偏心支撑钢框架延性抗震设计探讨

偏心支撑钢框架结构体系是一种非常适合强震地区的抗震结构体系.国内外许多高层建筑采用了该结构体系,尤其在美国与日本的高地震烈度地区.国内外现行规范对该体系的设计均未能充分体现其良好的延性与耗能能力,但只有通过结构的延性设计才能使结构真正具有耗能能力.本文从不同支撑类型的刚度、高跨比、延性和双重体系探讨了支撑类型的选择与布置形式,分析了耗能梁长度与截面设计以及耗能梁与支撑、柱的连接形式对偏心支撑钢框架结构体系延性和耗能能力的影响,提出了偏心支撑钢框架结构体系延性抗震设计的建议与思路,为规范修订和工程应用提供一些参考.     

基于性能设计的高强钢组合Y形偏心支撑钢框架抗震性能研究

Y形偏心支撑钢框架结构中耗能梁段置于框架梁之外,耗能梁段变形不会对主体结构和楼板造成损害,震后易于修复更换。为了保证耗能梁段充分发挥塑性变形进行耗能,非耗能构件(框架梁、框架柱)截面设计往往过大,浪费钢材且限制了偏心支撑钢框架的应用。高强钢组合偏心支撑框架结构是指耗能梁段采用普通钢材(Q345钢),而框架梁、柱等非耗能构件采用高强度钢材(如Q460),不仅有效减小构件截面,而且可以推动高强钢在抗震设防区的应用,经济效益显著。采用基于性能的抗震设计方法设计了5层、10层、15层和20层的Y形偏心支撑钢框架结构,算例模型包括高强钢组合Y形偏心支撑钢框架和传统普通钢Y形偏心支撑钢框架,通过Pushover分析和时程分析研究该结构形式的承载力、抗侧刚度、层间侧移分布及破坏模式。研究表明:相同设计条件下,高强钢组合Y形偏心支撑钢框架结构与普通钢Y形偏心支撑钢框架结构的承载能力相近,但抗侧刚度略低,罕遇地震作用下二者具有相似的层间侧移分布和破坏模式。     

支撑类型对自复位K型偏心支撑钢框架滞回性能的影响

为优化基于形状记忆金属(Shape memory alloy,简称SMA)耗能梁的自复位K型偏心支撑钢框架结构的复位效果。采用ANSYS软件建立了梁、实体混合单元模型,在验证有限元模型合理的基础上,进行偏心支撑结构滞回性能分析。通过改变支撑与梁(上端)、支撑与基础(下端)的连接类型,设计了4个自复位K型偏心支撑钢框架结构,考察支撑类型对自复位K型偏心支撑钢框架结构滞回性能、塑性机制、骨架曲线、滞回耗能及复位效果的影响。研究表明:支撑上端刚接、下端铰接易形成理想塑性复位机制,该机制下结构复位效果最佳,但结构初始刚度、水平承载力、耗能能力会有所下降。     

长耗能梁-偏心支撑机制对中心支撑钢框架结构抗震性能的影响

为研究地震作用下人字形中心支撑钢框架结构因支撑的部分失效导致的长耗能梁-偏心支撑机制对结构抗震性能的影响,基于ABAQUS建立了6层人字形中心支撑钢框架结构数值模型,开展了增量动力分析与易损性分析,对比了考虑与不考虑长耗能梁-偏心支撑机制时结构抗倒塌性能的差异,分析了结构的损伤演化过程。结果表明:长耗能梁-偏心机制改变了结构的失效过程,抑制了薄弱层的产生与发展,对结构抗震性能具有显著影响,算例结构的倒塌富余度提高20%以上; 梁的抗弯刚度对长耗能梁-偏心支撑机制具有一定影响,较大的刚度将不利于该机制的形成,降低了结构的抗倒塌能力; 在人字形中心支撑钢框架结构体系的设计与分析中,宜考虑长耗能梁-偏心支撑机制,否则将低估结构的抗倒塌性能。     

偏心支撑钢框架的设计

简述了偏心支撑钢框架结构的工作原理及特点,介绍了偏心支撑钢框架的设计计算方法,其中重点介绍了各杆件的内力计算：耗能梁段设计、非耗能梁段设计、支撑设计和框架柱设计,为工程设计人员提供了指导。     

偏心支撑钢框架性能设计研究

偏心支撑钢框架是一种新型抗震结体系,在风荷载和小震作用下,能提高水平刚度,减少侧移,在中震和大震作用下,耗能梁等构件首先屈服,避免主体结构的破坏。本文针对偏心支撑框架,从框架结构,耗能梁等方面进行分析总结,对偏心支撑结构的设计与选择有一定的参考价值。     

单斜杆型偏心支撑钢框架的地震反应分析

偏心支撑结构弹性阶段刚度大,塑性阶段耗能能力强,是适用于高烈度地震区的一种有效的抗侧力结构体系。采用梁单元与壳单元相结合的非线性有限元模型,对单斜杆型偏心支撑钢框架进行弹塑性时程分析,研究耗能梁段的长度、腹板高厚比和加劲肋间距的变化对单斜杆型偏心支撑钢框架结构抗震性能的影响,提出了相应的抗震设计建议。     

Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性能

在Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性振动台试验的基础上,建立了试验试件的有限元模型,并验证了分析的正确性。设计了一个9层的Y形偏心支撑高强钢框架结构,以耗能梁段长度、耗能梁段腹板高厚比、高跨比为参数,对9层结构进行了非线性动力时程分析,研究了以上参数对结构抗震性能的影响。研究结果表明,改变耗能梁段长度、高跨比对结构层间侧移、耗能梁段性能、框架柱弯矩、耗能能力均有不同程度的影响,对框架柱轴力、基底剪力无显著影响;改变耗能梁段腹板高厚比对结构耗能能力有影响,对结构层间侧移、耗能梁段性能、框架柱受力、基底剪力无显著影响,并给出了相关设计建议。     

多层钢框架偏心支撑的抗震性能试验研究

偏心支撑钢框架结构是一种比较理想的多层钢结构抗侧力体系,刚度大,受力性能合理。为了研究偏心支撑钢框架在地震作用下的滞回性能,为多层钢框架偏心支撑结构体系设计提供试验依据,选用耗能梁长度为可变参数,完成了2个不同构造形式的弯曲型耗能梁-偏心支撑框架在水平低周循环荷载下的破坏试验,分析了框架的承载能力及变形特征,研究了框架的破坏模式。研究表明,偏心支撑框架在弹性阶段内具有良好的变形能力,屈服荷载和框架刚度随弯曲型耗能梁长度增加呈下降趋势;偏心支撑框架能够控制框架破坏模式,地震作用下框架在耗能梁段屈服后屈曲破坏,破坏发生在耗能梁端部翼缘和支撑与柱脚连接的节点板位置,降低了梁柱节点受力。     

改良型梁柱节点用于D型偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的滞回性能分析

偏心支撑框架结构体系是一种非常适合强震地区的抗震结构体系。D型偏心支撑钢框架结构是偏心支撑结构中常用的一种抗震耗能结构形式,其耗能梁段与柱直接相连,为了满足梁端抗弯承载力的设计要求和保证耗能梁段充分发展剪切塑性变形,一般需要对梁柱连接节点处采取一些加强措施。利用ANSYS有限元程序,针对传统节点比较分析了两种改良型梁柱连接节点的D型偏心支撑框架。分析结果表明,改良型节点的D型偏心支撑将耗能梁段外移不与柱直接相连,有良好的强度、刚度,不仅可以使剪切屈服的区域远离梁翼缘焊缝,而且可以放松钢柱对梁端部的变形约束,从而提高整个耗能梁段的耗能能力。     

Seismic performance of Y‐type eccentrically braced frames combined with high‐strength steel based on performance‐based seismic design

In the Y‐type eccentrically braced frame structures, the links as fuses are generally located outside the beams; the links can be easily repairable or replaceable after earthquake without obvious damage in the slab and beam. The non‐dissipative member (beams, braces, and columns) in the Y‐type eccentrically braced frames are overestimated designed to ensure adequate plastic deformation of links with dissipating sufficient energy. However, the traditionally code design not only wastes steel but also limits the application of eccentrically braced frames. In this paper, Y‐type eccentrically braced steel frames with high‐strength steel is proposed; links and braces are fabricated with Q345 steel (the nominal yield stress is 345 MPa); the beams and columns are fabricated with high‐strength steel. The usage of high‐strength steel effectively decreases the cross sections of structural members as well as reduces the construction cost. The performance‐based seismic design of eccentrically braced frames was proposed to achieve the ideal failure mode and the same objective. Based on this method, four groups Y‐type eccentrically braced frames of 5‐story, 10‐story, 15‐story, and 20‐story models with ideal failure modes were designed, and each group includes Y‐type eccentrically braced frames with ordinary steel and Y‐type eccentrically braced frames with high‐strength steel. Nonlinear pushover and nonlinear dynamic analyses were performed on all prototypes, and the near‐fault and far‐fault ground motions are considered. The bearing capacity, lateral stiffness, story drift, link rotations, and failure modes were compared. The results indicated that Y‐type eccentrically braced frames with high‐strength steel have a similar bearing capacity to ordinary steel; however, the lateral stiffness of Y‐type eccentrically braced frames with high‐strength steel is smaller. Similar failure modes and story drift distribution of the prototype structures designed using the performance‐based seismic design method are performed under rare earthquake conditions.     

D型偏心支撑钢框架耗能梁段性能研究

通过对具有不同耗能梁段长度的D型偏心支撑钢框架的滞回性能及耗能梁段耗能性能的非线性有限元分析,表明耗能梁段的长度对偏心支撑钢框架的侧向刚度、延性和耗能能力有较大影响。随着耗能梁段长度的增加,D型偏心支撑钢框架的强度、刚度、延性和耗能性能均产生了不同程度的退减现象;耗能梁段越短,其塑性变形越大,进而导致耗能梁段过早塑性破坏的可能性增大。根据有限元模拟结果提出了对耗能梁段长度的设计建议。     

K型偏心支撑钢框架耗能梁段长度探讨

通过对具有不同耗能梁段长度的K型偏心支撑钢框架的滞回性能与耗能梁段的耗能性能进行非线性有限元分析结果表明:随着耗能梁段长度的增加,K型偏心支撑钢框架的强度、刚度、延性和耗能性能均产生了不同程度的退化现象;耗能梁段越短,其塑性变形越大,由此而导致耗能梁段过早塑性破坏的可能性也就越大,而耗能梁段过长则抗震性能较差。最后,根据有限元模拟结果对耗能梁段的长度提出了设计建议。     

Y型偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的滞回性能分析

Y型偏心支撑钢框架是一种偏心抗震耗能的结构形式。采用曲壳单元和梁单元相结合的非线性有限元分析模型,自编计算程序,分析了Y型偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的滞回性能,提出了相应的抗震设计对策和建议。     

三种新型梁柱连接节点用于单斜杆偏心支撑结构的抗震性能研究

单斜杆偏心支撑钢框架是偏心支撑结构中常用的一种抗震耗能结构形式,但是其耗能梁段与柱直接相连,既要保证梁端的抗弯承载力足够大,又要保证耗能梁段充分发展剪切塑性变形,以便耗散更多的地震能量。本文针对单斜杆偏心支撑的设计要求,提出了三种新型剪切型耗能梁段与柱连接节点加强措施—加肋板、加侧板、改进加楔形盖板方案。本文给出了设计方法,利用ANSYS有限元分析程序,采用壳单元建立了有限元分析模型,与梁柱直接相连的单斜杆偏心支撑结构进行了理论分析比较。验证了新型加强节点不仅可以使耗能梁段的屈服远离翼缘焊缝,排除耗能梁段与柱邻近区域的屈服,并具有良好的变形能力和抗侧移能力。当然这些结论的可靠性尚需试验的验证。     

加侧板法梁柱连接节点用于D型偏心支撑结构的抗震性能分析

D型偏心支撑钢框架是偏心支撑结构中常用的一种抗震耗能结构形式,但是其耗能梁段与柱直接相连,为了满足抗震设计要求,一般需要对梁柱连接节点处采取一些加强措施。本文提出了一种新型剪切型耗能梁段与柱连接节点一加侧板方案,并利用有限元分析程序,将该新型梁柱连接节点与梁柱直接相连的D型偏心支撑结构进行了理论分析比较。验证了该新型节点不仅可以使塑性铰远离柱端,而且可以放松钢柱对梁翼缘端部的局部变形约束,避免梁柱连接节点处焊缝的脆性断裂。     

3种偏心支撑钢框架的塑性设计方法

偏心支撑钢框架是在中心支撑钢框架的基础上发展起来的一种新型结构体系,它能够有效改善钢框架在大震作用下的抗震性能。本文基于已有耗能梁段的塑性设计模型,考虑钢材的应变硬化效应影响,提出了一种改进的偏心支撑耗能梁段塑性模型,并基于此模型对不同形式的偏心支撑钢框架在弯矩、剪力共同作用下的屈服模型进行了研究,推导出其塑性设计公式。     

高层偏心支撑钢框架弹塑性地震反应分析

偏心支撑框架与纯框架相比,有更大的抗侧移刚度及极限承载力,与中心支撑框架相比,可有效地降低地震作用.国内外学者对偏心支撑性能做了较多研究,但实际工程中鲜有应用,我国现有钢结构建筑大多为中心支撑框架或纯框架,结合一工程实例,对高层偏心支撑钢框架进行弹塑性时程分析和抗震性能研究.     

Experimental Investigation of T-Stub Link-to-Column Connections in Eccentrically Braced Frames

Link-to-column connections in eccentrically braced frame should transfer large shear and moment developed in a fully plastic and strain hardened link. Moreover, the connection should allow the link to undergo large plastic rotations. It was observed in previous studies that link-to-column connections are failed before achieving the plastic link rotation capacity. Design of link-to-column connections in seismic-resistant eccentrically braced frames is still an unresolved problem. In this paper, experimental tests are carried out on long link-to-column connections. T-stub connections are used for connecting the link to column. The test parameter is the strength of connection by changing the connection details. The results of the tests indicate that the proposed connections can successfully achieve the desired rotations without any strength loss.