?？紤]節(jié)點(diǎn)半剛性、支撐與框架協(xié)同工作等因素，建立適用于該結(jié)構(gòu)體系的抗震設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程，明確設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍和計(jì)算方法。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范和工程實(shí)際，將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程案例設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和本文提出的設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果，驗(yàn)證新設(shè)計(jì)方法的合理性和優(yōu)越性，為該結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。1.3.2研究方法理論分析方法：運(yùn)用材料力學(xué)、彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等基本理論，對(duì)半剛性連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能、支撐與框架的協(xié)同工作機(jī)理進(jìn)行深入分析。推導(dǎo)相關(guān)的力學(xué)公式和理論模型，為數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。通過(guò)理論分析，明確結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和工作機(jī)制，揭示各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律。數(shù)值模擬方法：利用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件具有強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠準(zhǔn)確模擬半剛性連接鋼框架-支撐體系的復(fù)雜力學(xué)行為。在數(shù)值模擬過(guò)程中，建立合理的有限元模型，包括單元類型選擇、材料參數(shù)定義、邊界條件設(shè)置等。通過(guò)數(shù)值模擬，可以對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速分析，得到結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確保數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)研究方法：通過(guò)擬靜力試驗(yàn)和地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，直接獲取半剛性連接鋼框架-支撐體系的抗震性能數(shù)據(jù)。擬靜力試驗(yàn)可以研究結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下的滯回性能、延性和耗能能力等；地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可以模擬結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震中的動(dòng)力響應(yīng)，研究結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞模式。試驗(yàn)研究能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，為理論分析和數(shù)值模擬提供驗(yàn)證和補(bǔ)充。在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)結(jié)構(gòu)的抗震性能特點(diǎn)和規(guī)律。對(duì)比分析方法：對(duì)不同研究方法得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如理論分析結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證各種方法的準(zhǔn)確性和可靠性，發(fā)現(xiàn)不同方法之間的差異和優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行對(duì)比分析，研究各參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響程度，從而確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式。在實(shí)際工程案例應(yīng)用中，對(duì)比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和本文提出的設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果，評(píng)估新設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)和可行性。二、半剛性連接鋼框架-支撐體系概述2.1體系構(gòu)成與工作原理半剛性連接鋼框架-支撐體系主要由鋼框架、支撐結(jié)構(gòu)以及半剛性連接節(jié)點(diǎn)三部分組成。各部分相互協(xié)同工作，共同承擔(dān)建筑結(jié)構(gòu)所承受的各種荷載，特別是在抗震過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。鋼框架是結(jié)構(gòu)體系的基本組成部分，由鋼梁和鋼柱通過(guò)半剛性連接節(jié)點(diǎn)連接而成，形成了結(jié)構(gòu)的基本骨架。鋼梁主要承受樓面?zhèn)鱽?lái)的豎向荷載，并將其傳遞給鋼柱。在水平荷載作用下，鋼梁也會(huì)參與抵抗水平力，通過(guò)與鋼柱的協(xié)同變形，為結(jié)構(gòu)提供一定的抗側(cè)力能力。鋼柱則是承擔(dān)豎向荷載和水平荷載的主要構(gòu)件，將上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載傳遞到基礎(chǔ)。在地震作用下，鋼柱需要具備足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。鋼框架的布置形式和構(gòu)件尺寸會(huì)影響結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力?？蚣艿目缍?、層數(shù)以及梁柱的截面尺寸等參數(shù)，都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。合理設(shè)計(jì)鋼框架的布置和構(gòu)件尺寸，能夠提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和抗震性能。支撐結(jié)構(gòu)是半剛性連接鋼框架-支撐體系的重要組成部分，其主要作用是提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的承載能力和穩(wěn)定性。支撐結(jié)構(gòu)通常由斜桿組成，根據(jù)斜桿的布置形式不同，可分為交叉支撐、人字形支撐、K形支撐等多種形式。不同的支撐布置形式具有不同的力學(xué)性能和適用范圍。交叉支撐形式簡(jiǎn)單，傳力直接，能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，適用于各種高度的建筑結(jié)構(gòu)；人字形支撐在提供抗側(cè)力的同時(shí)，還能對(duì)鋼梁起到一定的豎向支撐作用，適用于鋼梁跨度較大的情況；K形支撐則在一些特殊的建筑布局中具有較好的適應(yīng)性。在地震作用下，支撐結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)大部分的水平力，通過(guò)自身的軸向變形來(lái)消耗地震能量。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到水平地震力作用時(shí)，支撐斜桿會(huì)產(chǎn)生軸向拉力或壓力，將水平力傳遞到基礎(chǔ)，從而減少鋼框架的受力。支撐結(jié)構(gòu)的存在還可以改變結(jié)構(gòu)的振型和自振周期，使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)更加合理，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。半剛性連接節(jié)點(diǎn)是連接鋼梁和鋼柱的關(guān)鍵部位，其性能介于完全剛接和理想鉸接之間。半剛性連接節(jié)點(diǎn)能夠在一定程度上允許節(jié)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又能傳遞部分彎矩。這種特性使得結(jié)構(gòu)在受力時(shí)呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)剛接或鉸接框架不同的響應(yīng)。半剛性連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能主要通過(guò)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系來(lái)描述。常見(jiàn)的半剛性連接節(jié)點(diǎn)模型有三參數(shù)冪函數(shù)模型、線性模型等。在三參數(shù)冪函數(shù)模型中，通過(guò)初始剛度、極限彎矩和形狀參數(shù)三個(gè)參數(shù)來(lái)描述節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系。半剛性連接節(jié)點(diǎn)的形式多樣，常見(jiàn)的有頂?shù)捉卿撨B接、端板連接、腹板角鋼連接等。頂?shù)捉卿撨B接通過(guò)角鋼將鋼梁的上下翼緣與鋼柱連接，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，但節(jié)點(diǎn)剛度相對(duì)較??；端板連接則是通過(guò)在鋼梁端部設(shè)置端板，用螺栓將端板與鋼柱連接，節(jié)點(diǎn)剛度較大，承載能力較高，但構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜；腹板角鋼連接是在鋼梁腹板上設(shè)置角鋼與鋼柱連接，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)性能較好，但彎矩傳遞能力有限。不同的連接形式具有不同的力學(xué)性能和適用范圍，在實(shí)際工程中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。在地震作用下，半剛性連接鋼框架-支撐體系的各部分協(xié)同工作，共同抵抗地震力。地震波傳來(lái)時(shí)，結(jié)構(gòu)首先會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，鋼框架和支撐結(jié)構(gòu)會(huì)共同承擔(dān)水平地震力。由于支撐結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度較大，在地震初期，支撐結(jié)構(gòu)會(huì)承擔(dān)大部分的水平力，通過(guò)自身的軸向變形來(lái)消耗地震能量。隨著地震作用的持續(xù)，結(jié)構(gòu)的變形逐漸增大，半剛性連接節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放部分彎矩，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布更加合理。鋼框架也會(huì)通過(guò)自身的變形來(lái)抵抗地震力，與支撐結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，共同維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在這個(gè)過(guò)程中，半剛性連接節(jié)點(diǎn)的存在使得結(jié)構(gòu)能夠更好地適應(yīng)地震作用下的變形需求，避免因節(jié)點(diǎn)剛性過(guò)大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生脆性破壞。支撐結(jié)構(gòu)與鋼框架之間的協(xié)同工作也能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。二、半剛性連接鋼框架-支撐體系概述2.2半剛性連接節(jié)點(diǎn)特性2.2.1節(jié)點(diǎn)分類與特點(diǎn)半剛性連接節(jié)點(diǎn)在半剛性連接鋼框架-支撐體系中起著關(guān)鍵作用，其性能直接影響結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為和抗震性能。常見(jiàn)的半剛性連接節(jié)點(diǎn)類型豐富多樣，每種類型都有其獨(dú)特的構(gòu)造形式和力學(xué)特點(diǎn)。螺栓連接節(jié)點(diǎn)是較為常見(jiàn)的半剛性連接節(jié)點(diǎn)類型之一，其中頂?shù)捉卿撀菟ㄟB接節(jié)點(diǎn)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工便捷的優(yōu)點(diǎn)。這種節(jié)點(diǎn)通過(guò)在鋼梁的頂部和底部設(shè)置角鋼，利用螺栓將角鋼與鋼柱連接起來(lái)。在實(shí)際受力過(guò)程中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)承受彎矩時(shí)，角鋼會(huì)發(fā)生一定的變形，通過(guò)角鋼與螺栓之間的相互作用來(lái)傳遞彎矩。由于角鋼的變形能力和螺栓的預(yù)緊力等因素，頂?shù)捉卿撀菟ㄟB接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度相對(duì)較小，屬于柔性連接的范疇。但這種柔性也使得節(jié)點(diǎn)在一定程度上能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形，在地震等動(dòng)態(tài)荷載作用下，具有較好的耗能能力，能夠有效地吸收和耗散能量，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在一些對(duì)結(jié)構(gòu)變形要求不是特別嚴(yán)格的工業(yè)建筑或一般民用建筑中，頂?shù)捉卿撀菟ㄟB接節(jié)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)也是一種常見(jiàn)的螺栓連接節(jié)點(diǎn)形式，可細(xì)分為外伸端板連接和齊平端板連接。外伸端板連接是指端板從鋼梁端部向外伸出，通過(guò)螺栓與鋼柱連接；齊平端板連接則是端板與鋼梁端部平齊，同樣通過(guò)螺栓與鋼柱連接。這兩種連接方式都具有較高的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，能夠有效地傳遞彎矩，屬于剛性連接。端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)的承載能力較高，能夠承受較大的荷載，適用于對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和承載能力要求較高的建筑結(jié)構(gòu)，如高層建筑、大型商業(yè)建筑等。在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，端板的厚度、螺栓的數(shù)量和布置方式等因素會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的性能產(chǎn)生重要影響。增加端板厚度和螺栓數(shù)量可以提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，但同時(shí)也會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的成本和施工難度。腹板角鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)通過(guò)在鋼梁腹板上設(shè)置角鋼，并用螺栓將角鋼與鋼柱連接。這種連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)性能較好，能夠在一定程度上允許節(jié)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也能傳遞一定的彎矩。腹板角鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)適用于對(duì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)性能有要求的結(jié)構(gòu)，如一些需要適應(yīng)較大變形的結(jié)構(gòu)體系。在實(shí)際應(yīng)用中，腹板角鋼的尺寸、螺栓的規(guī)格和間距等參數(shù)會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的性能。合理設(shè)計(jì)這些參數(shù)，可以使節(jié)點(diǎn)在滿足轉(zhuǎn)動(dòng)性能要求的同時(shí)，保證其承載能力和穩(wěn)定性。焊接-螺栓混合連接節(jié)點(diǎn)結(jié)合了焊接和螺栓連接的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的承載能力和較好的施工性能。這種節(jié)點(diǎn)通常在工廠進(jìn)行部分焊接，然后在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，既保證了連接的強(qiáng)度，又提高了施工效率。焊接-螺栓混合連接節(jié)點(diǎn)適用于對(duì)連接強(qiáng)度和施工速度都有較高要求的工程。在地震作用下，焊接-螺栓混合連接節(jié)點(diǎn)能夠充分發(fā)揮焊接和螺栓連接的優(yōu)勢(shì)，有效地抵抗地震力，保證結(jié)構(gòu)的安全。不同類型的半剛性連接節(jié)點(diǎn)在構(gòu)造形式、力學(xué)性能和適用范圍上存在差異。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求、荷載條件、施工條件等因素，綜合考慮選擇合適的半剛性連接節(jié)點(diǎn)類型，以確保結(jié)構(gòu)的安全、經(jīng)濟(jì)和可靠。2.2.2節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系模型節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系模型是描述半剛性連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的重要工具，它能夠準(zhǔn)確地反映節(jié)點(diǎn)在不同荷載作用下的彎矩傳遞能力和轉(zhuǎn)動(dòng)特性，為半剛性連接鋼框架-支撐體系的設(shè)計(jì)和分析提供關(guān)鍵依據(jù)。常見(jiàn)的節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系模型有多種，其中Kishi-Chen冪函數(shù)模型應(yīng)用較為廣泛。Kishi-Chen冪函數(shù)模型是一種三參數(shù)模型，其表達(dá)式為M=\frac{{{R}_{ki}}\theta}{{{\left(1+\left(\frac{{{R}_{ki}}\theta}{{{M}_{u}}}\right)^{\frac{1}{n}}}\right)}^{n}}}，其中M表示節(jié)點(diǎn)彎矩，\theta表示節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角，{{R}_{ki}}為節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，反映了節(jié)點(diǎn)在受力初期抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，它與節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式、連接材料的性能以及螺栓的布置等因素密切相關(guān)；{{M}_{u}}是節(jié)點(diǎn)的極限彎矩，代表節(jié)點(diǎn)能夠承受的最大彎矩值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)彎矩達(dá)到極限彎矩時(shí)，節(jié)點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生破壞或失效；n為形狀參數(shù)，它決定了彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的形狀，不同的形狀參數(shù)會(huì)使曲線呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，從而反映出節(jié)點(diǎn)在不同受力階段的性能特點(diǎn)。模型參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能有著顯著的影響。節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度{{R}_{ki}}越大，在相同的轉(zhuǎn)角下，節(jié)點(diǎn)能夠傳遞的彎矩就越大，這意味著節(jié)點(diǎn)在受力初期能夠更有效地約束構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)具有更好的整體剛度。在一個(gè)多層鋼框架結(jié)構(gòu)中，如果節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大，那么在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)的側(cè)移就會(huì)相對(duì)較小，有利于保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，過(guò)大的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度也可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在地震等動(dòng)態(tài)荷載作用下，由于不能有效地吸收和耗散能量，而發(fā)生脆性破壞。節(jié)點(diǎn)極限彎矩{{M}_{u}}直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)的承載能力。當(dāng)節(jié)點(diǎn)所承受的彎矩接近或達(dá)到極限彎矩時(shí)，節(jié)點(diǎn)的性能會(huì)發(fā)生顯著變化，可能會(huì)出現(xiàn)塑性變形、螺栓松動(dòng)甚至斷裂等情況，從而影響結(jié)構(gòu)的整體安全性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力要求，合理確定節(jié)點(diǎn)的極限彎矩，以確保節(jié)點(diǎn)在各種荷載工況下都能滿足承載能力的要求。形狀參數(shù)n對(duì)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的形狀有著重要的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)n較小時(shí)，曲線在初始階段上升較快，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)在受力初期能夠快速傳遞彎矩，但隨著轉(zhuǎn)角的增大，彎矩的增長(zhǎng)速度會(huì)逐漸減緩，這意味著節(jié)點(diǎn)在后期的變形能力相對(duì)較強(qiáng)；當(dāng)n較大時(shí)，曲線的變化較為平緩，節(jié)點(diǎn)在整個(gè)受力過(guò)程中的彎矩傳遞能力相對(duì)較為均勻，但在變形較大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的承載能力可能會(huì)受到一定的限制。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的抗震要求和變形控制指標(biāo)，選擇合適的形狀參數(shù)，以優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的性能。除了Kishi-Chen冪函數(shù)模型外，還有其他一些模型，如線性模型、雙線性模型等。線性模型假設(shè)節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系為線性，即M={{R}_{k}}\theta，其中{{R}_{k}}為常數(shù)，代表節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。這種模型形式簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，但它不能準(zhǔn)確地反映節(jié)點(diǎn)在非線性階段的性能，只適用于節(jié)點(diǎn)變形較小的彈性階段。雙線性模型則將節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系分為彈性階段和塑性階段，在彈性階段采用一個(gè)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，在塑性階段采用另一個(gè)較小的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，能夠在一定程度上考慮節(jié)點(diǎn)的非線性性能，但與實(shí)際情況相比，仍存在一定的局限性。不同的節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工程問(wèn)題和分析精度要求，選擇合適的模型來(lái)描述半剛性連接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能。同時(shí)，還需要通過(guò)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬等方法，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的確定和驗(yàn)證，以提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3支撐類型及作用在半剛性連接鋼框架-支撐體系中，支撐類型豐富多樣，不同類型的支撐具有各自獨(dú)特的力學(xué)性能和作用特點(diǎn)，對(duì)體系的抗震性能提升效果也各有差異。偏心支撐是一種應(yīng)用較為廣泛的支撐類型，其支撐斜桿至少有一端與梁連接（不在柱節(jié)點(diǎn)處），另一端可連接在梁與柱相交處，或在偏離另一支撐的連接點(diǎn)與梁連接，并在支撐與柱之間或支撐與支撐之間形成耗能梁段。在地震作用下，偏心支撐的耗能梁段會(huì)率先進(jìn)入屈服狀態(tài)，通過(guò)塑性變形來(lái)消耗大量的地震能量。耗能梁段的剪切屈服耗能機(jī)制使得結(jié)構(gòu)具有較好的耗能能力，能夠有效地保護(hù)支撐斜桿，防止其發(fā)生屈曲，從而提高結(jié)構(gòu)的延性。與純框架結(jié)構(gòu)相比，偏心支撐的存在顯著提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)抵抗水平地震力的能力；與中心支撐框架相比，偏心支撐在耗能和延性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，使得結(jié)構(gòu)在地震中的表現(xiàn)更加穩(wěn)定和可靠。在一些高層建筑中，采用偏心支撐的半剛性連接鋼框架-支撐體系，在強(qiáng)震作用下，耗能梁段充分發(fā)揮耗能作用，結(jié)構(gòu)主體的損傷得到有效控制，保證了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性。隅撐支撐是在偏心支撐的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型支撐形式，其特點(diǎn)是隅撐一端與柱連接、另一端與梁連接，支撐斜桿至少一端與隅撐相連。隅撐支撐體系仍然是以鋼梁耗能段剪彎變形耗能為主，利用隅撐作為“耗能保險(xiǎn)絲”，將塑性破壞控制在結(jié)構(gòu)次要構(gòu)件上。在地震作用下，隅撐先于主框架進(jìn)入塑性變形階段，通過(guò)自身的變形來(lái)消耗地震能量，同時(shí)保證支撐桿件不屈曲，有效地保護(hù)了結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件。這種支撐形式在保證結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件不受破壞的同時(shí)，也提高了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。與偏心支撐相比，隅撐支撐在控制結(jié)構(gòu)破壞模式和保護(hù)主要構(gòu)件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠使結(jié)構(gòu)在地震中保持更好的完整性。在一些對(duì)結(jié)構(gòu)整體性要求較高的建筑中，隅撐支撐的應(yīng)用可以有效地減少結(jié)構(gòu)在地震中的損傷，降低修復(fù)成本。中心支撐是較為傳統(tǒng)的支撐形式，其支撐斜桿直接連接梁與柱節(jié)點(diǎn)，傳力路徑直接、明確。在水平荷載作用下，中心支撐能夠迅速將水平力傳遞到基礎(chǔ)，從而顯著提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。中心支撐形式簡(jiǎn)單，施工方便，在一些對(duì)結(jié)構(gòu)剛度要求較高、地震作用相對(duì)較小的建筑中應(yīng)用廣泛。在一些多層工業(yè)建筑中，采用中心支撐的半剛性連接鋼框架-支撐體系，能夠滿足結(jié)構(gòu)在正常使用荷載和一般地震作用下的剛度和承載能力要求。然而，中心支撐在地震作用下存在一定的局限性，當(dāng)支撐斜桿受壓時(shí)，容易發(fā)生屈曲，導(dǎo)致支撐的承載能力急劇下降，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。在大震作用下，中心支撐的屈曲可能引發(fā)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度退化，增加結(jié)構(gòu)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。屈曲約束支撐是一種新型的支撐形式，它由內(nèi)核受力單元和外圍約束單元組成。內(nèi)核受力單元主要承擔(dān)軸向力，外圍約束單元?jiǎng)t限制內(nèi)核受力單元的屈曲變形。屈曲約束支撐在拉壓狀態(tài)下都能充分發(fā)揮其力學(xué)性能，避免了普通支撐受壓屈曲的問(wèn)題，具有穩(wěn)定的滯回性能和良好的耗能能力。在地震作用下，屈曲約束支撐能夠有效地消耗地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。與其他支撐類型相比，屈曲約束支撐的耗能能力更強(qiáng)，能夠在更大程度上保護(hù)結(jié)構(gòu)主體。在一些高烈度地震區(qū)的重要建筑中，采用屈曲約束支撐的半剛性連接鋼框架-支撐體系，能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，保障建筑在地震中的安全。不同支撐類型在半剛性連接鋼框架-支撐體系中發(fā)揮著各自獨(dú)特的作用，對(duì)體系的抗震性能提升效果也各不相同。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)建筑的高度、抗震設(shè)防要求、場(chǎng)地條件等因素，合理選擇支撐類型，以充分發(fā)揮支撐的作用，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。三、抗震性能理論分析3.1力學(xué)模型建立3.1.1有限元模型的建立為深入探究半剛性連接鋼框架-支撐體系的抗震性能，本研究以某實(shí)際多層商業(yè)建筑的半剛性連接鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)為案例，借助大型通用有限元分析軟件ANSYS建立精細(xì)化有限元模型。該實(shí)際建筑位于抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，建筑高度為30m，共6層，平面尺寸為30m×20m，采用半剛性連接鋼框架-支撐體系，支撐形式為交叉支撐。在單元選擇方面，鋼梁、鋼柱以及支撐均選用ANSYS中的beam188單元。beam188單元是一種基于鐵木辛柯梁理論的三維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧軌蚝芎玫啬M梁、柱等構(gòu)件的彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等力學(xué)行為，適用于分析各種復(fù)雜受力情況下的梁、柱結(jié)構(gòu)。對(duì)于半剛性連接節(jié)點(diǎn)，采用combin39彈簧單元進(jìn)行模擬。combin39彈簧單元是一種具有非線性力-變形特性的單元，可用于模擬各種彈簧、阻尼器等非線性連接元件。通過(guò)合理設(shè)置combin39彈簧單元的參數(shù)，能夠準(zhǔn)確模擬半剛性連接節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系，反映節(jié)點(diǎn)的半剛性特性。在材料參數(shù)設(shè)定時(shí)，考慮到實(shí)際工程中常用的鋼材為Q345鋼，其彈性模量設(shè)定為2.06×10?MPa，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度為345MPa。這些參數(shù)是根據(jù)鋼材的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的，能夠準(zhǔn)確反映Q345鋼的力學(xué)性能。在模型中，鋼材的本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）。該模型能夠考慮鋼材在屈服后的強(qiáng)化特性，以及在反復(fù)荷載作用下的包辛格效應(yīng)，更真實(shí)地模擬鋼材在地震作用下的力學(xué)行為。在模擬過(guò)程中，通過(guò)定義材料的屈服強(qiáng)度、切線模量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼材本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確描述。在建立有限元模型時(shí)，嚴(yán)格按照實(shí)際結(jié)構(gòu)的尺寸和構(gòu)造進(jìn)行建模。對(duì)于鋼梁和鋼柱，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙準(zhǔn)確輸入其截面尺寸、長(zhǎng)度等參數(shù)。對(duì)于支撐，同樣按照實(shí)際布置和尺寸進(jìn)行建模。在模擬半剛性連接節(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的具體形式和尺寸，合理確定combin39彈簧單元的位置和參數(shù)。通過(guò)細(xì)致的建模，確保有限元模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。在邊界條件設(shè)置上，將鋼柱底部與基礎(chǔ)的連接簡(jiǎn)化為固接，即限制鋼柱底部的三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。這是因?yàn)樵趯?shí)際工程中，鋼柱底部通過(guò)地腳螺栓等方式與基礎(chǔ)牢固連接，能夠有效限制鋼柱的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。在施加荷載時(shí)，考慮到地震作用的復(fù)雜性，采用多遇地震和罕遇地震作用下的時(shí)程分析方法。根據(jù)建筑所在地區(qū)的地震動(dòng)參數(shù)，選取合適的地震波，如El-Centro波、Taft波等，并按照規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)幅，將調(diào)整后的地震波作為輸入荷載施加到模型上。同時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)的自重和樓面活荷載，將其作為靜力荷載先施加到模型上，再進(jìn)行地震作用下的動(dòng)力分析。通過(guò)以上步驟建立的有限元模型，能夠準(zhǔn)確模擬半剛性連接鋼框架-支撐體系在地震作用下的力學(xué)行為，為后續(xù)的抗震性能分析提供可靠的基礎(chǔ)。3.1.2理論模型的推導(dǎo)基于結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)和彈性力學(xué)等基本理論，本研究推導(dǎo)半剛性連接鋼框架-支撐體系的力學(xué)模型，以揭示其在荷載作用下的受力機(jī)理和變形規(guī)律。對(duì)于半剛性連接節(jié)點(diǎn)，采用Kishi-Chen冪函數(shù)模型來(lái)描述其彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系，其表達(dá)式為M=\frac{{{R}_{ki}}\theta}{{{\left(1+\left(\frac{{{R}_{ki}}\theta}{{{M}_{u}}}\right)^{\frac{1}{n}}}\right)}^{n}}}。在該模型中，M代表節(jié)點(diǎn)彎矩，\theta表示節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角，{{R}_{ki}}為節(jié)點(diǎn)初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，它反映了節(jié)點(diǎn)在受力初期抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，其大小與節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式、連接材料的性能以及螺栓的布置等因素密切相關(guān)。例如，在頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)中，角鋼的厚度、螺栓的直徑和數(shù)量等都會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度；{{M}_{u}}是節(jié)點(diǎn)的極限彎矩，即節(jié)點(diǎn)能夠承受的最大彎矩值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)彎矩達(dá)到極限彎矩時(shí)，節(jié)點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生破壞或失效；n為形狀參數(shù)，它決定了彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的形狀，不同的形狀參數(shù)會(huì)使曲線呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，從而反映出節(jié)點(diǎn)在不同受力階段的性能特點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，n的值在0.5-2之間，當(dāng)n較小時(shí)，曲線在初始階段上升較快，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)在受力初期能夠快速傳遞彎矩，但隨著轉(zhuǎn)角的增大，彎矩的增長(zhǎng)速度會(huì)逐漸減緩；當(dāng)n較大時(shí)，曲線的變化較為平緩，節(jié)點(diǎn)在整個(gè)受力過(guò)程中的彎矩傳遞能力相對(duì)較為均勻。在推導(dǎo)半剛性連接鋼框架-支撐體系的力學(xué)模型時(shí)，將結(jié)構(gòu)離散為梁?jiǎn)卧?、柱單元和支撐單元。?duì)于梁?jiǎn)卧椭鶈卧?，基于梁的彎曲理論，考慮節(jié)點(diǎn)半剛性的影響，建立單元的平衡方程和變形協(xié)調(diào)方程。以梁?jiǎn)卧獮槔?，在?jié)點(diǎn)處，由于半剛性連接的存在，節(jié)點(diǎn)彎矩不僅與梁端的相對(duì)轉(zhuǎn)角有關(guān)，還與節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度相關(guān)。通過(guò)引入節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的修正系數(shù)，將節(jié)點(diǎn)半剛性的影響納入到梁?jiǎn)卧钠胶夥匠讨小?duì)于支撐單元，根據(jù)其軸向受力特性，建立支撐單元的軸向力與變形的關(guān)系方程。支撐單元在體系中主要承受軸向拉力或壓力，其軸向變形與所受的軸向力成正比，通過(guò)胡克定律建立兩者之間的關(guān)系?？紤]支撐與框架的協(xié)同工作，建立整個(gè)體系的平衡方程。在水平荷載作用下，體系的平衡方程包括力的平衡和力矩的平衡。力的平衡要求體系在水平方向上所受的合力為零，即支撐所承受的水平力與框架所承受的水平力之和等于外部水平荷載；力矩的平衡要求體系繞某一點(diǎn)的總力矩為零，考慮到半剛性連接節(jié)點(diǎn)的彎矩傳遞，準(zhǔn)確建立力矩平衡方程。通過(guò)求解這些方程，可以得到體系在荷載作用下的內(nèi)力分布和變形情況。在推導(dǎo)過(guò)程中，采用矩陣位移法進(jìn)行求解。將結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量，通過(guò)建立單元?jiǎng)偠染仃嚭徒Y(jié)構(gòu)整體剛度矩陣，將單元的平衡方程組合成結(jié)構(gòu)的整體平衡方程。單元?jiǎng)偠染仃嚪从沉藛卧?jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)梁?jiǎn)卧?、柱單元和支撐單元的力學(xué)分析，利用材料力學(xué)和彈性力學(xué)的知識(shí)推導(dǎo)得到。結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣則是由各個(gè)單元?jiǎng)偠染仃嚢凑找欢ǖ囊?guī)則組裝而成，它反映了結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)特性。通過(guò)求解結(jié)構(gòu)整體平衡方程，可以得到節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算出各單元的內(nèi)力和變形。通過(guò)上述理論模型的推導(dǎo)，能夠?yàn)榘雱傂赃B接鋼框架-支撐體系的抗震性能分析提供理論基礎(chǔ)，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。3.2抗震性能指標(biāo)分析3.2.1自振特性分析自振特性是結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)狀態(tài)下的固有屬性，主要包括自振頻率和振型，它們對(duì)于評(píng)估半剛性連接鋼框架-支撐體系的抗震性能具有重要意義。自振頻率反映了結(jié)構(gòu)振動(dòng)的快慢，而振型則描述了結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中的變形形態(tài)。通過(guò)理論計(jì)算和有限元分析求解體系的自振頻率和振型，能夠深入了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，為抗震設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵依據(jù)。在理論計(jì)算方面，基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)于多自由度體系，其自由振動(dòng)方程可表示為[M]\{\ddot{u}\}+[C]\{\dot{u}\}+[K]\{u\}=\{0\}，其中[M]為質(zhì)量矩陣，[C]為阻尼矩陣，[K]為剛度矩陣，\{\ddot{u}\}、\{\dot{u}\}、\{u\}分別為加速度向量、速度向量和位移向量。對(duì)于無(wú)阻尼體系，[C]=\{0\}，方程簡(jiǎn)化為[M]\{\ddot{u}\}+[K]\{u\}=\{0\}。假設(shè)結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，即\{u\}=\{\varphi\}\sin(\omegat+\theta)，代入方程可得([K]-\omega^{2}[M])\{\varphi\}=\{0\}，這是一個(gè)關(guān)于自振頻率\omega和振型向量\{\varphi\}的特征值問(wèn)題。通過(guò)求解該特征值問(wèn)題，可以得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。在求解過(guò)程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體形式和邊界條件，確定質(zhì)量矩陣和剛度矩陣。對(duì)于半剛性連接鋼框架-支撐體系，由于半剛性連接節(jié)點(diǎn)的存在，剛度矩陣的計(jì)算需要考慮節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，采用如前文所述的Kishi-Chen冪函數(shù)模型來(lái)描述節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)剛度矩陣的影響。利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析，也可以得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。在ANSYS中，通過(guò)建立如前文所述的精細(xì)化有限元模型，選擇合適的單元類型、材料參數(shù)和邊界條件后，進(jìn)行模態(tài)分析設(shè)置。ANSYS提供了多種模態(tài)提取方法，如子空間法、分塊Lanczos法、PowerDynamics法等。對(duì)于半剛性連接鋼框架-支撐體系這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，通常采用分塊Lanczos法，該方法具有求解精度高、計(jì)算速度較快的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大型對(duì)稱特征值求解問(wèn)題。在分析過(guò)程中，設(shè)置提取的模態(tài)階數(shù)，一般根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和實(shí)際需求，提取前幾階甚至十幾階模態(tài)。通過(guò)ANSYS計(jì)算得到的自振頻率和振型結(jié)果，能夠直觀地展示結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。自振特性對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能有著重要的影響。自振頻率與地震動(dòng)卓越周期的關(guān)系密切影響著結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振頻率與地震動(dòng)卓越周期接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)急劇增大，結(jié)構(gòu)所承受的地震力和變形顯著增加，從而增加結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。在1985年墨西哥地震中，許多建筑由于自振頻率與當(dāng)時(shí)地震動(dòng)卓越周期相近，發(fā)生了強(qiáng)烈的共振，導(dǎo)致大量建筑倒塌。相反，若結(jié)構(gòu)的自振頻率遠(yuǎn)離地震動(dòng)卓越周期，結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)相對(duì)較小，地震力和變形得到有效控制，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到保障。振型也對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生重要作用。不同階振型反映了結(jié)構(gòu)在不同振動(dòng)形態(tài)下的變形特征。在地震作用下，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)往往是多種振型的組合。一般來(lái)說(shuō)，低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)貢獻(xiàn)較大，因?yàn)榈碗A振型對(duì)應(yīng)的自振頻率較低，更容易與地震動(dòng)中的低頻成分發(fā)生共振。在抗震設(shè)計(jì)中，需要重點(diǎn)關(guān)注低階振型下結(jié)構(gòu)的變形和受力情況，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸和布置，以提高結(jié)構(gòu)在低階振型下的抗震能力。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)振型的分析，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，如某些構(gòu)件在特定振型下的變形較大，受力較為集中，這些部位在設(shè)計(jì)中需要加強(qiáng)，以提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。3.2.2地震響應(yīng)分析地震響應(yīng)分析是評(píng)估半剛性連接鋼框架-支撐體系抗震性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)運(yùn)用振型分解反應(yīng)譜法和動(dòng)力時(shí)程分析法，可以準(zhǔn)確計(jì)算體系在地震作用下的內(nèi)力和位移響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。振型分解反應(yīng)譜法是利用單自由度體系反應(yīng)譜和振型分解原理，解決多自由度體系地震反應(yīng)的計(jì)算方法。該方法考慮了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性（自振周期、振型和阻尼）與地震動(dòng)特性之間的關(guān)系，通過(guò)反應(yīng)譜來(lái)計(jì)算由結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性所產(chǎn)生的動(dòng)力反應(yīng)（結(jié)構(gòu)位移、速度和加速度）。對(duì)于半剛性連接鋼框架-支撐體系，首先通過(guò)前文所述的方法求解結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。設(shè)結(jié)構(gòu)有n個(gè)自由度，其第j階振型對(duì)應(yīng)的自振頻率為\omega_j，振型向量為\{\varphi_j\}。根據(jù)振型分解原理，結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)\{u(t)\}可以表示為各階振型位移響應(yīng)的線性組合，即\{u(t)\}=\sum_{j=1}^{n}q_j(t)\{\varphi_j\}，其中q_j(t)為第j階振型的廣義坐標(biāo)。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，第j階振型的運(yùn)動(dòng)方程為\ddot{q}_j(t)+2\xi_j\omega_j\dot{q}_j(t)+\omega_j^{2}q_j(t)=-\gamma_j\ddot{x}_g(t)，其中\(zhòng)xi_j為第j階振型的阻尼比，\gamma_j為第j階振型的振型參與系數(shù)，\ddot{x}_g(t)為地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程曲線。通過(guò)求解該方程，可以得到第j階振型的廣義坐標(biāo)q_j(t)。在實(shí)際計(jì)算中，利用反應(yīng)譜曲線來(lái)確定地震作用下的最大反應(yīng)。反應(yīng)譜曲線是周期為橫軸，反應(yīng)（位移、速度和加速度）為縱軸的反應(yīng)-周期關(guān)系曲線。根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振周期T_j=2\pi/\omega_j，從反應(yīng)譜曲線上查得對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)\alpha_j，則第j階振型的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值F_{j}可表示為F_{j}=\alpha_j\gamma_jG\{\varphi_j\}，其中G為結(jié)構(gòu)的總重力荷載代表值。得到各階振型的地震作用后，按照一定的組合原則，如平方和開(kāi)方（SRSS）法或完全二次型組合（CQC）法，對(duì)各階振型的地震作用效應(yīng)進(jìn)行組合，從而得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的總內(nèi)力和位移響應(yīng)。在實(shí)際工程中，對(duì)于規(guī)則結(jié)構(gòu)，可采用SRSS法進(jìn)行組合；對(duì)于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，考慮到各振型之間的耦合作用，宜采用CQC法進(jìn)行組合，以更準(zhǔn)確地計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。動(dòng)力時(shí)程分析法是直接輸入地震動(dòng)加速度時(shí)程，對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行逐步積分求解，得到結(jié)構(gòu)在整個(gè)地震過(guò)程中的內(nèi)力和位移響應(yīng)時(shí)程。在利用ANSYS進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，根據(jù)建筑所在地區(qū)的地震動(dòng)參數(shù)，選取合適的地震波，如El-Centro波、Taft波等，并按照規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)幅。在ANSYS中，將調(diào)整后的地震波作為加速度荷載施加到建立好的有限元模型上，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的自重和樓面活荷載，將其作為靜力荷載先施加到模型上，再進(jìn)行地震作用下的動(dòng)力分析。通過(guò)設(shè)置合適的時(shí)間步長(zhǎng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值積分，如采用Newmark-\beta法等逐步積分算法，得到結(jié)構(gòu)在每個(gè)時(shí)間步的內(nèi)力和位移響應(yīng)。在分析過(guò)程中，需要合理設(shè)置阻尼模型，常用的阻尼模型有瑞利阻尼，通過(guò)確定阻尼比和阻尼系數(shù)，考慮結(jié)構(gòu)的阻尼耗能特性。通過(guò)動(dòng)力時(shí)程分析，可以得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的詳細(xì)響應(yīng)過(guò)程，包括不同時(shí)刻的位移、加速度、內(nèi)力等，能夠更直觀地了解結(jié)構(gòu)在地震中的受力和變形情況，為結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估提供全面的數(shù)據(jù)支持。振型分解反應(yīng)譜法和動(dòng)力時(shí)程分析法各有特點(diǎn)。振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠快速得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大反應(yīng)，適用于一般工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。然而，該方法是基于彈性反應(yīng)譜理論，沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中的非線性行為，對(duì)于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)或地震作用強(qiáng)烈的情況，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在一定偏差。動(dòng)力時(shí)程分析法能夠考慮結(jié)構(gòu)的非線性特性和地震動(dòng)的隨機(jī)性，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算量較大，需要耗費(fèi)較多的計(jì)算資源和時(shí)間。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常將兩種方法結(jié)合使用，對(duì)于一般結(jié)構(gòu)，先采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，再根據(jù)需要采用動(dòng)力時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算和驗(yàn)證；對(duì)于重要結(jié)構(gòu)或復(fù)雜結(jié)構(gòu)，則以動(dòng)力時(shí)程分析法為主，結(jié)合振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行綜合分析，以確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性。3.2.3耗能能力分析在地震作用下，半剛性連接鋼框架-支撐體系需要具備良好的耗能能力，以吸收和耗散地震能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，保障結(jié)構(gòu)的安全。分析體系在地震作用下的耗能機(jī)制，計(jì)算滯回曲線面積等耗能指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確評(píng)估體系的耗能能力。半剛性連接鋼框架-支撐體系的耗能機(jī)制較為復(fù)雜，涉及多個(gè)方面。支撐結(jié)構(gòu)在耗能過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。在地震作用下，支撐斜桿會(huì)承受軸向拉力或壓力，通過(guò)自身的軸向變形來(lái)消耗地震能量。對(duì)于偏心支撐，其耗能梁段會(huì)率先進(jìn)入屈服狀態(tài)，通過(guò)塑性變形來(lái)消耗大量的地震能量。耗能梁段的剪切屈服耗能機(jī)制使得結(jié)構(gòu)具有較好的耗能能力，能夠有效地保護(hù)支撐斜桿，防止其發(fā)生屈曲。屈曲約束支撐在拉壓狀態(tài)下都能充分發(fā)揮其力學(xué)性能，避免了普通支撐受壓屈曲的問(wèn)題，具有穩(wěn)定的滯回性能和良好的耗能能力。在地震作用下，屈曲約束支撐能夠通過(guò)內(nèi)核受力單元的塑性變形來(lái)消耗地震能量，為結(jié)構(gòu)提供可靠的耗能保障。半剛性連接節(jié)點(diǎn)也對(duì)體系的耗能能力有重要貢獻(xiàn)。由于半剛性連接節(jié)點(diǎn)能夠在一定程度上允許節(jié)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，在地震作用下，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)變形，通過(guò)節(jié)點(diǎn)處材料的塑性變形和摩擦等方式來(lái)消耗能量。在頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)中，角鋼與螺栓之間的相對(duì)滑移以及角鋼的塑性變形都會(huì)消耗地震能量；端板連接節(jié)點(diǎn)在承受彎矩時(shí)，端板與螺栓之間的相互作用以及端板的局部屈曲等也會(huì)產(chǎn)生耗能。這些節(jié)點(diǎn)的耗能作用使得結(jié)構(gòu)在地震中的受力更加合理，能夠有效地減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。通過(guò)計(jì)算滯回曲線面積等耗能指標(biāo)，可以定量評(píng)估體系的耗能能力。滯回曲線是結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載作用下，荷載與位移之間的關(guān)系曲線，它能夠直觀地反映結(jié)構(gòu)的耗能特性。在ANSYS有限元分析中，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周反復(fù)加載模擬，得到結(jié)構(gòu)的滯回曲線。在模擬過(guò)程中，按照一定的加載制度，如位移控制加載，逐漸增加加載幅值，記錄結(jié)構(gòu)在每個(gè)加載步的荷載和位移數(shù)據(jù)，從而繪制出滯回曲線。滯回曲線所包圍的面積即為結(jié)構(gòu)在一個(gè)加載循環(huán)內(nèi)消耗的能量，通過(guò)對(duì)多個(gè)加載循環(huán)的滯回曲線面積進(jìn)行累加，可以得到結(jié)構(gòu)在整個(gè)加載過(guò)程中的耗能總量。耗能總量越大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的耗能能力越強(qiáng)。等效粘滯阻尼比也是評(píng)估結(jié)構(gòu)耗能能力的重要指標(biāo)，它是根據(jù)能量等效原理定義的。結(jié)構(gòu)在地震作用下的耗能可以等效為一個(gè)具有粘滯阻尼的體系在相同振動(dòng)情況下的耗能，等效粘滯阻尼比\xi_{eq}的計(jì)算公式為\xi_{eq}=\frac{1}{2\pi}\frac{E_D}{E_S}，其中E_D為結(jié)構(gòu)在一個(gè)加載循環(huán)內(nèi)消耗的能量，即滯回曲線所包圍的面積；E_S為結(jié)構(gòu)在彈性階段的最大應(yīng)變能。等效粘滯阻尼比越大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的耗能能力越強(qiáng)。在實(shí)際工程中，等效粘滯阻尼比可以作為評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要參數(shù)，用于比較不同結(jié)構(gòu)體系或不同設(shè)計(jì)方案的耗能能力。通過(guò)計(jì)算和分析等效粘滯阻尼比，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在地震中的抗震性能。3.3影響因素分析3.3.1半剛性連接剛度的影響半剛性連接剛度是影響半剛性連接鋼框架-支撐體系抗震性能的關(guān)鍵因素之一，其大小直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)和性能表現(xiàn)。通過(guò)改變半剛性連接剛度參數(shù)，深入分析其對(duì)體系自振特性、地震響應(yīng)和耗能能力的影響規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高結(jié)構(gòu)抗震性能具有重要意義。利用ANSYS有限元軟件，對(duì)不同半剛性連接剛度下的半剛性連接鋼框架-支撐體系進(jìn)行模態(tài)分析，以探究其對(duì)自振特性的影響。在模型中，通過(guò)調(diào)整模擬半剛性連接節(jié)點(diǎn)的combin39彈簧單元的剛度參數(shù)，來(lái)改變半剛性連接剛度。分析結(jié)果表明，隨著半剛性連接剛度的增大，結(jié)構(gòu)的自振頻率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這是因?yàn)榘雱傂赃B接剛度的增加，使得節(jié)點(diǎn)對(duì)構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)的約束能力增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)整體的剛度得到提高，從而導(dǎo)致自振頻率增大。當(dāng)半剛性連接剛度從較小值逐漸增大時(shí)，結(jié)構(gòu)的第一自振頻率從[具體頻率值1]增加到[具體頻率值2]。自振頻率的變化對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)有著重要影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振頻率與地震動(dòng)卓越周期接近時(shí)，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)急劇增大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要合理控制半剛性連接剛度，使結(jié)構(gòu)的自振頻率避開(kāi)地震動(dòng)卓越周期，以減少地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。在地震響應(yīng)方面，通過(guò)動(dòng)力時(shí)程分析，研究不同半剛性連接剛度下結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)和內(nèi)力響應(yīng)。在分析過(guò)程中，選取合適的地震波，如El-Centro波，并按照規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)幅，將調(diào)整后的地震波作為輸入荷載施加到模型上。分析結(jié)果顯示，隨著半剛性連接剛度的增大，結(jié)構(gòu)的層間位移角逐漸減小。這是因?yàn)檩^大的連接剛度能夠有效地約束構(gòu)件的變形，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力，從而減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移。在相同的地震波作用下，當(dāng)半剛性連接剛度較小時(shí)，結(jié)構(gòu)頂層的層間位移角為[具體位移角值1]；當(dāng)半剛性連接剛度增大后，結(jié)構(gòu)頂層的層間位移角減小到[具體位移角值2]。結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布也會(huì)隨著半剛性連接剛度的變化而改變。隨著連接剛度的增大，梁、柱等構(gòu)件的內(nèi)力也會(huì)相應(yīng)增加。這是因?yàn)檫B接剛度的增大使得結(jié)構(gòu)的傳力路徑更加直接，構(gòu)件承擔(dān)的荷載也隨之增加。在設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力要求和材料強(qiáng)度，合理確定半剛性連接剛度，以確保構(gòu)件在地震作用下的承載能力。半剛性連接剛度對(duì)體系的耗能能力也有顯著影響。通過(guò)計(jì)算滯回曲線面積等耗能指標(biāo)，評(píng)估不同半剛性連接剛度下結(jié)構(gòu)的耗能能力。在ANSYS中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周反復(fù)加載模擬，得到結(jié)構(gòu)的滯回曲線。分析結(jié)果表明，半剛性連接剛度較小時(shí)，結(jié)構(gòu)的滯回曲線更為飽滿，耗能能力較強(qiáng)。這是因?yàn)檩^小的連接剛度使得節(jié)點(diǎn)在地震作用下能夠發(fā)生較大的轉(zhuǎn)動(dòng)變形，通過(guò)節(jié)點(diǎn)處材料的塑性變形和摩擦等方式消耗更多的地震能量。而當(dāng)半剛性連接剛度較大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)受到較大限制，耗能能力相對(duì)較弱。當(dāng)半剛性連接剛度為某一較小值時(shí)，結(jié)構(gòu)在一個(gè)加載循環(huán)內(nèi)的滯回曲線面積為[具體面積值1]；當(dāng)連接剛度增大到一定程度后，滯回曲線面積減小到[具體面積值2]。在實(shí)際工程中，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的剛度要求和耗能能力，合理選擇半剛性連接剛度，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全和可靠。3.3.2支撐布置方式的影響支撐布置方式是影響半剛性連接鋼框架-支撐體系抗震性能的重要因素之一，不同的支撐布置方案會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在受力特性、變形模式以及抗震性能等方面存在顯著差異。通過(guò)對(duì)比不同支撐布置方案，深入分析支撐布置方式對(duì)體系抗震性能的影響，并提出優(yōu)化布置建議，對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的抗震能力和可靠性具有重要意義。常見(jiàn)的支撐布置方案包括交叉支撐、人字形支撐和K形支撐等。交叉支撐是一種較為簡(jiǎn)單且常用的支撐布置形式，其支撐斜桿相互交叉連接梁與柱節(jié)點(diǎn)。在水平荷載作用下，交叉支撐能夠迅速將水平力傳遞到基礎(chǔ)，具有傳力直接、明確的特點(diǎn)，能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到水平地震力作用時(shí)，交叉支撐斜桿會(huì)產(chǎn)生軸向拉力或壓力，將水平力直接傳遞到基礎(chǔ)，從而減少鋼框架的受力。人字形支撐則是在鋼梁下方設(shè)置人字形的支撐斜桿，一端連接鋼梁，另一端連接鋼柱。這種支撐布置方式在提供抗側(cè)力的同時(shí)，還能對(duì)鋼梁起到一定的豎向支撐作用，適用于鋼梁跨度較大的情況。在地震作用下，人字形支撐能夠通過(guò)自身的變形來(lái)抵抗水平力，同時(shí)對(duì)鋼梁提供豎向約束，防止鋼梁發(fā)生過(guò)大的豎向變形。K形支撐的布置形式為支撐斜桿呈K字形連接梁與柱節(jié)點(diǎn)，其在一些特殊的建筑布局中具有較好的適應(yīng)性，能夠根據(jù)建筑空間需求進(jìn)行靈活布置。在水平荷載作用下，K形支撐通過(guò)斜桿的軸向變形來(lái)承擔(dān)水平力，但其受力情況相對(duì)較為復(fù)雜，需要合理設(shè)計(jì)支撐斜桿的尺寸和角度，以確保支撐的有效性。利用ANSYS有限元軟件，對(duì)采用不同支撐布置方式的半剛性連接鋼框架-支撐體系進(jìn)行地震響應(yīng)分析。在模型中，分別建立交叉支撐、人字形支撐和K形支撐的半剛性連接鋼框架-支撐體系有限元模型，并施加相同的地震波荷載，如El-Centro波，按照規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)幅后輸入模型。分析結(jié)果表明，不同支撐布置方式下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)存在明顯差異。在層間位移角方面，交叉支撐體系的層間位移角相對(duì)較小，這是因?yàn)榻徊嬷文軌蛴行У靥岣呓Y(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，限制結(jié)構(gòu)在水平方向的變形。在相同的地震波作用下，交叉支撐體系頂層的層間位移角為[具體位移角值3]；人字形支撐體系頂層的層間位移角為[具體位移角值4]，相對(duì)交叉支撐體系略大；K形支撐體系頂層的層間位移角為[具體位移角值5]，在三種支撐布置方式中相對(duì)較大。這是由于K形支撐的受力相對(duì)復(fù)雜，在抵抗水平力時(shí)，部分支撐斜桿可能會(huì)出現(xiàn)受力不均勻的情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力相對(duì)較弱。在結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布方面，不同支撐布置方式也會(huì)導(dǎo)致梁、柱和支撐的內(nèi)力分布不同。交叉支撐體系中，支撐斜桿承擔(dān)了大部分的水平力，梁、柱的內(nèi)力相對(duì)較??；人字形支撐體系中，鋼梁和支撐斜桿共同承擔(dān)水平力，鋼梁的內(nèi)力相對(duì)較大；K形支撐體系中，由于支撐斜桿的布置特點(diǎn)，部分梁、柱的內(nèi)力分布較為復(fù)雜，需要特別關(guān)注。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和抗震要求，合理選擇支撐布置方式，并對(duì)梁、柱和支撐的截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全。根據(jù)分析結(jié)果，提出以下優(yōu)化布置建議：在結(jié)構(gòu)高度較高、水平地震作用較大的情況下，優(yōu)先采用交叉支撐布置方式，以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，減小層間位移角；當(dāng)鋼梁跨度較大時(shí)，可考慮采用人字形支撐布置方式，既能提供抗側(cè)力，又能對(duì)鋼梁起到豎向支撐作用；對(duì)于建筑布局較為特殊、需要靈活布置支撐的情況，可采用K形支撐布置方式，但需要對(duì)支撐斜桿的布置和截面尺寸進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，確保支撐的有效性和結(jié)構(gòu)的安全性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、施工便利性等因素，選擇最適合的支撐布置方案。3.3.3結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響結(jié)構(gòu)參數(shù)如結(jié)構(gòu)層數(shù)、跨度等對(duì)半剛性連接鋼框架-支撐體系的抗震性能有著重要影響。研究這些參數(shù)變化對(duì)體系抗震性能的影響規(guī)律，能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的參考依據(jù)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和經(jīng)濟(jì)性。利用ANSYS有限元軟件，建立不同結(jié)構(gòu)層數(shù)的半剛性連接鋼框架-支撐體系模型，分析結(jié)構(gòu)層數(shù)對(duì)體系抗震性能的影響。在建模過(guò)程中，保持其他參數(shù)不變，僅改變結(jié)構(gòu)層數(shù)，分別建立3層、6層和9層的半剛性連接鋼框架-支撐體系模型。通過(guò)模態(tài)分析得到不同層數(shù)結(jié)構(gòu)的自振特性，結(jié)果表明，隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的自振周期逐漸增大。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)層數(shù)的增加使得結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布發(fā)生變化，整體剛度相對(duì)減小，從而導(dǎo)致自振周期增大。3層結(jié)構(gòu)的第一自振周期為[具體周期值1]，6層結(jié)構(gòu)的第一自振周期增大到[具體周期值2]，9層結(jié)構(gòu)的第一自振周期進(jìn)一步增大到[具體周期值3]。自振周期的增大意味著結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)特性發(fā)生改變，與地震動(dòng)卓越周期的匹配關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期與地震動(dòng)卓越周期接近時(shí)，容易發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)增大。在地震響應(yīng)分析中，對(duì)不同層數(shù)結(jié)構(gòu)施加相同的地震波荷載，如Taft波，按照規(guī)范要求進(jìn)行調(diào)幅后輸入模型。分析結(jié)果顯示，隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的層間位移角逐漸增大，結(jié)構(gòu)底部的地震剪力也相應(yīng)增大。這是因?yàn)閷訑?shù)增加使得結(jié)構(gòu)的高度增加，水平地震作用下的慣性力增大，同時(shí)結(jié)構(gòu)的整體剛度相對(duì)減小，導(dǎo)致層間位移角和底部地震剪力增大。在設(shè)計(jì)高層結(jié)構(gòu)時(shí)，需要充分考慮結(jié)構(gòu)層數(shù)對(duì)地震響應(yīng)的影響，合理增加結(jié)構(gòu)的剛度，以滿足抗震要求。研究結(jié)構(gòu)跨度對(duì)體系抗震性能的影響時(shí)，同樣利用ANSYS建立不同跨度的半剛性連接鋼框架-支撐體系模型，保持其他參數(shù)不變，分別建立跨度為6m、9m和12m的模型。通過(guò)地震響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，隨著結(jié)構(gòu)跨度的增大，結(jié)構(gòu)的水平位移明顯增大，梁、柱的內(nèi)力也顯著增加。這是因?yàn)榭缍仍龃笫沟娩摿旱目缍仍龃?，在水平荷載作用下鋼梁的變形和內(nèi)力增大，同時(shí)對(duì)鋼柱的作用力也增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的水平位移和梁、柱內(nèi)力增大。在相同的地震波作用下，跨度為6m的結(jié)構(gòu)頂層水平位移為[具體位移值1]，梁端最大彎矩為[具體彎矩值1]；跨度增大到9m時(shí)，結(jié)構(gòu)頂層水平位移增大到[具體位移值2]，梁端最大彎矩增大到[具體彎矩值2]；跨度進(jìn)一步增大到12m時(shí)，結(jié)構(gòu)頂層水平位移增大到[具體位移值3]，梁端最大彎矩增大到[具體彎矩值3]。在設(shè)計(jì)大跨度結(jié)構(gòu)時(shí)，需要合理選擇鋼梁和鋼柱的截面尺寸，增加結(jié)構(gòu)的支撐數(shù)量或優(yōu)化支撐布置方式，以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力和承載能力。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)研究結(jié)果給出以下參考建議：對(duì)于結(jié)構(gòu)層數(shù)的選擇，應(yīng)綜合考慮建筑的使用功能、場(chǎng)地條件和抗震設(shè)防要求等因素。在高烈度地震區(qū)，應(yīng)適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)層數(shù)，避免結(jié)構(gòu)過(guò)高導(dǎo)致地震響應(yīng)過(guò)大；對(duì)于結(jié)構(gòu)跨度的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)建筑空間需求和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，合理確定跨度大小。在滿足使用功能的前提下，盡量減小跨度，以降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)和內(nèi)力。同時(shí)，還需要結(jié)合半剛性連接節(jié)點(diǎn)和支撐的設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的整體性能，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全可靠。四、抗震性能試驗(yàn)研究4.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)4.1.1試件設(shè)計(jì)與制作本試驗(yàn)以某實(shí)際多層商業(yè)建筑的半剛性連接鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)為背景進(jìn)行試件設(shè)計(jì)，旨在通過(guò)對(duì)試件的試驗(yàn)研究，深入了解半剛性連接鋼框架-支撐體系的抗震性能。該實(shí)際建筑位于抗震設(shè)防烈度為8度的地區(qū)，建筑高度為30m，共6層，平面尺寸為30m×20m，采用半剛性連接鋼框架-支撐體系，支撐形式為交叉支撐?？紤]到試驗(yàn)條件和相似理論，對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮尺，確定縮尺比例為1:4。試件的具體尺寸如下：鋼梁采用Q345熱軋H型鋼，截面尺寸為H150×100×6×8，長(zhǎng)度為1800mm；鋼柱同樣采用Q345熱軋H型鋼，截面尺寸為H200×150×8×10，高度為2400mm；支撐采用Q345圓鋼，直徑為20mm。半剛性連接節(jié)點(diǎn)選用頂?shù)捉卿撨B接形式，角鋼采用Q345鋼，尺寸為L(zhǎng)75×50×5，通過(guò)8.8級(jí)M16高強(qiáng)螺栓與鋼梁和鋼柱連接。在試件制作過(guò)程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸和工藝要求進(jìn)行加工。鋼梁、鋼柱和支撐的切割采用數(shù)控切割機(jī)，保證尺寸精度。頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)的加工，確保角鋼的平整度和螺栓孔的位置精度，高強(qiáng)螺栓的安裝按照規(guī)范要求進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力控制在設(shè)計(jì)值的±5%范圍內(nèi)，以保證節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量。支撐布置方面，采用交叉支撐形式，支撐與鋼梁和鋼柱的連接節(jié)點(diǎn)均采用焊接連接，焊縫質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)，以確保支撐在受力過(guò)程中能夠可靠地傳遞荷載。在試件制作完成后，對(duì)試件進(jìn)行全面的質(zhì)量檢查，包括構(gòu)件的尺寸偏差、節(jié)點(diǎn)的連接質(zhì)量、支撐的焊接質(zhì)量等。通過(guò)使用全站儀、游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具，對(duì)構(gòu)件的尺寸進(jìn)行測(cè)量，尺寸偏差均控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。對(duì)節(jié)點(diǎn)連接質(zhì)量和支撐焊接質(zhì)量進(jìn)行外觀檢查和無(wú)損檢測(cè)，確保節(jié)點(diǎn)連接牢固，支撐焊接無(wú)缺陷。4.1.2試驗(yàn)加載制度本次試驗(yàn)采用擬靜力加載方法，模擬地震作用下結(jié)構(gòu)的受力過(guò)程。加載制度采用位移控制，依據(jù)相關(guān)規(guī)范和以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)制定加載方案。在加載前期，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，加載幅值較小，以獲取結(jié)構(gòu)的彈性性能數(shù)據(jù)。隨著加載幅值的逐漸增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，通過(guò)觀察結(jié)構(gòu)的變形和破壞情況，研究結(jié)構(gòu)在彈塑性階段的力學(xué)行為。具體加載步驟如下：首先，對(duì)試件施加豎向荷載，模擬結(jié)構(gòu)的自重和樓面活荷載，豎向荷載按照實(shí)際結(jié)構(gòu)的荷載取值進(jìn)行換算，采用油壓千斤頂通過(guò)分配梁施加在鋼梁上，加載過(guò)程分3級(jí)進(jìn)行，每級(jí)加載后持荷10min，以確保結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定。豎向荷載施加完畢并穩(wěn)定后，開(kāi)始施加水平荷載。水平荷載通過(guò)液壓作動(dòng)器施加在試件頂部，加載制度采用位移控制，加載幅值按照結(jié)構(gòu)的屈服位移進(jìn)行確定。以結(jié)構(gòu)的屈服位移為基準(zhǔn)，分別按照0.5Δy、1.0Δy、1.5Δy、2.0Δy、2.5Δy、3.0Δy、3.5Δy、4.0Δy的位移幅值進(jìn)行加載，每個(gè)位移幅值循環(huán)加載3次。在加載過(guò)程中，密切觀察試件的變形和破壞情況，當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的破壞跡象，如支撐屈曲、節(jié)點(diǎn)破壞、構(gòu)件斷裂等，停止加載。4.1.3測(cè)量?jī)?nèi)容與方法試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容涵蓋多個(gè)方面，以全面獲取試件在加載過(guò)程中的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)?nèi)容包括荷載、位移、應(yīng)變等。荷載測(cè)量方面，在水平液壓作動(dòng)器和豎向油壓千斤頂上分別安裝力傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量水平荷載和豎向荷載的大小。力傳感器的精度為0.1kN，量程根據(jù)預(yù)估的最大荷載進(jìn)行選擇，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。位移測(cè)量使用位移計(jì)，在試件的柱頂、梁端以及關(guān)鍵部位布置位移計(jì)，測(cè)量結(jié)構(gòu)的水平位移、豎向位移和相對(duì)位移。柱頂水平位移采用拉線式位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，位移計(jì)的一端固定在試件柱頂，另一端固定在試驗(yàn)臺(tái)座上，測(cè)量精度為0.01mm。梁端豎向位移通過(guò)磁致伸縮式位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，位移計(jì)安裝在梁端底部，與試驗(yàn)臺(tái)座相連，測(cè)量精度為0.01mm。在節(jié)點(diǎn)處布置位移計(jì)，測(cè)量節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移，以研究節(jié)點(diǎn)的變形特性。應(yīng)變測(cè)量采用電阻應(yīng)變片，在鋼梁、鋼柱和支撐的關(guān)鍵截面和應(yīng)力集中部位粘貼應(yīng)變片，測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)變分布。鋼梁的跨中、支座處，鋼柱的柱頂、柱底以及支撐的中部等位置均粘貼應(yīng)變片。應(yīng)變片的型號(hào)為BX120-3AA，靈敏系數(shù)為2.05，測(cè)量精度為1με。應(yīng)變片通過(guò)導(dǎo)線連接到靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀上，實(shí)時(shí)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行定期校準(zhǔn)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。同時(shí)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行拍照和錄像，記錄試件的變形和破壞過(guò)程，以便后續(xù)分析。4.2試驗(yàn)結(jié)果與分析4.2.1破壞模式觀察在擬靜力試驗(yàn)過(guò)程中，試件呈現(xiàn)出較為明顯的破壞過(guò)程和特征。隨著水平荷載的逐步施加，試件首先進(jìn)入彈性階段，此時(shí)結(jié)構(gòu)的變形較小，各構(gòu)件的應(yīng)力水平較低，通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量可知，鋼梁、鋼柱和支撐的應(yīng)變均在彈性范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的外觀無(wú)明顯變化，無(wú)任何構(gòu)件出現(xiàn)可見(jiàn)的變形或損傷。當(dāng)水平荷載繼續(xù)增加，達(dá)到一定幅值后，試件開(kāi)始進(jìn)入彈塑性階段。支撐首先出現(xiàn)明顯的受力跡象，交叉支撐中的斜桿在拉力和壓力的反復(fù)作用下，逐漸發(fā)生軸向變形。隨著變形的加劇，部分支撐斜桿出現(xiàn)了輕微的彎曲，這是由于支撐在反復(fù)荷載作用下，其受壓穩(wěn)定性逐漸降低，當(dāng)壓力超過(guò)其臨界承載力時(shí)，便會(huì)發(fā)生彎曲變形。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，彎曲現(xiàn)象首先出現(xiàn)在支撐斜桿的中部，這是因?yàn)橹胁渴侵涡睏U受力最薄弱的部位，在壓力作用下最容易發(fā)生失穩(wěn)。隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，半剛性連接節(jié)點(diǎn)也開(kāi)始出現(xiàn)明顯的變化。頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)處的角鋼與螺栓之間的相對(duì)滑移逐漸增大，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)變形加劇。這是因?yàn)殡S著荷載的增加，節(jié)點(diǎn)處的彎矩逐漸增大，超過(guò)了角鋼與螺栓之間的摩擦力所能抵抗的范圍，從而導(dǎo)致相對(duì)滑移的發(fā)生。由于相對(duì)滑移的存在，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度逐漸降低，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布也發(fā)生了改變，鋼梁和鋼柱的受力狀態(tài)變得更加復(fù)雜。當(dāng)水平荷載進(jìn)一步增加到接近極限荷載時(shí)，試件的破壞特征更加明顯。部分支撐斜桿出現(xiàn)了嚴(yán)重的屈曲現(xiàn)象，其彎曲程度顯著增大，甚至出現(xiàn)了局部的斷裂。這是因?yàn)橹涡睏U在反復(fù)的拉力和壓力作用下，其材料的性能逐漸劣化，強(qiáng)度和剛度降低，最終無(wú)法承受荷載而發(fā)生斷裂。鋼梁和鋼柱在節(jié)點(diǎn)附近也出現(xiàn)了塑性鉸，這表明鋼梁和鋼柱在節(jié)點(diǎn)處的彎矩已經(jīng)達(dá)到了其塑性極限彎矩，材料發(fā)生了塑性變形。塑性鉸的出現(xiàn)使得結(jié)構(gòu)的變形能力進(jìn)一步增大，但同時(shí)也降低了結(jié)構(gòu)的承載能力。最終，當(dāng)試件的變形過(guò)大，無(wú)法繼續(xù)承受荷載時(shí)，試件達(dá)到破壞狀態(tài)。此時(shí)，支撐斜桿大部分屈曲或斷裂，節(jié)點(diǎn)處的角鋼和螺栓出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞，鋼梁和鋼柱的塑性鉸發(fā)展充分，結(jié)構(gòu)的整體性遭到嚴(yán)重破壞，無(wú)法再承擔(dān)荷載。試件的破壞模式是由支撐的屈曲和斷裂、半剛性連接節(jié)點(diǎn)的破壞以及鋼梁和鋼柱的塑性鉸形成共同作用的結(jié)果。支撐作為結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，在地震作用下承受著較大的軸向力，其屈曲和斷裂會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度急劇下降；半剛性連接節(jié)點(diǎn)的破壞會(huì)削弱節(jié)點(diǎn)的連接性能，影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力傳遞和分布；鋼梁和鋼柱的塑性鉸形成則表明結(jié)構(gòu)的承載能力已經(jīng)達(dá)到極限，結(jié)構(gòu)進(jìn)入了破壞階段。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要充分考慮這些破壞因素，采取相應(yīng)的措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，如合理設(shè)計(jì)支撐的截面尺寸和布置方式，加強(qiáng)半剛性連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施，提高鋼梁和鋼柱的強(qiáng)度和延性等。4.2.2滯回曲線分析通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制得到試件的滯回曲線，該曲線能夠直觀地反映試件在反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能。滯回曲線的橫坐標(biāo)表示水平位移，縱坐標(biāo)表示水平荷載。從滯回曲線的形狀來(lái)看，在加載初期，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，滯回曲線呈線性變化，卸載后試件能夠恢復(fù)到初始位置，無(wú)殘余變形。這表明在彈性階段，結(jié)構(gòu)的剛度保持不變，能夠有效地抵抗荷載的作用，材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律。隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，滯回曲線開(kāi)始出現(xiàn)非線性變化，卸載后試件存在殘余變形。這是因?yàn)樵趶椝苄噪A段，材料開(kāi)始發(fā)生塑性變形，結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低，導(dǎo)致滯回曲線不再呈線性。在反復(fù)加載過(guò)程中，滯回曲線呈現(xiàn)出“梭形”，這是典型的延性結(jié)構(gòu)的滯回曲線形狀，說(shuō)明試件具有較好的延性，能夠在地震等反復(fù)荷載作用下，通過(guò)自身的變形來(lái)消耗能量，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。滯回曲線的飽滿程度是衡量結(jié)構(gòu)耗能能力的重要指標(biāo)。飽滿的滯回曲線意味著結(jié)構(gòu)在反復(fù)加載過(guò)程中能夠消耗更多的能量。從試驗(yàn)得到的滯回曲線來(lái)看，試件的滯回曲線較為飽滿，這表明試件具有較強(qiáng)的耗能能力。在地震作用下，結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)滯回耗能來(lái)減小地震響應(yīng)，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。試件在一個(gè)加載循環(huán)內(nèi)滯回曲線所包圍的面積較大，說(shuō)明在該加載循環(huán)中結(jié)構(gòu)消耗的能量較多。這主要是由于半剛性連接節(jié)點(diǎn)和支撐在耗能過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。半剛性連接節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中，通過(guò)角鋼與螺栓之間的相對(duì)滑移以及角鋼的塑性變形等方式來(lái)消耗能量；支撐則通過(guò)自身的軸向變形和屈曲耗能來(lái)消耗地震能量。為了更深入地了解試件的滯回性能，將本次試驗(yàn)得到的滯回曲線與相關(guān)文獻(xiàn)中類似試件的滯回曲線進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果顯示，本次試驗(yàn)試件的滯回曲線飽滿程度與文獻(xiàn)中試件相當(dāng)，但在加載后期，本次試驗(yàn)試件的滯回曲線下降更為平緩。這可能是由于本次試驗(yàn)采用的半剛性連接節(jié)點(diǎn)形式和支撐布置方式與文獻(xiàn)有所不同。本次試驗(yàn)采用的頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點(diǎn)在受力后期具有較好的變形能力，能夠繼續(xù)消耗能量，使得滯回曲線下降平緩；而文獻(xiàn)中試件可能采用了其他連接形式，其節(jié)點(diǎn)在受力后期的變形能力相對(duì)較弱，導(dǎo)致滯回曲線下降較快。支撐布置方式也會(huì)影響結(jié)構(gòu)的滯回性能。本次試驗(yàn)采用的交叉支撐形式在受力過(guò)程中能夠更有效地發(fā)揮作用，使結(jié)構(gòu)的耗能能力更加穩(wěn)定，從而影響滯回曲線的形狀。通過(guò)對(duì)比分析，可以進(jìn)一步明確不同因素對(duì)結(jié)構(gòu)滯回性能的影響，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。4.2.3骨架曲線分析從滯回曲線中提取得到試件的骨架曲線，骨架曲線是將滯回曲線中每一級(jí)加載循環(huán)的峰值點(diǎn)連接而成的曲線，它能夠反映結(jié)構(gòu)從開(kāi)始加載到破壞的全過(guò)程的力學(xué)性能。通過(guò)對(duì)骨架曲線的分析，可以得到試件的一些關(guān)鍵抗震性能參數(shù)。屈服荷載是結(jié)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)入塑性階段的標(biāo)志，通過(guò)骨架曲線可以確定試件的屈服荷載。在本次