偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究綜述★

方 斌 王 焱 吳揚(yáng)州 于海豐 馬 康

(1.河北省建設(shè)工程標(biāo)準(zhǔn)編制研究中心，河北 石家莊 050051； 2.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北 石家莊 050018)

0 引言

偏心支撐結(jié)構(gòu)是一種新型抗震結(jié)構(gòu)體系，兼顧了中心支撐結(jié)構(gòu)和純框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有彈性剛度大、延性好及耗能能力好等優(yōu)點(diǎn)，適用于高烈度抗震設(shè)防區(qū)域的多高層建筑物[1,2]。罕遇地震下，偏心支撐結(jié)構(gòu)主要通過(guò)耗能梁段的塑性變形耗散能量(耗能梁段相當(dāng)于結(jié)構(gòu)“保險(xiǎn)絲”)，其他非耗能構(gòu)件(框架柱、框架梁及支撐等)基本處于彈性工作狀態(tài)，由于偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[3](后簡(jiǎn)稱(chēng)抗規(guī))及JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[4](后簡(jiǎn)稱(chēng)高鋼規(guī))規(guī)定，8度抗震設(shè)防區(qū)及以上宜采用偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)，因此對(duì)偏心支撐結(jié)構(gòu)的研究是十分有必要的。基于此，本文對(duì)已有的偏心支撐結(jié)構(gòu)體系的研究進(jìn)行總結(jié)，希望增進(jìn)相關(guān)研究人員與設(shè)計(jì)人員對(duì)此結(jié)構(gòu)類(lèi)型的了解以促進(jìn)該結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展與應(yīng)用。

1 偏心支撐結(jié)構(gòu)基本概述

偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)體系中的支撐斜桿，至少一端與梁連接(不在梁柱節(jié)點(diǎn)處)，另一端可連接在梁與柱的相交處，或在偏離另一支撐的連接點(diǎn)處與梁連接，這樣就在支撐與柱之間，或者支撐與支撐之間形成了耗能梁段(圖1中的3)[5]。根據(jù)支撐布置形式的不同，偏心支撐結(jié)構(gòu)可以分為K形、D形、Y形、V形和A形等[6](見(jiàn)圖1)。基于偏心支撐框架合理的結(jié)構(gòu)布置，使其用鋼量比中心支撐結(jié)構(gòu)節(jié)約20%，純框架結(jié)構(gòu)節(jié)約30%，具有重要的工程使用價(jià)值[7]。

偏心支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則為強(qiáng)柱、強(qiáng)梁、強(qiáng)支撐和弱耗能梁(“強(qiáng)弱相對(duì)”的抗震設(shè)計(jì)思想)，即罕遇地震下通過(guò)耗能梁段發(fā)生剪切塑性變形和彎曲塑性變形耗散能量，因此耗能梁段的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)尤為重要。故高鋼規(guī)[4]根據(jù)耗能梁長(zhǎng)度的不同把偏心支撐結(jié)構(gòu)分為剪切型偏心支撐結(jié)構(gòu)(e≤1.6Mp/Vp)、彎曲剪切型偏心支撐結(jié)構(gòu)(1.6Mp/Vp2.6Mp/Vp)，其中，e為耗能梁長(zhǎng)度;Mp為耗能梁塑性受彎承載力;Vp為耗能梁塑性受剪承載力。相比較而言，由于剪切型偏心支撐結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)要優(yōu)于后者，故國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)剪切型偏心支撐結(jié)構(gòu)的研究較多。

2 偏心支撐結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)外研究綜述

2.1 試驗(yàn)研究

罕遇地震下，偏心支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)耗能梁段的塑性變形耗散地震能量，以此來(lái)保護(hù)非耗能構(gòu)件(基本處于彈性工作狀態(tài))。為了使耗能梁段的耗能更加充分，提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量的研究，敘述如下。

Popov等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)剪切屈服型耗能梁偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、耗能梁段的構(gòu)造(腹板高厚比、加勁肋的間距、厚度等)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及加載歷史等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明偏心支撐結(jié)構(gòu)通過(guò)耗能梁段的塑性變形耗散能量，防止了支撐過(guò)早的屈曲，延長(zhǎng)了整體結(jié)構(gòu)抗震反應(yīng)時(shí)間，側(cè)移和變形等均滿足規(guī)范的要求，且整體的用鋼量大大減小，并且通過(guò)布置合理的加勁肋(加勁肋與耗能梁段應(yīng)采用全焊縫連接)和保證節(jié)點(diǎn)連接的可靠性等構(gòu)造措施能夠提高結(jié)構(gòu)的抗震性能[8-10]。實(shí)際工程中，梁段上存在著混凝土樓板，為了研究樓板對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，Ricles[11]對(duì)6個(gè)帶樓板的剪切屈服型耗能梁和2個(gè)不帶樓板的進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)表明8個(gè)試件均是通過(guò)耗能梁腹板剪切變形耗散能量，樓板的存在會(huì)增加結(jié)構(gòu)的初始剛度和承載力，延性略有降低，且樓板破壞時(shí)僅發(fā)生耗能梁段附近區(qū)域。

上述研究表明整個(gè)偏心支撐結(jié)構(gòu)破壞只局限于耗能梁段附近(其他構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài))，震后為了提高修復(fù)受損耗能梁段的效率，可替換耗能梁[12](耗能梁段獨(dú)立于梁段)由此產(chǎn)生。Stratan和Dubina[13]通過(guò)試驗(yàn)證明了寬翼緣工字鋼截面可替換耗能梁段(端板螺栓連接)偏心支撐鋼框架的可行性；Nabil Mansour[14]通過(guò)試驗(yàn)證明了端板螺栓連接和雙槽鋼背對(duì)背連接兩種連接方式的可替換耗能梁偏心支撐框架均具有較好的延性和耗能能力。為了進(jìn)一步提高偏心支撐結(jié)構(gòu)的抗震性能，Dubina[15]把高強(qiáng)鋼引用到偏心支撐結(jié)構(gòu)體系中來(lái)并對(duì)單榀框架進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明高強(qiáng)鋼的引用減小了其他非耗能構(gòu)件的塑性變形，使耗能梁段的耗能更加充分。

國(guó)內(nèi)學(xué)者錢(qián)稼茹[16]、于安林[17]和石永久[18]等對(duì)偏心支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果均表明偏心支撐結(jié)構(gòu)具有良好的性能。段留省[19]對(duì)4個(gè) 1/2 縮尺的高強(qiáng)鋼組合的K形偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究并在試驗(yàn)后對(duì)耗能梁段進(jìn)行更換(修復(fù)工作量較小)，更換后的結(jié)構(gòu)極限承載力與原試件的基本相同，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立了雙線性恢復(fù)力模型(模型與骨架曲線基本相符)；為了研究可替換耗能梁段的抗震性能，殷占忠[20]對(duì)9根不同參數(shù)(耗能梁長(zhǎng)度、加勁肋等)的剪切型耗能梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明所有試件的滯回曲線均飽滿、性能穩(wěn)定；張浩[21]把可替換耗能梁引進(jìn)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)體系中來(lái)，同時(shí)為了研究這種新型結(jié)構(gòu)的抗震性能和震后可替換修復(fù)能力(考慮樓板組合作用的影響)，對(duì)3個(gè)2/3縮尺試件進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明耗能梁段的塑性變形較好且破壞主要發(fā)生在耗能梁段，有利于震后結(jié)構(gòu)的快速修復(fù)，并且組合樓板對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力、可替換能力影響較小。總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)對(duì)偏心支撐結(jié)構(gòu)的研究要晚于國(guó)外，但隨著對(duì)其研究深入，研究成果不斷豐富。

2.2 有限元研究

隨著大型有限元軟件的興起，有限元研究不斷發(fā)展，它作為了試驗(yàn)研究的一種補(bǔ)充，兩種研究方法的同步應(yīng)用可以提高科研效率。采用有限元研究的方法能夠?qū)ζ闹谓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的參數(shù)化分析(如耗能梁長(zhǎng)度、腹板高厚比、翼緣寬厚比、加勁肋的厚度和間距等)，進(jìn)而得出更全面的設(shè)計(jì)參數(shù)。通常采用殼單元[22]、實(shí)體單元[23]及混合單元[24]等單元類(lèi)型進(jìn)行研究，由于殼單元是四節(jié)點(diǎn)四邊形有限薄膜應(yīng)變線性減縮積，其性能穩(wěn)定，可以充分考慮剪切變形和局部屈曲效應(yīng)，且對(duì)于偏心支撐結(jié)構(gòu)的研究大多數(shù)是基于工字型截面展開(kāi)的，該截面一維尺寸(厚度)遠(yuǎn)小于另外兩維尺寸，相較而言，選擇殼單元對(duì)偏心支撐結(jié)構(gòu)的研究較為合理且同時(shí)能夠節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。

3 偏心支撐結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀與展望

3.1 研究現(xiàn)狀分析

我國(guó)規(guī)范[3]基于“小震彈性”計(jì)算設(shè)計(jì)地震作用，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮結(jié)構(gòu)延性差異，亦即無(wú)法考慮偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)延性所帶來(lái)的設(shè)計(jì)地震作用折減。在此前提下基于性能設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證罕遇地震作用下耗能梁段能夠充分進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)，非耗能構(gòu)件須考慮由應(yīng)變硬化和材料超強(qiáng)引起的內(nèi)力增大效應(yīng)，除此之外還需承受耗能梁屈服之后產(chǎn)生的內(nèi)力值，造成了設(shè)計(jì)截面變大(用鋼量增加)，這使得偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)在我國(guó)的推廣應(yīng)用遇到了瓶頸，工程界出現(xiàn)了認(rèn)可偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能、但實(shí)際工程應(yīng)用較少、造價(jià)較高的矛盾現(xiàn)象。為了充分發(fā)揮偏心支撐結(jié)構(gòu)較好的抗震性能和提高其經(jīng)濟(jì)效益(減少結(jié)構(gòu)整體的用鋼量)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要基于兩種設(shè)計(jì)思路來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一種高強(qiáng)鋼偏心支撐結(jié)構(gòu)體系，第二種削弱耗能梁段截面(主要為可替換式耗能梁)，本節(jié)將分別介紹這兩種方法。

高強(qiáng)鋼偏心支撐結(jié)構(gòu)體系中，耗能梁段為普通鋼(Q235或Q345)制作，其他非耗能構(gòu)件采用高強(qiáng)鋼(Q460等)制作。高強(qiáng)鋼偏心支撐結(jié)構(gòu)體系充分利用“強(qiáng)弱相對(duì)”的抗震設(shè)計(jì)思想，即普通鋼(弱)延性較好、變形能力較好，高強(qiáng)鋼(強(qiáng))強(qiáng)度較高，在地震發(fā)生時(shí)耗能梁段的塑性變形能夠充分發(fā)揮，并且在相同設(shè)計(jì)條件下由高強(qiáng)鋼制作的非耗能構(gòu)件的截面尺寸得以減小，降低了結(jié)構(gòu)整體的用鋼量，提高了經(jīng)濟(jì)性能。可替換式耗能梁偏心支撐結(jié)構(gòu)是把耗能梁段從橫梁中分離出來(lái)，形成一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)件(可以對(duì)耗能梁段截面進(jìn)行削弱)，之后通過(guò)端板螺栓連接或者腹板(如：雙槽鋼背對(duì)背)螺栓連接等兩種方式與框架梁連接。

總體上，上述兩種方法在提高偏心支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性(降低結(jié)構(gòu)整體用鋼量)的同時(shí)也出現(xiàn)了一些對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能不利的一面，如高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)體系中耗能梁段(普通鋼)與非耗能構(gòu)件(高強(qiáng)鋼)連接處的焊縫較多，造成了較嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象[19]；對(duì)于可替換式耗能梁來(lái)說(shuō)，端板的厚度、螺栓直徑、孔間距等因素均會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生影響[20]，造成了設(shè)計(jì)難度的增加，且耗能梁段與框架梁段的螺栓連接也大大增加了連接的工作量。

3.2 研究展望

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于偏心支撐結(jié)構(gòu)的研究大多數(shù)是基于構(gòu)件層面的研究，如耗能梁段的構(gòu)造(開(kāi)孔削弱、加勁肋的布置等)，而對(duì)于體系層面的研究較少。相關(guān)研究表明[25]，偏心支撐結(jié)構(gòu)的塑性鉸主要出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)下部的耗能梁處，結(jié)構(gòu)上部的基本處于彈性狀態(tài)，故造成了結(jié)構(gòu)體系變形不協(xié)調(diào)，耗能能力未得到充分發(fā)揮。因此，今后對(duì)于偏心支撐結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)該注重體系層面的研究，使各層耗能梁變形協(xié)調(diào)，提高其抗震性能。

4 結(jié)語(yǔ)

偏心支撐結(jié)構(gòu)中耗能梁段在正常使用階段或小震作用下處于彈性狀態(tài)，在罕遇地震作用下通過(guò)其塑性變形耗散地震能量，從而保護(hù)了其他的非耗能構(gòu)件，是一種較好的抗震結(jié)構(gòu)體系，但目前在我國(guó)的實(shí)際工程中應(yīng)用較少。本文對(duì)偏心支撐結(jié)構(gòu)的研究概述將有助于設(shè)計(jì)人員對(duì)該種結(jié)構(gòu)體系的進(jìn)一步了解，進(jìn)而促進(jìn)其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。