两种偏心支撑钢框架受力性能对比分析

姜作杰 章梓茂

(1.呼伦贝尔学院建筑工程学院，内蒙古 海拉尔 021008； 2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

两种偏心支撑钢框架受力性能对比分析

姜作杰1章梓茂2

(1.呼伦贝尔学院建筑工程学院，内蒙古 海拉尔 021008； 2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

建立了空间Y型与K型偏心支撑钢框架有限元模型，对两种模型框架进行了单向加载和循环加载试验，对比分析了两种空间偏心支撑框架的屈服强度、极限承载力、侧向刚度、延性和耗能能力等方面受力性能的差异,为工程设计提供参考。

Y型偏心支撑,K型偏心支撑,受力性能

0 引言

偏心支撑钢框架结构是主要应用于抗震设计的一种结构形式，其具有较大的弹性刚度和良好的抗震性能。近年来，国内外学者对偏心支撑钢框架进行了大量的试验和数值分析，得到了具有实际意义的结果，很多结论在工程方面得到了广泛应用，目前，Y型和K型偏心支撑框架在工程中较为常见。为更接近工程结构的实际受力情况，本文利用ANSYS11.0工程软件建立空间Y型和K型偏心支撑钢框架实体模型进行分析(见图1)，为工程结构设计提供建议。

分析时考虑材料非线性性能，分析方法采用有限元法。研究了两种模型框架的整体受力性能，通过数值模拟，分析三层钢框架在单向荷载和循环荷载情况下的行为特征，对比分析了Y型和K型偏心支撑钢框架的屈服强度、极限承载力、延性、刚度和耗能能力等。

1 有限元模型的建立

1.1 试件的几何尺寸

根据前人对Y型和K型偏心支撑钢框架的研究成果，按照典型剪切屈服型模型来确定模型框架及各构件的几何尺寸[1-3]。其中，模型框架层高设计为3.6 m，跨度为6 m，空间框架进深取4 m，设计3层；梁、柱和支撑均采用H型钢，梁截面采用H350×250×9×14，柱截面采用H450×300×11×18，支撑采用300×200×8×12，Y型偏心支撑框架耗能段截面采用H500×200×10×16，Y型框架耗能段高取500 mm，K型框架耗能段长度取800 mm，所有结点均假设为理想的刚性连接形式。

1.2 有限元单元的选取及网格划分

偏心支撑钢框架在罕遇地震作用下耗能梁段腹板首先进入塑性，这种耗能段的塑性变形是偏心支撑钢框架耗能的主要方式，这样耗能段将会产生很大的塑性变形，为了研究更为详细准确，模型框架的网格划分采用三维八结点实体单元Solid45，这种实体单元支持材料塑性、徐变、应力硬化、大应变和大变形，网格划分采用自由划分方式，这样能划分出比较连续的网格，单元节点的力和力矩也能够很好地传递[4]。

1.3 定义材料参数

模型框架中各构件的材质均采用Q235钢，焊条采用E43型焊条。钢材的弹性模量取为E=2.06×105MPa，切线模量取为Et=0.02E，泊松比μ=0.3。模型框架在单向荷载作用时采用服从Von-Mises屈服准则的多线性随动强化本构模型。考虑到钢材在循环荷载作用下没有明显的屈服平台，在计算循环荷载作用下的响应时，参照EI-Tawil等人[5]的方法，取极限荷载点与屈服点连线的材料斜率作为强化模量，并且采用考虑应变强化和带有下降段的三折线模型，以考虑在循环荷载作用下钢材的Bauschinger效应。

根据实验统计资料，钢材性能参数如表1所示。

表1 钢材性能参数明细

1.4 加载制度与破坏准则

为了使模型框架的受力状态更接近实际工程结构的情况，假定模型框架柱脚与地面为理想刚接，并在柱顶施加了0.4Ny(Ny为柱全截面屈服时所能承受的压力)的轴力。另外由于水平集中荷载作用在柱顶翼缘板上，为避免发生应力集中或局部变形过大，将顶层梁端部位置柱侧面的节点沿水平荷载的施加方向的自由度UX耦合在一起。进行结构静力分析时，参照GBJ 101-96建筑抗震试验方法规程[6]中的有关规定，在梁端以集中力的形式对Y型偏心支撑框架施加单向水平荷载，加载方式如图2所示。

根据单向荷载下的荷载位移曲线计算结构的塑性位移Δy，采用“通用屈服弯矩法”(G.Y.M.M)[7]来确定结构的屈服点。循环加载时按照如下加载方式：Δy/2，Δy，2Δy，3Δy，4Δy，5Δy…各循环一周，直至试件破坏。空间钢框架结构在荷载作用下的破坏形态十分复杂，并且ANSYS本身并没有固定的破坏准则，所以本文中，当钢框架的承载力超过极限荷载并降至其0.85倍的极限荷载时就认为框架破坏[7]。

2 受力性能分析

2.1 框架的应力分布

图3a),图3b)分别为空间K型模型框架在屈服阶段和极限状态下的Von-mises等效应力云图，从图3中可以看出，模型框架屈服时耗能梁段腹板的等效应力最大，耗能梁段首先进入屈服，而其他部分的应力还很小，都处于弹性范围内；模型框架在极限状态时耗能梁段已经达到极限状态，柱脚及柱顶局部应力也较高但未达到极限应力，而模型框架的其他部分的应力还比较小，很多还处于弹性阶段，这说明在K型偏心支撑框架上施加外力时耗能段首先进入塑性发生塑性变形，外力功大部分由耗能段吸收，这表明K型偏心支撑能有效的保证框架的整体性，但框架进入破坏阶段时耗能梁段产生了很大的竖向变形。

图4a)，图4b)分别为空间Y型模型框架屈服阶段和极限状态的Von-mises等效应力云图，可以看出，Y型偏心支撑框架的受力状态与K型框架基本一致，都是耗能段腹板上的等效应力最大，屈服阶段时除耗能段外都处于弹性阶段，极限状态时，耗能段达到极限应力，除柱脚及柱顶局部应力较高外，其他部分的应力都很小，处于弹性阶段。这表明施加在Y型偏心支撑框架上的外力功大部分由耗能段吸收，耗能段首先进入塑性发生塑性变形，因此，Y型偏心支撑能有效的保证框架的整体性。

2.2 强度和刚度

两种空间模型框架在单向荷载作用下的试验结果如图5和表2所示，可以看出，空间K型模型框架的屈服强度明显高于空间Y型模型框架，K型模型框架的屈服位移略大于Y型的；从两种支撑框架的极限承载力来看，K型框架的极限强度高于Y型框架，K型框架的塑性位移比Y型框架要略大。从而可知，K型偏心支撑框架的屈服强度和极限强度较Y型框架高，并且两种框架的屈服位移和极限位移相差不多。这说明K型偏心支撑钢框架的强度和刚度要大于Y型偏心支撑钢框架，这个结果与文献[8]的试验结果是相符的。

两种偏心支撑框架在水平循环荷载作用下的滞回曲线如图6所示。由图6可以看出，两种框架的滞回曲线都非常饱满以及稳定，呈纺锥形，这表明两种偏心支撑框架都具有良好的耗能性能和延性特征，相对来说，K型框架的滞回曲线更为饱满，说明K型框架的强度和刚度要比Y型框架的高，并且K型框架的延性更优。

表2 Y型，K型偏心支撑框架计算结果对比

两种模型框架在循环荷载作用下的骨架曲线如图7所示，从曲线中可以看出，空间K型模型框架的强度和刚度要高于空间Y型框架，这与单向荷载作用下的结果是一致的。

图8为两种模型框架在循环荷载作用下的割线刚度退化曲线，从图8中可以看出两种框架的刚度退化规律相差不多，K型偏心支撑框架前期退化比Y型要快，但后期相差不多，这说明Y型偏心支撑钢框架的早期刚度比较高。

2.3 耗能能力

从两种框架模型在循环荷载作用下的荷载位移曲线可以看出，两种框架都具有非常饱满的纺锥形滞回曲线，说明两种框架均具有良好的耗能性能。两种偏心支撑模型框架的耗能情况如图9所示，可以看出，K型偏心支撑框架的延性更好，耗能能力更强，K型模型框架耗散的能量比Y型模型框架高20%。

3 结语

有限元分析研究的结果与试验的结果基本一致[8]，可得出以下的结论：空间K型偏心支撑框架的强度和刚度高于空间Y型偏心支撑框架；两种偏心支撑框架的延性和耗能能力都比较好，相对来说，空间K型偏心支撑框架的耗能能力更优；空间Y型偏心支撑框架能提供较大的初始刚度，并且耗能段破坏后比较容易修复，但施工过程中结点处理较为麻烦，空间K型偏心支撑框架的延性和耗能能力好，但耗能段会产生较大的竖向变形。总之，两种偏心支撑框架各有优点，设计过程中要综合考虑加以采用。

[1] 贾子文，龚永忠，于安林.Y型支撑钢框架耗能段滞回性能研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2001，33(4)：375-378.

[2] 方 祥，叶燎原.耗能框架结构中几个问题的探讨[J].云南工业大学学报，1998，14(2)：1-5.

[3] 郭秉山，庄晓勇.K型偏心支撑钢框架耗能梁段长度探讨[J].工业建筑，2007，37(3)：81-85.

[4] 王勖成，邵 敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].第2版.北京：清华大学出版社，1996.

[5] EI-Tawil, S. Strength and Ducthity of FR Weld-Bolted Connections[J].Rep. No. SAC/BD-98/0l, SAC Joint Venture, Sacramento, Cal, 1998(5):27-29.

[6] JGJ 101-96，建筑抗震试验方法规程[S].

[7] 姚谦峰，陈 平.土木工程结构试验[M].北京：中国建筑工业出版社，2001：219-220.

[8] 于安林，赵宝成，李仁达，等.K形和Y形偏心支撑钢框架滞回性能试验研究[J].建筑结构，2010，40(4)：9-12.

Comparative analysis of two types eccentrically braced steel frames

JIANG Zuo-jie1ZHANG Zi-mao2

(1.Architecture Engineering School, Hulunbuir College, Hailaer 021008, China;2.Building and Civil Engineering College, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

The finite element model of Y type and K type eccentrically braced steel frames are established. The one-way loading and cyclic loading tests on two kinds of framework. The stress performance of the model is different by comparative analysis, such as yield strength, ultimate bearing capacity, lateral stiffness, ductility and energy dissipation capacity and so on. The results provide the reference for the engineering design.

Y shape eccentrically braced, K shape eccentrically braced, mechanical performance

1009-6825(2014)31-0057-03

2014-08-27

姜作杰(1979- )，男，硕士，高级工程师，讲师； 章梓茂(1959- )，男，博士，博士生导师，教授

TU311

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