K型偏心支撑钢框架结构在水平循环荷载作用下的力学性能研究

李灵君

（天水师范学院土木工程学院　甘肃　天水　741001）

K型偏心支撑钢框架结构在水平循环荷载作用下的力学性能研究

李灵君

（天水师范学院土木工程学院甘肃天水741001）

根据水平荷载作用下，偏心支撑钢框架结构的耗能梁段发生破坏的特点，设计了耗能梁段长度不同的4组试件，应用有限元软件ABAQUS分析了在耗能梁段上加与不加斜加劲肋的两种情况，作用循环荷载后的滞回性能。分析结果表明，耗能梁段的长度与Mp/Vp的比值较小时，加斜加劲肋后，框架的最大水平位移相对于不加有明显的增大，延性增加。

偏心支撑钢框架；耗能梁段；加劲肋；骨架曲线；循环荷载

偏心支撑钢框架结构是20世纪70年代出现的一种抗震结构体系。常见的偏心支撑钢框架结构的形式如图1所示，在耗能梁段处标有字母e。K型偏心支撑结构是最常见的一种耗能结构形式，如图1的左边第一个图所示。

图1　偏心支撑钢框架体系

《高层民用建筑钢结构技术规程》规定：e≤1.6Mp/Vp，其中Mp为全截面的塑性弯矩，Vp为全截面的塑性剪切力，e为耗能梁段的长度。当e在1.0Mp/Vp～1.3Mp/Vp范围内时，耗能梁段耗能能力最佳。但是通常，受建筑构造等因素的制约，有时可能要把耗能梁段做得短一些，不能在最佳耗能的范围之内。梁段越短，塑性变形会越彻底，但也易造成梁段的腹板过早破坏，影响结构的总承载力。根据耗能梁段腹板破坏时的应力状态，为防止腹板过早发生破坏，加斜加劲肋于腹板上。应用有限元软件ABAQUS，分析比较5组试件它们在加与不加斜向加劲肋的情况下，施加水平荷载后，框架刚度、水平承载力、滞回效应等力学性能的变化。

1　有限元模型概述

1.1材料定义

分析用钢材为Q235级钢，考虑了钢材材性的应变强化，应用等向强化模型，所有钢材材性均为名义值。屈服强度fy= 235MPa，抗拉强度fu=375MPa，弹性模量E=2.06×105，泊松比μ= 0.3，极限应变εu=0.2。

1.2试件设计

分析模型如图2所示，其中H=3600mm，L=6300mm，B=2475～ 2850mm，试件中构件的的连接均采用刚接，构件尺寸如表1所示。根据《高层民用建筑钢结构技术规程》，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。横向加劲肋取（90×10）mm，间距取150mm，斜向加劲肋取（50×6）mm。

图2　试件模型

表1　试件的杆件尺寸（单位：mm）

表2　耗能梁段的长度e（单位：mm）

1.3加载方式

有限元分析中，在图2所示的加载位置施加水平位移荷载。根据《建筑抗震试验方法规程》（JBJ101-96）的要求，并参考ECCS的完全加载制度，采用以下加载制度：先单向加载于框架顶部，根据荷载-位移曲线，求出耗能梁段的弹性水平位移Δy和对应的水平力Fy，再按Δy、2Δy、3Δy、…的方式施加循环荷载，每级一周，直到试件破坏。

1.4有限元分析模型

在分析中，所有构件均采用壳单元。因梁、柱及支撑未发生塑性变形，仅考虑了几何非线性，对发生塑性变形的耗能梁段既考虑了几何非线性，有考虑了材料非线性。柱、支撑和地面的约束边界采用了固接。

2　非线性有限元分析

在循环荷载作用下，模型的刚骨架曲线如图3～7所示，从骨架曲线可以看出，试件1、试件2和试件3，加斜加劲肋后，框架的承载力相对于不加有明显的提高，在循环荷载作用下的最大位移也有明显的增大；试件4和试件5，加斜加劲肋后，框架的承载力相对于不加有明显的提高，但在循环荷载作用下的最大位移减小了。这是因为随着耗能梁段的增长，长度接近1.0Mp/Vp～ 1.3Mp/Vp范围，耗能梁段进入了最佳的耗能状态，如果在对其加斜加劲肋加固，限制了其发生充分剪切变形，整个试件的破坏是源于其他构件，而非耗能梁段。

图3　试件1的骨架曲线

图4　试件2的骨架曲线

图5　试件3的骨架曲线

图6　试件4的骨架曲线

3　结论

通过对五组试件的分析，得出以下几点结论：

图7　试件5的骨架曲线

（1）不管耗能梁段的长度如何，加斜加劲肋后都能提高框架的水平承载力。

（2）耗能梁段较短时，加斜加劲肋后，在循环荷载作用下的最大水平位移有明显的增大，延性增加。随着耗能梁段长度的增加，最大水平位移有明显的减小，延性降低，耗能能力变差，不利于抗震。

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TU391

A

1673-0038（2015）17-0114-02

2015-1-23

李灵君（1980-），男，讲师，硕士，研究方向为钢结构。