偏心支撐體系在青藏高原鋼結構住宅中的抗震性能研究

李雙營

摘要：根據青藏高原的地理特征，選擇合理的鋼結構住宅體系——偏心支撐體系，并對不同耗能梁段長度在偏心支撐體系的抗震性能進行研究，并運用有限元分析軟件ETABS對其進行分析，得出的結論可供工程設計人員參考

關鍵詞：青藏高原 偏心支撐體系 鋼結構住宅 抗震性能

引言

根據青海地區的特點，氣候干燥，這對鋼材的“濕腐蝕”具有天然的防腐作用；青海冬季時間長，不利于施工，鋼結構施工速度很快，既可保證建筑結構的工期質量，又減少了因冬季施工帶來的溫度等方面的問題；青海冬季室外氣溫低，鋼結構住宅的墻體一般選用與之配套的板材，與傳統的磚墻相比具有較好的保溫性能，在建筑節能方面具有良好的優勢。依照青海地區的這些特點，應該選用施工速度快，減少濕作業的結構體系；又由于青海地區是地震多發區，這樣選用抗側性能好，同時有較大承載力和較好延性的結構體系。綜合考慮多層鋼結構住宅結構體系的性能和青海地區的特點，本文采用鋼框架支撐結構體系。

1.鋼框架支撐體系的主要形式

中心支撐具有較大的側向剛度，構造相對簡單，能減小結構的水平側移，改善結構的內力分布。但在水平荷載作用下，中心支撐容易產生側向屈曲。在往復水平地震作用下，當結構的受力進入彈塑性范圍時，層間抗剪能力和結構的抗側剛度急劇下降，層間側移過度增大，最終導致結構整體失穩破壞。因此在地震區應用時應慎重。

1.2.偏心支撐鋼框架

偏心支撐鋼框架的主要特點是每一根支撐斜桿的兩端，至少有一端與梁不在柱節點處相連。這樣支撐斜桿和柱之間或斜桿和斜桿之間就構成了一個耗能梁段。采用耗能梁段的目的是改變支撐斜桿與梁（耗能梁段）的先后屈服順序，即在罕遇地震時，一方面通過耗能梁段的非彈性變形進行耗能，另一方面是耗能梁段的剪切屈服在先（同跨的其余梁段未屈服），保護支撐斜桿部屈服或屈服在后，從而相應的延長結構抗震能力的持續時間，并達到節約鋼材的目的。因此偏心支撐框架適用于地震區的鋼結構建筑。

2 計算方法

在進行結構分析時，可采用平面抗側力結構的空間協同計算模型。當結構布置規則，質量與高度沿高度分布均勻且無扭轉效應時，可采用平面結構計算模型；當結構的平面或立面不規則，體形復雜，無法劃分成平面抗側力單元，或為筒體結構時，應采用三維空間結構計算模型。平面協同矩陣位移法：平面布置規則的框架支撐結構和框架剪力墻結構，在水平荷載作用下可以近似的簡化為平面抗側力體系，將沿主軸方向或斜交方向的所有框架合并為總框架，并將所有豎向支撐合并為總支撐，然后進行協同工作分析。

因為對框架支撐體系的房屋來說，沿房屋的橫向或縱向，各榀框架和各片豎向支撐樓板相連，形成以空間結構，在風或地震等水平荷載作用下，當樓板可視為剛性橫隔板時，在結構部發生扭轉的情況下，沿房屋橫向和縱向各榀框架和各片豎向支撐側移值相同，所以可以剛性連桿將框架和支撐連為圖 2.4a 所示的并聯體，其側移曲線為彎剪型

3 偏心支撐鋼框架的設計計算

3.1 偏心支撐鋼框架的工作原理

在中小地震作用下，所有構件處于彈性階段，此時支撐提供主要的抗側力剛度，其工作性能與中心支撐框架相似；在強烈地震下保證支撐不先發生受壓屈曲，而讓耗能梁段屈服來耗散地震能量，這時偏心支撐框架的工作性能與抗彎框架相似。

3.2與中心支撐鋼框架相比，偏心支撐鋼框架具有以下明顯優勢：（1）能夠準確有效地控制結構在水平地震下的變位，減小層間及整體結構的側移；（2）具有較大的結構延性；（3）耗能梁段的剪切屈服起到了類似“保險絲”的作用，耗散強烈地震時過多的能量；（4）耗鋼量小，可節省 20﹪---30﹪的鋼材；（5）適用范圍小，不僅適用于高層建筑

結構，而且也用到多層建筑；（6）提供一種剛性的結構體系而不過多地耗費鋼材，具有較好的經濟性。

4.偏心支撐鋼結構住宅體系抗震性能分析

本工程是九層鋼框架偏心支撐體系住宅樓（D 型支撐，支撐一端與框架柱直接相連，另一端通過耗能梁段與框架柱相連的形式），長 39.0m，寬 21.6m，層高 3m；采用 100mm壓型鋼板組合樓蓋，鋼柱采用 Q345B 級箱型柱，鋼梁﹑支撐均采用 Q345B 級 H 型鋼，墻體材料為 ALC 板。耗能梁段長度分別為：1.25m 1m 0.75m 0.5m0.375m 及 0m（中心支撐）本工程是九層鋼框架偏心支撐體系住宅樓（D 型支撐，支撐一端與框架柱直接相連，

本算例采用靜力線性時程分析法，地震波選用埃而森特羅南北波（EICENTRO，1940），其記錄峰值加速度為 341.7Gal，時間子步 0.02s，地震持續時間 30s，結構阻尼比采用0.035，適用于Ⅱ類場地。

從 Pushover 得出的塑性鉸出現的位置及順序來看：塑性鉸首先出現在三層的支撐上，而后在支撐上和耗能梁段上逐漸出現塑性鉸，接著在三層梁上開始出現塑性鉸，逐漸向上發展，直到各層梁都出現塑性鉸，同時發生了明顯的變形。從整體結構塑性鉸的出現和數量上觀察，支撐和耗能梁段除頂層外完全出現塑性鉸，其中支撐塑性鉸首先出現并且呈粉色狀態；耗能梁段塑性鉸其次出現，并且隨著塑性鉸的出現顏色有粉色變為藍色狀態，說明支撐延遲了耗能梁段發生非線性變形的時間并且消散了更多的地震能量，減少了梁柱的非線性需求，提高了結構體系的整體抗震性能，將震害的損失減少至最低。

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青海民族大學2014年度校級理工自然科學項目

項目編號：2014XJZ25

項目類別：青年項目