钢框架偏心支撑耗能梁段研究.docx

偏心支撑钢框架耗能梁段研究
前言
当抗弯钢框架采取合理的设计和施工时，可以表现出良好的延性，但抗弯钢框架结构弹性刚度较差，一般设计时由侧移控制。中心支撑框架虽然有很好的抗侧移刚度，但它的耗能能力由于支撑的屈曲而受影响。20世纪70年代早期，在日本提出了一种吸取抗弯钢框架和中心支撑各自优点而改良的钢结构体系，称为偏心支撑钢框架（EBF）。与中心支撑钢框架相比，偏心支撑钢框架在以下几个方面具有明显优势:
(1)能够准确有效地控制结构在水平地震下的变位，减小层间及整体结构的侧移;
(2)具有较大的结构延性;
(3)耗能梁段的剪切屈服起到类似“保险丝”的作用，耗散强烈地震时过多的能量;
(4)耗钢量小，可节省20%---30%的钢材;
(5)适用范围广，不仅适用于高层建筑结构，而且可用到多层建筑;
(6)提供一种刚性的结构体系而不过多地耗费钢材，具有较好的经济性;
典型的偏心支撑形式见图１，有加劲肋的关键的一段梁叫耗能梁段。

图１偏心支撑的常见类型

图2水平地震作用下偏心、中心支撑的变形状态
偏心支撑钢框架通过耗能梁段的弯曲和剪切将支撑中的轴力传递给柱或另一根支撑，耗能梁段以稳定的工作性能来担当结构中的“保险丝”，耗散地震能量。为了实现预期目的，耗能梁段需采取合理的构造细节以具有足够的强度和稳定的能量耗散能力，其他结构构件（耗能梁段以外的梁、支撑、柱和节点）需按能力方法设计，以耗能梁段实际能力产生的力而不是规范规定的设计地震荷载来设计。
1.基本性能
1.1内力分布特点
偏心支撑钢框架由于其框架梁与框架柱是刚性连接，而支撑斜杆与框架的梁、柱为铰接或刚性连接，因此这类框架既有框架的一些受力特点，即框架柱及框架梁均产生弯矩、剪力及轴向力；又有竖向悬臂桁架的受力特点，即支撑斜杆承担大部分水平剪力及相应的轴向力。但是，由于设置耗能梁段，故也有较明显的差异之处。由图3可知，偏心支撑有如下受力特点：在水平地震作用下，耗能梁段承受较大的杆端弯矩和竖向剪力，其轴向力较小；耗能梁段两侧或一侧的框架梁，承受较大的弯矩和轴向力；耗能梁段在跨中存在反弯点，故沿其纵轴变形呈Ｓ形。

图3Ｋ型和Ｄ型偏心支撑的内力分布
1.2耗能破坏机构
考察图4所示的理想弹塑性偏心支撑破坏机构，一旦耗能梁段剪切屈服，其塑性机构如图３所示，运用简单的塑性理论，可得：
或(1)
式中：为塑性侧移角（或塑性楼层侧移比）；为耗能梁段的塑性转角。从式（１）可以看出，耗能梁段的延性决定了整个偏心支撑框架的延性，在耗能梁段长度一定的情况下，耗能梁段的塑性转角越大，楼层的塑性转角也越大，即延性越好。结构在大震下弹塑性变形验算时，不仅要满足弹塑性层间位移角限值的要求，还要根据式（１）验算耗能梁段的转角是否超过耗能梁段本身的最大塑性转角。

图4偏心支撑的耗能塑性破坏机构
2.耗能梁段的设计
2.1耗能梁段的类型
图5为分离的耗能梁段，忽略轴力、弯矩与剪力的相互作用，当耗能梁段两端的弯矩和都达到其塑性弯矩时，两端则形成弯曲铰，当剪力达到塑性剪力时，剪切铰形成。

图5耗能梁段的内力平衡
塑性铰弯矩和塑性铰剪力按下式计算：
，（2）
当弯曲铰和剪切铰同时形成时，可由平衡条件得到：
（3）
式（３）即为剪切型和弯曲型耗能梁段的分界。
当，剪切铰先于弯曲铰形成，这种耗能梁段称为剪切型耗能梁段。
当，弯曲铰先于剪切铰形成。这种耗能梁段称为弯曲型耗能梁段，则相应的剪力为
（４）
基于理想的塑性理论，对式（３）可以简单地进行修正，以考虑弯矩和剪力的相互作用。然而试验研究结果表明，其相互作用非常小，故可以忽略。试验同时也表明，设置合理加劲肋的剪切型耗能梁段由于应变硬化，抗剪强度可达到1.5，耗能梁段两端端弯矩可达到1.2。所以式（３）可修正为：
（５）
试验研究表明，当偏心支撑中采用长耗能梁段时，偏心支撑的非弹性变形能力会明显降低，按照以上的逻辑，当弯曲铰主要控制耗能梁段的性能时，耗能梁段两端的弯矩可达到1.3，剪力控制在之内。则：为弯曲型耗能梁段；可认为是过渡区，此时，耗能梁段同时发生剪切和弯曲屈服，称为弯剪型耗能梁段。
图6对偏心支撑中的耗能梁段进行了分类，当长耗能梁段用于Ｄ和Ｖ型偏心支撑时，耗能梁段与柱焊接节点承受大的弯矩，很可能发生耗能梁段与柱连接节点的脆断。
在没有受建筑方面要求的限制时，耗能梁段宜选剪切型耗能梁段，一般可取0.10～0.15的梁长度。剪切型耗能梁段不但延性好，而且抗侧移刚度大，但耗能梁段不应过短，耗能梁段越短，其塑性变形越大，这样可能使得耗能梁段过早地破坏，同时耗能梁段与非耗能梁段的夹角越大，从而导致楼板破坏更严重。所以建议剪切型耗能梁段长度一般要大于。

图6耗能梁段的分类
2.2轴力对耗能梁段的影响
轴力的存在降低了耗能梁段的抗弯和抗剪以及变形能力，当轴力Ｎ超过全截面屈服轴力