偏心支撑体系在多层钢结构框架中的应用研究.pdf

第2 4 卷第2 期 2 0 0 7 年6 月 华中科技大学学报 城市科学版 J ，o fH U S T ． U r b a nS c i e n c eE d i t i o n V 0 1 ．2 4N o ．2 J u n ．2 0 0 7 偏心支撑体系在多层钢结构框架中的应用研究 王元清1 ’2 ，王斌斌1 ’2 ，石永久1 ’2 ，刘歌青1 ’2 ，陈 宏3 1 - 清华大学土木工程系，北京1 0 0 0 8 4 ；2 ．清华大学结构工程与振动教育部重点实验室，北京1 0 0 0 8 4 ； 3 ．清华大学建筑设计研究院，北京1 0 0 0 8 4 摘要钢结构偏心支撑体系在国外已被广泛应用于多层钢框架中，而我国8 ～1 2 层钢结构框架仍以混合型体 系为主。为了推广这种体系，详细介绍了耗能梁的分类、耗能梁对偏心支撑结构的作用、多层钢框架中弯曲型耗 能梁偏心支撑钢结构体系在弹性阶段对侧移的控制及设计。分析表明，这种新型体系受力性能合理、弹性 刚度好、经济性能高，适用于在多层钢框架中应用。 关键词多层钢框架；偏心支撑体系；耗能梁 中图分类号T U 3 5 2文献标识码A文章编号1 6 7 2 7 0 3 7 2 0 0 7 0 2 0 0 0 1 0 4 目前，我国8 ～1 2 层的多层钢结构框架多是 混合结构，利用电梯井、楼梯间构成混凝土剪力墙 或混凝土核心筒，以抵抗水平风荷载与地震作用。 钢框架主要承受竖向垂直荷载，常用的钢框架体 系主要包括纯框架体系、中心支撑体系和偏心支 撑体系。 纯框架结构在平面布置上具有很大灵活性， 有稳定的弹塑性滞回性质和良好的耗能性能。但 是弹性刚度差，结构较柔，当侧移刚度成为设计控 制时，需采用经济指标差的梁柱截面。中心支撑体 系在弹性阶段具有良好的刚度，能有效控制结构 侧移，是多重抗侧力体系。但中心支撑的延性和耗 能能力小，支撑受压屈曲后易使结构丧失承载力 而破坏，其布置影响建筑设计的灵活性。偏心支撑 体系兼顾了纯框架结构与中心支撑体系的优 点[ 。在正常使用阶段，偏心支撑具有较大的刚 度，结构侧移较小；在大地震作用下，利用耗能梁 段的塑性变型吸收能量，具有很好的耗能效果，并 可防止支撑过早屈曲引起的承载能力的降低。其 布置能够兼顾建筑设计的要求。 1 偏心支撑耗能梁 偏心支撑的每一个支撑至少有一端与刚架梁 连接。梁中较短的一段称为耗能梁，长度为e 图 1 。耗能梁根据屈服机制，分为剪切型、弯剪混合 型和弯曲型耗能梁。 耗能梁的长度决定耗能梁的类型。耗能梁长 度较小时，截面剪力达到 截面腹板的屈服剪力y ，， 形成剪切塑性铰，截面弯 矩小于截面翼缘屈服弯 矩蛑。由于剪力分布较图1 单榀K 形偏心支撑 均匀，剪切塑性铰在耗能 梁内分布范围较大，因此剪切型耗能梁具有更好 的变形能力与耗能效果。随着长度的增加，耗能梁 端部弯矩增加，耗能梁由剪切型向弯曲型过渡。当 长度较大时，耗能梁端部的截面弯矩达到截面塑 性弯矩坛，形成弯曲塑性铰。 当耗能梁长度达到剪切塑性铰的临界长度 时，耗能梁端部弯矩为埘，临界长度理论值为[ 2 ] L 。一Z M ；／Y ，。 1 多层框架梁多为工 一 字形截面 图2 ，如忽略 腹板对截面翼缘屈服弯 矩懈的贡献，耗能梁形 成剪切塑性铰的临界长l 度近似为 0 ‘●‘．- I L 。 2 ／3b f t f ／t 。。 2 图2 工字形刚架梁截面 美国钢结构协会根据伯克利大学波波夫等人 研究成果，建议耗能梁按照以下规则分类[ 3 ] 剪切型耗能连梁e ≤1 ．6 蝇／V ，； 3 混合型耗能连梁1 ．6 M , ／V ， P O ．5 时，偏心支撑结构的刚度与纯 框架的刚度很接近，偏心支撑对结构的刚度几乎 没有贡献。 雹 瓣 曝 越 魁 区 漆 暮 图3 相对基本自振频率的比较 图4 相对侧移的比较 b ．由图5 和6 可觅，偏心支撑体系受力合理。 偏心支撑的存在减小刚架梁的跨度，降低了梁内 最大弯矩，对刚架梁以及梁柱节点的受力是有利 的；对于刚架柱，偏心支撑分担了水平荷载，增大 了结构刚度，减小了柱间位移。 c ．耗能梁长度e 越小，偏心支撑对刚架梁柱 的有利作用越明显。当e ／L o ．3 时，偏心支撑分 担水平荷载的6 0 ％以上。结合建筑要求，合理选 择耗能梁长度，对结构的强度与刚度有良好效果。 l 0 ．8 筮0 ．6 R 氰O ．4 O ．2 图5 相对耗能梁端部弯矩的比较 O0 ．1 0 ．20 ．30 ．40 ．50 ．6 0 ．70 ．80 ．91 e } L 图6 相对柱脚剪力的比较 3 偏心支撑体系用于多层钢框架 3 ．1 偏心支撑体系对多层框架侧移控制 高层钢结构自重大，对地震作用敏感，偏心支 撑体系的作用主要是耗能梁发生塑性变形，消耗 地震能量，这时应采用耗能效果好的剪切型耗能 梁。多层钢框架自重轻，对地震作用不敏感，偏心 支撑主要起着增加刚度，控制侧移，降低梁柱截面 的作用，这时可采用有建筑布置优势的弯曲型耗 能梁。本文结合9 度抗震设防地区的三跨多层钢 框架 图7 ，分析不同耗能梁长度在弹性阶段对 侧移的控制，得到以下结论。 ／＼ ／＼ ／＼ ／＼ ∞ ／＼ o o n ／＼ ／＼ ／＼ L 墨兰 ．f 图7 平面分析模型／r a m a ．从图8 图中曲线从下向上依次为中心支 万方数据万方数据 第2 期王元清等偏心支撑体系在多层钢结构框架中的应用研究3 撑体系，P 2 ．1 ，2 ．6 ，3 ．1 ，3 ．6 ，4 ．1 ，4 ．6 M p ／v ，的 偏心支撑体系及框架体系。8 层及1 0 层的结构侧 移曲线与1 2 层类似 可见无论是弯曲型，还是剪 切型耗能梁，偏心支撑体系刚度性能与中心支撑 体系相近，均能有效提高结构刚度。 图81 2 层结构侧移曲线的比较 b ．随着层数增高，为了满足楼面荷载承载力 的要求，刚架梁翼缘加宽、腹板增高，截面特性发 生变化，耗能梁形成剪切塑性铰的临界长度随着 增加。对于8 ～1 2 层的多层轻钢钢框架，耗能梁长 度在3 ．O M p ／V 。～4 ．O M J V ，之间 相当于耗能梁 长度在0 ．3 L ～o ．4 L 之间 ，能够满足钢框架门窗 开洞的要求 表1 。 表1耗能梁的长度0 a ‘M ，／v ， 跨度曼 刚架梁截面 。一3 ．1 。一3 ．6 。4 ．1 L ／m m 数／r a m 盛曩纯框架{ 旱笔裟 50 0 08 1 ／2 3 21 ／3 8 21 ／3 5 91 ／3 3 9 81 ／2 4 01 ／4 8 31 ／4 5 81 ／4 3 4 70 0 01 0 1 ／2 5 71 ／4 7 71 ／4 5 2 1 ／4 2 8 1 2 1 ／2 6 61 ／4 6 81 ／4 4 31 ／4 2 0 80 0 081 ／2 4 41 ／5 2 01 ／4 9 51 ／4 7 1 c ．随着层数增高，耗能梁形成剪切塑性铰的 临界长度增加，偏心支撑位置发生变化，支撑的偏 心度增大，因此偏心支撑对结构刚度的贡献略微 下降。但是，对于耗能梁长度为3 ．O M , ／V 。～4 ．0 ％／U 之间的偏心支撑结构，均可以将层间的最 大侧移控制在规范允许的6 0 ％～8 5 ％以内，能够 有效控制结构侧移 表2 。 3 ．2 偏心支撑体系在多层钢框架中的设计 偏心支撑体系的设计原则与其工作原理一 致[ 4 ’7 10 1 在中、小地震作用下，所有构件在弹性 阶段工作，由支撑提供主要的抗侧力刚度，体系的 工作性能与中心支撑框架相似；在大地震作用下， 保证支撑不发生受压屈曲，耗能梁段发生塑性变 形吸收地震能量，体系的工作性能与抗弯框架相 似。 多层钢结构框架自重轻受地震作用小，采用 有利于建筑设计的，又能够有效控制结构弹性阶 段侧移的，耗能梁长度在3 ．O M , ／V ，～4 ．O M p ／V ， 之间的偏心支撑体系，设计包括以下三个部分。 3 ．2 ．1弯曲型耗能梁加劲肋的设计在耗能梁 内布置加劲肋是耗能梁控制局部屈曲，增强耗能 效果的有效手段。随着耗能梁长度的增加，加劲肋 的布置与作用亦发生变化。剪切型耗能梁的局部 失稳主要是腹板的剪切屈曲；弯曲型耗能梁的局 部失稳主要是翼缘的屈曲以及耗能梁内的侧向失 稳[ 5 ] 。耗能梁长度在3 ．O ％／V ，～5 ．O 珥／V ，之间 的弯曲型耗能梁的加劲肋布置参考以下原则[ 6 ] 。 a ．在距耗能梁端部1 ．5 6 f 处配置中间加劲 肋，间距不应大于 5 2 t 。- - h ／5 。 b ．耗能梁端部上下翼缘设置侧向支撑，支撑 的轴力设计值不小于耗能梁翼缘轴向承载力设计 值的6 ％，即0 ．0 6b f t f f 为钢材受压承载力设计 值 。 c ．非耗能梁的上下翼缘也要设置侧向支撑， 支撑的轴力设计值不小于梁翼缘轴向承载力设计 值的2 ％，即0 ．0 2b f t f f 。 3 ．2 ．2 框架梁的设计多层钢框架的荷载分布 均匀，刚架梁内的最大弯矩及最大应力均发生在 耗能梁端部，采用等截面刚架梁，有利于设计与施 工。对于弯曲型耗能梁，为了保证翼缘的局部稳 定，翼缘外伸部分的宽厚比要小于8 c 引。 3 ．2 ．3支撑杆件的设计 偏心支撑体系支撑杆 件的长细比、宽厚比应满足建筑抗震设计规范 和钢结构设计规范的要求。为防止耗能梁外的 刚架梁承受大的轴力，偏心支撑与梁的角度应大 于3 5o [ 。根据本文分析，为了保证偏心支撑对结 构侧移的控制，多层钢框架的偏心支撑与梁的角 度不应大于6 5 。。 4结论 a ．弯曲型耗能梁偏心支撑钢结构体系受 力性能合理、弹性刚度好、梁柱截面经济、施工方 便、建筑布置灵活，适于8 ～1 2 层的多层钢框架。 b ．偏心支撑钢结构体系设计时，应注意弯曲 如加m∞粥鲫加印∞∞∞加m 0 IIIu＼漆晕 万方数据万方数据 4 华中科技大学学报 城市科学版2 0 0 7 年 型耗能梁加劲肋、框架梁和支撑杆件的技术特点。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 B r u n e a uM i c h e l ，U a n gC h i a M i n g ，W h i t t a c k e rA n d r e w ．D u c t i l eD e s i g no fS t e e lS t r u c t u r e s [ M ] ．N e w Y o r k M c G r a w H i l l ，19 9 8 ． 李国强，沈祖炎．结构框架体系弹性及弹塑性分析 与计算理论[ M ] ．上海上海科学技术出版社， 1 9 9 6 ． A I S C 。S e i s m i cP r o v i s i o n sf o rS t r u c t u r a lS t e e lB u i l d i n g s [ S ] ． P o p o vEP ，E n g e l e l h a r d tMD ．S e i s m i ce c c e n t r i c a l l yb r a c e df r a m e s [ J ] ．J o u r n a lo fC o n s t r u c t i o n a l S t e e lR e s e a r c h ，1 9 8 8 ， 1 1 3 2 1 3 5 4 ． E n g e l e l h a r d tMD ，P o p o vEP ．E x p e r i m e n t a lp e r f o r m a n c eo f l o n g l i n k s f r a m e s [ J ] ．J o u r n a lo f 1 9 9 2 ， 1 1 30 6 7 30 8 8 ． i n e c c e n t r i c a l l y b r a c e d S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， [ 6 3G B5 0 0 1 卜2 0 0 1 ，建筑抗震设计规范[ s ] ． [ 7 ]刘歌青．多层民用建筑钢结构抗侧力体系研究 [ D ] ．北京清华大学土木工程系，2 0 0 2 ． [ 8 3 王元清，石永久．多层轻型房屋钢结构的设计与应 用研究[ J ] ．建筑结构，1 9 9 9 ， 6 6 - 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