新型X型鋼支撐體系性能分析

趙杰峰

（北京建筑工程學院，北京 100044）

X型支撐的抗推剛度很大，具有很大的水平承載力，但是在豎向荷載作用下柱子的受壓變形和鋼梁的受彎變形會導致支撐變形，使支撐中產(chǎn)生軸力，支撐的設(shè)置主要是用它來抵抗水平荷載，豎向荷載作用下支撐軸壓力的存在使得支撐的承載能力降低，在施工中為了降低這一影響往往要等柱子受壓變形穩(wěn)定后再來安裝支撐，這樣做會延長施工工期，給施工造成很多麻煩[1]。

為了解決傳統(tǒng)的X型鋼支撐體系所面臨的上述問題，本文提出了一種新型的不承受豎向荷載的X型鋼支撐體系，通過改變支撐與鋼梁的連接方式，使支撐不承受豎向荷載。兩個支撐通過肩梁相連，肩梁上設(shè)支撐牛腿，鋼梁上設(shè)鋼梁牛腿，支撐牛腿和鋼梁牛腿之間通過螺栓連接，螺栓孔為長圓螺栓孔，牛腿之間用摩擦系數(shù)僅為0.04的聚四氟乙烯填充，保證在豎向荷載作用下支撐可以自由移動[4]，模型圖和長圓螺栓孔圖如圖1、圖2所示。

1 模型的設(shè)計

本模型按縮尺比例來取，高度1.2m，跨度2.4m，本模型的框架梁、柱和支撐按照傳統(tǒng)的鋼支撐的設(shè)計方法進行計算和設(shè)計，對于由支撐牛腿和鋼梁牛腿組成的節(jié)點，設(shè)計的原則是保證支撐受壓屈曲前牛腿不破壞。

支撐截面確定以后，根據(jù)受壓承載力公式算得支撐受壓屈曲時的承載力，確定支撐所能承受的最大水平荷載，把此水平荷載作為牛腿承載力的設(shè)計值。

各構(gòu)件

2 有限元模型的建立

模型采用solide45實體單元，接觸面采用contal174單元和targel170單元，螺栓的預拉力采用預應(yīng)力單元prets179來模擬施加。鋼材的單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系取屈服強度為235Mpa，高強度螺栓的屈服強度取為640Mpa，采用雙線性隨動強化模型，約束柱腳節(jié)點的所有自由度，為了防止新型X型鋼支撐體系平面外失穩(wěn)，約束了平面外位移。

圖1 整體有限元模型

圖2 長圓螺栓孔

3 新型X型支撐體系在荷載作用下的受力性能

3.1 豎向荷載作用下的分析

新型X型鋼框架支撐體系的特點是在豎向荷載作用下支撐不受力，通過單獨施加豎向荷載來驗證所創(chuàng)建的有限元模型是否能滿足上述設(shè)計思想，分析在豎向荷載作用下新型X型鋼框架支撐體系的受力和變形性能，支撐牛腿和鋼梁牛腿之間以及螺栓帽和牛腿之間的摩擦情況。

圖3 等效應(yīng)力圖

從圖中可以看出支撐的的等效應(yīng)力為0，說明在豎向荷載作用下支撐不受力，建立的有限元模型符合新型支撐體系的設(shè)計思想，保證了支撐牛腿和鋼梁牛腿在豎向不傳力。

圖4中青綠色值代表支撐豎向位移隨時間的變化，紫色值代表鋼梁跨中豎向位移隨時間的變化，當豎向均布荷載達到最大值1N/mm2時，支撐的豎向位移最大值為0.08mm，鋼梁跨中的豎向位移最大值為1.0mm，支撐的豎向位移和鋼梁的豎向位移相比很小，說明鋼梁的豎向變形對支撐沒有產(chǎn)生影響，鋼梁和支撐在豎向上的位移實現(xiàn)了分離。

圖5中青綠色值代表螺栓的豎向位移隨時間的變化，紫色值代表鋼梁牛腿的豎向位移隨時間的變化，從圖中可以看出螺栓和鋼梁牛腿之間產(chǎn)生了滑動，在豎向力作用下，鋼梁牛腿隨著鋼梁產(chǎn)生了豎向變形，與螺栓帽之間產(chǎn)生摩擦，帶動螺栓產(chǎn)生了豎向位移。

圖4 鋼梁和支撐豎向位移

圖5 鋼梁牛腿和螺栓豎向位移

3.2 水平荷載作用下的分析

傳統(tǒng)的中心支撐體系在水平荷載作用下由支撐來承擔大部分的水平荷載，框架幾乎不受水平力，地震作用時由支撐的變形來耗能，當支撐破壞以后，由框架來承擔水平荷載，形成了抵抗水平荷載的雙重抗側(cè)力體系。新型X型鋼框架支撐體系不承受豎向荷載，實現(xiàn)了支撐和框架梁在豎向變形上的分離，但必須充分保證支撐和框架在水平方向位移協(xié)調(diào)，這樣才能保證中心支撐體系的抗側(cè)剛度不降低，在地震作用時仍然由支撐的變形來耗能，在支撐受壓屈曲之前保證支撐牛腿和鋼梁牛腿不破壞。

通過對新型X型鋼框架支撐體系施加不同的水平荷載，分析結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的受力性能和變形情況以及支撐和牛腿的受力情況。水平荷載施加在上層梁端和下層梁端，上層梁端施加的水平荷載是下層梁端的兩倍。上層梁端施加水平荷載360kN，下層梁端施加水平荷載180kN，等效應(yīng)力圖如圖6所示。上層梁端施加水平荷載600kN，下層梁端施加水平荷載300kN，等效應(yīng)力圖如圖7所示。

圖6 等效應(yīng)力圖

圖7 等效應(yīng)力圖

從圖6中可以看出，支撐與牛腿連接的地方首先進入塑性，鋼梁的受壓牛腿的等效應(yīng)力明顯大于同層的另外一個牛腿，說明水平荷載是通過支撐牛腿和鋼梁牛腿之間的擠壓來傳遞的，支撐牛腿通過螺栓對鋼梁牛腿的拉力很小。

在圖7中放大的變形圖顯示受壓支撐屈曲，支撐全長達到屈服強度，說明新型支撐體系充分發(fā)揮了支撐的抗側(cè)性能，支撐牛腿和鋼梁牛腿組成的節(jié)點在保證支撐不承受豎向力的同時沒有影響到傳統(tǒng)支撐體系的受力性能，仍然是由支撐承擔大部分的水平荷載，支撐仍然作為結(jié)構(gòu)主要的抗側(cè)構(gòu)件。

3.3 循環(huán)荷載作用下的分析

通過在循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)的滯回曲線，分析新型X型支撐體系的耗能能力和延性情況。加載采用位移加載的方法，在柱子上施加均布壓力，軸壓比0.2、0.4、0.6時新型X型鋼支撐體系的滯回曲線圖如下圖所示。

軸壓比 0.2 0.4 0.6

圖8 軸壓比0.2時滯回曲線圖

圖9 軸壓比0.4時滯回曲線圖

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圖10 軸壓比0.6時滯回曲線圖

新型X型支撐體系軸壓比0.2和0.4時滯回曲線飽滿，耗能很好，軸壓比0.6時耗能能力明顯降低。

從圖表中可以看出新型X型鋼支撐體系隨著軸壓比的增加延性逐漸降低，當軸壓比達到0.6時軸壓比降低非常明顯。

4 結(jié)論

新型X型支撐體系通過改進支撐與梁連接的節(jié)點實現(xiàn)了在豎向荷載作用下支撐不受力的目的，同時沒有影響支撐的抗側(cè)性能，在水平荷載作用下仍然是由支撐來承擔大部分水平荷載，在循環(huán)荷載作用下仍然是靠支撐的拉壓變形來耗能，在軸壓比小的時候具有良好的耗能能力。

[1]童根樹，羅桂發(fā)，張磊等.一種免承重力鋼框架支承體系[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009，(增刊 )，2009.

[2]陳穎.不承受豎向荷載的鋼人字形支撐體系設(shè)計和研究[C].北京建筑工程學院碩士學位論文，2011，(3).