偏心支撑窑尾塔架结构耗能特性研究

崔吉民，李 苑，魏文晖，申昌俊，陈 军

（1.天津水泥工业设计研究院有限公司，天津300400；2.武汉理工大学，武汉430070）

水泥厂窑尾结构是一种平面尺寸小，总高、层高大，而且荷载大的工业特种结构，通常采用底层混凝土、上层中心支撑钢结构的形式。高烈度地区，支撑容易发生屈曲，造成结构体系刚度及耗能能力急剧下降，偏心支撑可较好的解决中心支撑在高烈度地区存在的缺陷。在风荷载及在中小地震作用时，消能梁段处于弹性变形阶段，窑尾结构具有相当大的侧向刚度，不致发生影响正常使用的过大变形；在强烈地震作用下，消能梁段先于支撑屈曲而屈服，耗散结构能量，达到消能减震的目的。

为了全面掌握偏心支撑窑尾结构的耗能特性，该文对不同耗能梁段长度的典型单层偏心支撑窑尾框架结构进行低周反复荷载弹塑性分析，得到不同耗能梁段长度的单层偏心支撑窑尾结构的受力状态和滞回曲线，定量的计算出结构所耗散的能量，以此为依据比较不同耗能梁段长度结构的延性和耗能能力，为偏心支撑窑尾框架结构设计提供依据。

1 工程背景和单层计算模型

以某6 000t／d规模水泥生产线建设工程的烧成窑尾框架结构为分析对象。该结构共八层，总高91.71m。其底部为钢筋混凝土结构，上部为钢框架－支撑结构体系。框架柱和梁为H型钢梁，支撑则采用空心钢管，由于篇幅限制，构件详细几何尺寸省略。结构标准层平面图和立面图如图1、图2所示。

选取混凝土－钢框架窑尾结构第四层作为偏心支撑框架单元作为研究对象，其跨度为15m，层高12.51m，在边跨设置偏心支撑，三维实体单元如图3所示，耗能梁段长度及编号见表1。梁、柱和支撑均采用Q345钢，泊松比取0.3。钢材的弹性模量取2.1×105MPa，所有材料为均质的各向同性材料。为提高模型模拟的可靠性和真实性，模型尽可能的与偏心支撑钢框架在实际结构中的受力状态一致。该模型中约束了框架柱底所有自由度，即认为框架柱脚采用刚接。考虑平面外梁对框架的侧向支撑作用，同时约束了梁柱节点位置处的平面外自由度。

表1 模型编号 ／m

2 计算结果及其分析

2.1 塑性区发展

偏心支撑相比于中心支撑最大的区别在于可以通过合理设计使耗能梁段先于其它构件屈服，从而起到保护结构（主要是支撑）的作用。为验证这一点，并分析偏心支撑框架在支撑与耗能梁段两种不同连接形式下进入塑性的先后顺序，提取模型等效应力刚超过材料屈服应力时的应力云图，由于模型较多，选取部分如图4、图5所示。

从图4、图5中可以看出，在水平荷载作用下，中心支撑窑尾结构在梁端和支撑两边均有较大应力，支撑和梁连接部位均已屈服；而偏心支撑窑尾结构耗能梁段首先进入塑性，支撑斜杆、框架柱和框架梁等构件均尚处于弹性阶段，尤其是支撑尚处于平直状态，这说明通过合理的设计，可以保证耗能梁段有效保护支撑斜杆，避免了支撑等其他构件的过早屈服起到结构保险丝的作用。

2.2 耗能能力分析

在对单层模型施加位移控制的低周反复荷载，加载制度采用ECCS的完全加载制度：先施加单向力荷载，得到单向荷载作用下的荷载－位移曲线，再采用“通用屈服弯矩法”（G.Y.M.M）确定结构的屈服点，从而确定屈服荷载Py和对应的屈服位移Δy；在前一阶段得到屈服位移Δy之后，对结构加载低周往复位移荷载，该文中所有模型循环加载按Δy／4、Δy／2、3Δy／4、Δy、2Δy、3Δy……方式进行，每级位移循环一次，直至模型破坏（分析结果不再收敛）。加载程序如图6所示。

分析过程中，当梁端水平位移大于模型的弹性极限位移时，模型的耗能梁端最先出现塑性区，耗能梁段开始耗能。加载结束后，可得到模型梁端水平力与水平位移的关系曲线，即模型的滞回曲线。图7和图8为中心支撑（K－0）和偏心支撑（K－12）的滞回曲线（注：由于篇幅限制，其他耗能梁段长度滞回曲线省略）。

从图7、图8可以看到，中心支撑和偏心支撑模型的滞回曲线都非常饱满，不存在中捏现象，模型均表现出良好的延性和耗能能力，但中心支撑模型耗能明显略低于偏心支撑模型耗能。对模型的滞回曲线进行数值积分，即可得出位移控制的低周反复加载作用下模型耗散的能量，见表2。

表2 模型耗散的能量／MJ

从表2可以看到，耗能梁段长度在0.6m增加到1.6m时，结构耗能能力最好，耗能梁段长度在1.6m增加到2.0m时，随着耗能梁段长度增大，结构耗能能力反而下降。这是因为耗能梁段较短的模型在进入塑性阶段后，耗能梁段更早更充分地发生了剪切塑性变形，模型的耗能性能更好，但是如果耗能梁段过短，会使模型发生塑性剪切变形的区域变小，也会影响偏心支撑框架耗能能力的发挥。

3 结 论

a.耗能梁段在大震中的剪切塑性变形使偏心支撑框架具有良好的减震耗能能力和刚度退化机制，在大震作用下，偏心支撑窑尾结构的柱底内力和梁端弯矩均小于中心支撑窑尾结构，偏心支撑框架具有较好的抗震性能。抗震烈度为8度和9度地区建议窑尾结构采用偏心支撑框架。

b.对于该文的工程窑尾结构，采用耗能梁段长度在0.6～2.0m的偏心支撑框架，可改善窑尾结构的抗震性能。耗能梁段长度在0.8m以上的偏心支撑框架的延性系数大于4.0，可以达到延性设计的目的。

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