摇摆钢支撑框架结构抗震性能分析

第32卷 第1期 苏州科技大学学报(工程技术版）Vol. 32 No. 1 2019 年 3 月J o u r n a l of S u z h o u U n iv e r s ity of S c ie n ce a n d T e c h n o lo g y(E n g in e e r in g a n d T e c h n o lo g y)M a r.2019

摇摆钢支撑框架结构抗震性能分析

蒋聪，赵宝成

(苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011)

摘要：中心支撑钢框架抗侧效率高,但在设防地震作用下，中心支撑杆容易受压失稳,耗能性能劣化。为了提髙中 心支撑钢框架结构的耗能能力，提出了摇摆钢支撑框架结构体系。采用ABAQUS有限元分析软件对比分析了摇摆钢 支撑结构与中心支撑结构的抗震性能，以及在支撑与框架不同刚度比、非耗能段采用不同钢材强度等级影响下的摇 摆钢支撑结构滞回性能，确定了耗能段替换的层间侧移角范围。分析结果表明：摇摆钢支撑结构主要通过耗能段耗 散能量，支撑未发生屈曲时，破坏模式比中心支撑结构理想，耗能机制合理；随着支撑与框架刚度比的增加，结构的 整体位移曲线逐渐趋于线性，层间位移角趋于一致，支撑与框架的刚度比大于2时效果明显；提高摇摆钢支撑结构 非耗能段钢材等级可以提高结构的极限承载力和剩余刚度,减轻结构的破坏程度，结构延性会有所降低;将结构正 向骨架曲线简化为三折线模型能够准确确定耗能段替换的层间侧移角范围，结构刚度比和钢材强度等级增加能够 提高耗能段替换的层间侧移角范围上限。

关键词：中心支撑钢框架;摇摆钢支撑；刚度比;钢材强度;层间侧移角

中图分类号：T U391 文献标识码：A文章编号：2096-3270(2019)01-0049-08

中心支撑钢框架结构[1]一直是多高层钢结构建筑中常用的结构形式。中心支撑钢框架结构在钢框架结 构的基础上，通过在框架柱之间布置支撑来提高结构承载力及侧向刚度。支撑体系与框架体系共同作用形 成双重抗侧力结构体系,不但为结构在正常受力情况下提供了一定的刚度，而且为结构在水平地震作用下提 供了两道受力防线。

中心支撑钢框架结构是一种高效的抗侧力结构体系，但是在强震作用下中心支撑杆容易发生受压屈曲，导致结构刚度、承载力及耗能能力下降，主体结构破坏严重，在震后难以恢复使用功能，造成极大的经济损 失。为了提高中心支撑的耗能能力，避免中心支撑杆受压失稳，受到摇摆墙结构[2]的启发，本文提出采用摇摆 钢支撑代替中心支撑形成摇摆钢支撑框架结构。摇摆钢支撑框架结构由两部分组成，第一部分是作为主体 承重结构的框架，第二部分是摇摆支撑钢架，摇摆钢支撑与基础铰接，摇摆钢支撑与框架之间采用耗能段连 接。钢支撑的抗侧刚度大，可协调框架结构每一层的变形，使框架结构各层的位移变得更加均勻，有效地避 免了框架结构出现薄弱层的问题。在强震作用下，摇摆支撑钢架与主体框架之间的耗能段首先进入塑性耗 能，增加了结构的耗能能力，避免主体结构发生破坏,使得结构在震后只需替换耗能段即可恢复使用。

本文采用ABAQUS有限元软件对摇摆钢支撑结构与中心支撑结构的抗震性能进行了对比分析。从破坏 模式、滞回性能、承载力、刚度退化等方面分析了支撑与框架之间不同刚度比及非耗能段采用不同钢材等级 时对摇摆钢支撑结构抗震性能的影响。采用等能量原理将摇摆钢支撑结构正向骨架曲线转化为三折线模型，以此确定结构耗能段替换的层间侧移角范围，并分析刚度比与钢材强度等级对结构耗能段替换的层间侧移 角范围的影响。

1结构试件设计

模型以某3跨6榀6层钢框架为原型结构，参考相关规范，采用sap2000软件进行设计。结构层高为

[收稿日期]2018-04-11

[作者简介]蒋聪（1993-)，男，江苏苏州人,硕士研究生。

通信联系人：赵宝成（1970-),男，教授，博士，从事钢结构抗震性能研究;E m a il:z h a o b c2000@163.c o m。

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苏州科技大学学报(工程技术版)

2019

3.6 m ，总跨度为18.6 m ，其中耗能段长度为0.9 m ，摇摆支撑跨度为3.6 m 。框架耗能梁段、支撑、梁、柱均采用 焊接H 形截面钢。除了耗能梁段采用Q 235B 级钢材外，其余的构件全部采用Q 345B 级钢材。摇摆钢支撑或 中心支撑结构平面布置如图1所示，布置在2、5轴及A 、D 轴的中间跨。

取摇摆支撑结构横向2轴一榀作为有限元分析的G 1试件，如图2所示。框架边柱截面尺寸第1-3层为 H 550x 550x l 6x 32、第 4-6 层为 H 550x 550x l 4x 28;中柱截面尺寸第 1-3 层为 H 500x 500x l 4x 28、第 4-6 层为 H 550x 550x l 2x 24;框架梁截面尺寸为H 400x 200x l 2x 22;支撑截面尺寸为H 175x l 75x l 0x l 2;耗能段类型为 剪切型，其截面尺寸为H 400x 200x l 2x l 6,加劲肋厚度为12 mm ，间距为200 mm ，耗能梁长度e 满足式（1)。

e ^l .6M p /V p

(1)

式中,是耗能梁的塑性抗弯承载力和抗剪承载力;M p =lF /y ，F p =0.58/i 〇f /y ，t 匕为耗能梁的塑性抵抗矩,/y

为耗能梁的材料屈服强度，知为耗能梁腹板高度人为腹板厚度。

同样取中心支撑结构横向2轴一榀作为对比试件(试件ZXZC )。如图3所示,其梁柱、支撑截面尺寸均与试件G 1相同。

1

1K i

|

||

〇tD fO

^ 6600

9(OL3600 S |

D0 6600

18600

® (S ) © ©

图2摇摆钢支撑结构

为了分析摇摆支撑与框架层间刚度比对摇摆钢支撑结构抗震性能的影响，设计了一组改变G 1试件刚 度比的G 系列试件。本文刚度比指摇摆钢支撑的层间刚度与两边框架层间刚度之比。根据曲哲、叶列平及 Gregory AJVIacRa 1®的研究，刚度比/•计算公式见式⑵，支撑和框架的层间刚度计算公式见式(3)和式(4)。

r =k/K (2)k =\2EI /h 3+EAl 2/L 3 (3)K =n -l 2EI /h 3

(4)

其中，为摇摆钢支撑的层间剪切刚度，为两边框架的层间刚度#为结构层高，五、/为柱和支撑的弹性模 量与惯性矩3为支撑截面尺寸;a 为每层框架柱的数量，i 为摇摆钢架中支撑的长度J 为摇摆钢架的跨度。

通过改变支撑截面尺寸改变支撑与框架的层间刚度比，根据公式（1 )-(3)，对G 系列试件支撑截面尺寸进行设计和选择，具体截面尺寸见表1所列。

表1 G 系列试件支撑截面尺寸表

试件齡G1

G2

G3

G4

G5

支撑截面尺寸

H 175xl75xl0xl2

H200x200xl0xl4

H250x250xl2xl6

H300x300xl2x24

H350x350xl4x28

刚度比

0.5

0.75

1.0

1.5

2.0

为了研究钢材强度等级对摇摆钢支撑结构抗震性能的影响，设计了一组Q 系列试件,共包含6个试件: G 5及Q -l 、Q -2、Q -3、Q -4、Q -5。Q 系列试件是在G 5试件的基础上，仅改变非耗能构件的钢材强度等级形成 的。Q -1 至 Q -5 的钢材等级分别对应 Q 235B 、Q 390B 、Q 420B 、Q 460C 、Q 550C 。2

有限元模型验证

2.1

钢材本构关系

有限元分析时，所用钢材本构模型采用如图4所示的三折线模型，施加荷载

时考虑包辛格效应及几何非线性，采用随动强化模型。采用Mises 屈服准则定义 材料的塑性特征，钢材的弹性模量为2.06X 105 N /m m 2,

泊松比取0.3。