偏心支撑钢框架结构的抗震性能研究综述★
2020-08-31吴扬州于海丰
方 斌 王 焱 吴扬州 于海丰 马 康
(1.河北省建设工程标准编制研究中心，河北 石家庄 050051； 2.河北科技大学建筑工程学院,河北 石家庄 050018)
0 引言
偏心支撑结构是一种新型抗震结构体系，兼顾了中心支撑结构和纯框架结构的优点，具有弹性刚度大、延性好及耗能能力好等优点，适用于高烈度抗震设防区域的多高层建筑物[1,2]。罕遇地震下，偏心支撑结构主要通过耗能梁段的塑性变形耗散能量(耗能梁段相当于结构“保险丝”)，其他非耗能构件(框架柱、框架梁及支撑等)基本处于弹性工作状态，由于偏心支撑钢框架结构具有良好的抗震性能，我国建筑抗震设计规范[3](后简称抗规)及JGJ 99—2015高层民用建筑钢结构技术规程[4](后简称高钢规)规定，8度抗震设防区及以上宜采用偏心支撑钢框架结构，因此对偏心支撑结构的研究是十分有必要的。基于此，本文对已有的偏心支撑结构体系的研究进行总结，希望增进相关研究人员与设计人员对此结构类型的了解以促进该结构体系的发展与应用。
1 偏心支撑结构基本概述
偏心支撑钢框架结构是指结构体系中的支撑斜杆，至少一端与梁连接(不在梁柱节点处)，另一端可连接在梁与柱的相交处，或在偏离另一支撑的连接点处与梁连接，这样就在支撑与柱之间，或者支撑与支撑之间形成了耗能梁段(图1中的3)[5]。根据支撑布置形式的不同，偏心支撑结构可以分为K形、D形、Y形、V形和A形等[6](见图1)。基于偏心支撑框架合理的结构布置，使其用钢量比中心支撑结构节约20%，纯框架结构节约30%，具有重要的工程使用价值[7]。
偏心支撑结构的设计原则为强柱、强梁、强支撑和弱耗能梁(“强弱相对”的抗震设计思想)，即罕遇地震下通过耗能梁段发生剪切塑性变形和弯曲塑性变形耗散能量，因此耗能梁段的设计对于整个结构体系来说尤为重要。故高钢规[4]根据耗能梁长度的不同把偏心支撑结构分为剪切型偏心支撑结构(e≤1.6Mp/Vp)、弯曲剪切型偏心支撑结构(1.6Mp/Vp
2 偏心支撑结构国内外研究综述
2.1 试验研究
罕遇地震下，偏心支撑结构通过耗能梁段的塑性变形耗散地震能量，以此来保护非耗能构件(基本处于弹性工作状态)。为了使耗能梁段的耗能更加充分，提高结构整体的抗震性能，为此国内外学者作了大量的研究，叙述如下。
Popov等通过试验对剪切屈服型耗能梁偏心支撑钢框架结构的设计方法、耗能梁段的构造(腹板高厚比、加劲肋的间距、厚度等)、节点构造及加载历史等进行了研究，结果表明偏心支撑结构通过耗能梁段的塑性变形耗散能量，防止了支撑过早的屈曲，延长了整体结构抗震反应时间，侧移和变形等均满足规范的要求，且整体的用钢量大大减小，并且通过布置合理的加劲肋(加劲肋与耗能梁段应采用全焊缝连接)和保证节点连接的可靠性等构造措施能够提高结构的抗震性能[8-10]。实际工程中，梁段上存在着混凝土楼板，为了研究楼板对结构抗震性能的影响，Ricles[11]对6个带楼板的剪切屈服型耗能梁和2个不带楼板的进行了循环加载试验，试验表明8个试件均是通过耗能梁腹板剪切变形耗散能量，楼板的存在会增加结构的初始刚度和承载力，延性略有降低，且楼板破坏时仅发生耗能梁段附近区域。
上述研究表明整个偏心支撑结构破坏只局限于耗能梁段附近(其他构件基本处于弹性状态)，震后为了提高修复受损耗能梁段的效率，可替换耗能梁[12](耗能梁段独立于梁段)由此产生。Stratan和Dubina[13]通过试验证明了宽翼缘工字钢截面可替换耗能梁段(端板螺栓连接)偏心支撑钢框架的可行性；Nabil Mansour[14]通过试验证明了端板螺栓连接和双槽钢背对背连接两种连接方式的可替换耗能梁偏心支撑框架均具有较好的延性和耗能能力。为了进一步提高偏心支撑结构的抗震性能，Dubina[15]把高强钢引用到偏心支撑结构体系中来并对单榀框架进行了试验，结果表明高强钢的引用减小了其他非耗能构件的塑性变形，使耗能梁段的耗能更加充分。
国内学者钱稼茹[16]、于安林[17]和石永久[18]等对偏心支撑结构进行了试验研究，试验结果均表明偏心支撑结构具有良好的性能。段留省[19]对4个 1/2 缩尺的高强钢组合的K形偏心支撑钢框架结构进行了试验研究并在试验后对耗能梁段进行更换(修复工作量较小)，更换后的结构极限承载力与原试件的基本相同，并根据试验结果建立了双线性恢复力模型(模型与骨架曲线基本相符)；为了研究可替换耗能梁段的抗震性能，殷占忠[20]对9根不同参数(耗能梁长度、加劲肋等)的剪切型耗能梁进行试验研究，结果表明所有试件的滞回曲线均饱满、性能稳定；张浩[21]把可替换耗能梁引进高强钢结构体系中来，同时为了研究这种新型结构的抗震性能和震后可替换修复能力(考虑楼板组合作用的影响)，对3个2/3缩尺试件进行了循环加载试验，结果表明耗能梁段的塑性变形较好且破坏主要发生在耗能梁段，有利于震后结构的快速修复，并且组合楼板对结构的承载力、可替换能力影响较小。总体来说，国内对偏心支撑结构的研究要晚于国外，但随着对其研究深入，研究成果不断丰富。
2.2 有限元研究
随着大型有限元软件的兴起，有限元研究不断发展，它作为了试验研究的一种补充，两种研究方法的同步应用可以提高科研效率。采用有限元研究的方法能够对偏心支撑结构进行大量的参数化分析(如耗能梁长度、腹板高厚比、翼缘宽厚比、加劲肋的厚度和间距等)，进而得出更全面的设计参数。通常采用壳单元[22]、实体单元[23]及混合单元[24]等单元类型进行研究，由于壳单元是四节点四边形有限薄膜应变线性减缩积，其性能稳定，可以充分考虑剪切变形和局部屈曲效应，且对于偏心支撑结构的研究大多数是基于工字型截面展开的，该截面一维尺寸(厚度)远小于另外两维尺寸，相较而言，选择壳单元对偏心支撑结构的研究较为合理且同时能够节省计算时间，提高计算效率。
3 偏心支撑结构研究现状与展望
3.1 研究现状分析
我国规范[3]基于“小震弹性”计算设计地震作用，设计时不考虑结构延性差异，亦即无法考虑偏心支撑钢框架结构延性所带来的设计地震作用折减。在此前提下基于性能设计时，为了保证罕遇地震作用下耗能梁段能够充分进入弹塑性工作状态，非耗能构件须考虑由应变硬化和材料超强引起的内力增大效应，除此之外还需承受耗能梁屈服之后产生的内力值，造成了设计截面变大(用钢量增加)，这使得偏心支撑钢框架结构在我国的推广应用遇到了瓶颈，工程界出现了认可偏心支撑钢框架结构具有较好的抗震性能、但实际工程应用较少、造价较高的矛盾现象。为了充分发挥偏心支撑结构较好的抗震性能和提高其经济效益(减少结构整体的用钢量)，国内外学者主要基于两种设计思路来实现，第一种高强钢偏心支撑结构体系，第二种削弱耗能梁段截面(主要为可替换式耗能梁)，本节将分别介绍这两种方法。
高强钢偏心支撑结构体系中，耗能梁段为普通钢(Q235或Q345)制作，其他非耗能构件采用高强钢(Q460等)制作。高强钢偏心支撑结构体系充分利用“强弱相对”的抗震设计思想，即普通钢(弱)延性较好、变形能力较好，高强钢(强)强度较高，在地震发生时耗能梁段的塑性变形能够充分发挥，并且在相同设计条件下由高强钢制作的非耗能构件的截面尺寸得以减小，降低了结构整体的用钢量，提高了经济性能。可替换式耗能梁偏心支撑结构是把耗能梁段从横梁中分离出来，形成一个独立的构件(可以对耗能梁段截面进行削弱)，之后通过端板螺栓连接或者腹板(如：双槽钢背对背)螺栓连接等两种方式与框架梁连接。
总体上，上述两种方法在提高偏心支撑结构经济性(降低结构整体用钢量)的同时也出现了一些对结构抗震性能不利的一面，如高强钢结构体系中耗能梁段(普通钢)与非耗能构件(高强钢)连接处的焊缝较多，造成了较严重的应力集中现象[19]；对于可替换式耗能梁来说，端板的厚度、螺栓直径、孔间距等因素均会对结构的抗震性能产生影响[20]，造成了设计难度的增加，且耗能梁段与框架梁段的螺栓连接也大大增加了连接的工作量。
3.2 研究展望
目前，国内外学者对于偏心支撑结构的研究大多数是基于构件层面的研究，如耗能梁段的构造(开孔削弱、加劲肋的布置等)，而对于体系层面的研究较少。相关研究表明[25]，偏心支撑结构的塑性铰主要出现在结构下部的耗能梁处，结构上部的基本处于弹性状态，故造成了结构体系变形不协调，耗能能力未得到充分发挥。因此，今后对于偏心支撑结构的研究应该注重体系层面的研究，使各层耗能梁变形协调，提高其抗震性能。
4 结语
偏心支撑结构中耗能梁段在正常使用阶段或小震作用下处于弹性状态，在罕遇地震作用下通过其塑性变形耗散地震能量，从而保护了其他的非耗能构件，是一种较好的抗震结构体系，但目前在我国的实际工程中应用较少。本文对偏心支撑结构的研究概述将有助于设计人员对该种结构体系的进一步了解，进而促进其在实际工程中的应用。
