K型偏心支撐鋼框架結構在水平循環荷載作用下的力學性能研究

李靈君

（天水師范學院土木工程學院　甘肅　天水　741001）

K型偏心支撐鋼框架結構在水平循環荷載作用下的力學性能研究

李靈君

（天水師范學院土木工程學院甘肅天水741001）

根據水平荷載作用下，偏心支撐鋼框架結構的耗能梁段發生破壞的特點，設計了耗能梁段長度不同的4組試件，應用有限元軟件ABAQUS分析了在耗能梁段上加與不加斜加勁肋的兩種情況，作用循環荷載后的滯回性能。分析結果表明，耗能梁段的長度與Mp/Vp的比值較小時，加斜加勁肋后，框架的最大水平位移相對于不加有明顯的增大，延性增加。

偏心支撐鋼框架；耗能梁段；加勁肋；骨架曲線；循環荷載

偏心支撐鋼框架結構是20世紀70年代出現的一種抗震結構體系。常見的偏心支撐鋼框架結構的形式如圖1所示，在耗能梁段處標有字母e。K型偏心支撐結構是最常見的一種耗能結構形式，如圖1的左邊第一個圖所示。

圖1　偏心支撐鋼框架體系

《高層民用建筑鋼結構技術規程》規定：e≤1.6Mp/Vp，其中Mp為全截面的塑性彎矩，Vp為全截面的塑性剪切力，e為耗能梁段的長度。當e在1.0Mp/Vp～1.3Mp/Vp范圍內時，耗能梁段耗能能力最佳。但是通常，受建筑構造等因素的制約，有時可能要把耗能梁段做得短一些，不能在最佳耗能的范圍之內。梁段越短，塑性變形會越徹底，但也易造成梁段的腹板過早破壞，影響結構的總承載力。根據耗能梁段腹板破壞時的應力狀態，為防止腹板過早發生破壞，加斜加勁肋于腹板上。應用有限元軟件ABAQUS，分析比較5組試件它們在加與不加斜向加勁肋的情況下，施加水平荷載后，框架剛度、水平承載力、滯回效應等力學性能的變化。

1　有限元模型概述

1.1材料定義

分析用鋼材為Q235級鋼，考慮了鋼材材性的應變強化，應用等向強化模型，所有鋼材材性均為名義值。屈服強度fy= 235MPa，抗拉強度fu=375MPa，彈性模量E=2.06×105，泊松比μ= 0.3，極限應變εu=0.2。

1.2試件設計

分析模型如圖2所示，其中H=3600mm，L=6300mm，B=2475～ 2850mm，試件中構件的的連接均采用剛接，構件尺寸如表1所示。根據《高層民用建筑鋼結構技術規程》，取Mp/Vp=878.5mm，e取Mp/Vp的0.341、0.512、0.683、0.854、1.02倍，如表2所示。橫向加勁肋取（90×10）mm，間距取150mm，斜向加勁肋?。?0×6）mm。

圖2　試件模型

表1　試件的桿件尺寸（單位：mm）

表2　耗能梁段的長度e（單位：mm）

1.3加載方式

有限元分析中，在圖2所示的加載位置施加水平位移荷載。根據《建筑抗震試驗方法規程》（JBJ101-96）的要求，并參考ECCS的完全加載制度，采用以下加載制度：先單向加載于框架頂部，根據荷載-位移曲線，求出耗能梁段的彈性水平位移Δy和對應的水平力Fy，再按Δy、2Δy、3Δy、…的方式施加循環荷載，每級一周，直到試件破壞。

1.4有限元分析模型

在分析中，所有構件均采用殼單元。因梁、柱及支撐未發生塑性變形，僅考慮了幾何非線性，對發生塑性變形的耗能梁段既考慮了幾何非線性，有考慮了材料非線性。柱、支撐和地面的約束邊界采用了固接。

2　非線性有限元分析

在循環荷載作用下，模型的剛骨架曲線如圖3～7所示，從骨架曲線可以看出，試件1、試件2和試件3，加斜加勁肋后，框架的承載力相對于不加有明顯的提高，在循環荷載作用下的最大位移也有明顯的增大；試件4和試件5，加斜加勁肋后，框架的承載力相對于不加有明顯的提高，但在循環荷載作用下的最大位移減小了。這是因為隨著耗能梁段的增長，長度接近1.0Mp/Vp～ 1.3Mp/Vp范圍，耗能梁段進入了最佳的耗能狀態，如果在對其加斜加勁肋加固，限制了其發生充分剪切變形，整個試件的破壞是源于其他構件，而非耗能梁段。

圖3　試件1的骨架曲線

圖4　試件2的骨架曲線

圖5　試件3的骨架曲線

圖6　試件4的骨架曲線

3　結論

通過對五組試件的分析，得出以下幾點結論：

圖7　試件5的骨架曲線

（1）不管耗能梁段的長度如何，加斜加勁肋后都能提高框架的水平承載力。

（2）耗能梁段較短時，加斜加勁肋后，在循環荷載作用下的最大水平位移有明顯的增大，延性增加。隨著耗能梁段長度的增加，最大水平位移有明顯的減小，延性降低，耗能能力變差，不利于抗震。

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TU391

A

1673-0038（2015）17-0114-02

2015-1-23

李靈君（1980-），男，講師，碩士，研究方向為鋼結構。