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钢支撑和框架的弹塑性抗侧性能及其协同工作

罗桂发  
【摘要】:中心支撑体系和框架-中心支撑体系是抗震设防区域的传统钢结构抗侧力体系。为了防止地震作用下支撑发生屈曲或过大的塑性变形,历史上曾通过引入支撑内力放大系数和受压支撑稳定承载力折减系数,来加大其中的支撑截面,但近十几年来,对抗震区域的中心支撑体系的设计有了新的认识和变化,支撑内力放大系数已经被取消。欧美日等国的规范提出把长细比很大的支撑划分为抗震性能最好的一类,抗震设计时可以取较小的地震力。对人字形支撑对而言,由于受压支撑的屈曲,拉压支撑对交汇点处的横梁会产生很大的竖向不平衡力,这给横梁的设计带来很大的困难。本文中支撑对特指内置拉压支撑的梁柱铰接钢架,又名支撑架。 基于以上这些新的变化和对国家规范的理解,迫切需要对中心支撑体系和框架的弹塑性抗侧性能进行研究,并且对框架-支撑架双重抗侧力体系中框架和支撑架如何协调抵抗地震作用进行考察。 由于竖向不平衡力的存在,人字形支撑对可能需对横梁进行加强。论文首先分析了横梁加强型人字形支撑对、横梁未加强型人字形支撑对以及交叉支撑对在弹塑性阶段的抗侧力性能。(1)研究了这三种支撑对的抗侧力性能,包括极限承载力和屈服承载力及超强系数。分析发现,当支撑长细比较大时,支撑对的超强系数最大,因而抗震性能最好;长细比较小时,抗震性能次之;中等长细比时,抗震性能最差。(2)研究了这三种支撑对的受压支撑和受拉支撑各自的抗侧力性能。对于横梁加强型人字形支撑对和交叉支撑对而言,受压支撑屈曲和受拉支撑屈服是决定其抗侧力性能的控制状态;对于横梁未加强型人字形支撑对而言,受拉支撑不会屈服,受压支撑屈曲和横梁形成塑性铰机构是决定其抗侧力性能的控制状态。本文推导了这些控制状态的层侧移角公式以及受压支撑屈曲后其最大平面外位移随层侧移角的关系。(3)提出了受压支撑屈曲后的承载力折减系数公式,该公式可以代替我国现行抗震规范的方法,用于计算人字撑框架横梁承受的不平衡力。 对于人字形支撑对而言,受压支撑屈曲后的抗侧力性能主要取决于横梁的强弱。加强横梁可以延缓受压支撑屈曲后承载力的退化和作为受拉支撑的支点让其受拉屈服,其性能接近交叉支撑对;未加强型横梁不能使受拉支撑屈服,充分发挥其性能,所以受压支撑屈曲后,人字形支撑对的整体抗侧力开始大幅度折减,抗震性能较差。 其次,分析了钢框架在弹塑性阶段抗侧力性能。精确推导了未考虑初始缺陷的单层工字型截面框架在弹塑性阶段的抗侧力-侧移曲线关系。分析了竖向均布荷载和集中荷载对框架抗侧力性能的影响,研究发现竖向荷载使得框架的抗侧力性能分为三个线性阶段,本文提出了简化模型来模拟这三个阶段的抗侧性能。 接着,在对三种支撑对和钢框架各自抗侧性能研究的基础上,分析了三种双重抗侧力体系(框架-横梁加强型人字撑架、框架-横梁未充分加强型人字撑架和框架-交叉支撑架)的两个抗侧力结构钢框架和支撑架在弹塑性阶段抵抗地震作用的协同性。研究表明:(1)框架与支撑架的抗侧力并不是同时达到各自的峰值,这意味着两者的抗侧承载力不能简单线性相加。支撑架的抗侧力峰值发生在受压支撑屈曲或受拉支撑屈服时,其对应的层侧移角为0.08%-0.28%或0.32%-0.75%,此时框架的承载力发挥很小;钢框架的抗侧力峰值发生在框架梁形成塑性铰时,其对应的层侧移角为0.53%-2.05%。(2)除材料超强外,双重抗侧力体系的超强主要来源于受压支撑屈曲时框架尚未发挥的承载力和受拉支撑拉力的增长潜力。框架极限承载力占基底剪力的比例越大,支撑长细比越大,体系的超强系数越大,抗震性能越好。(3)从保证最低限度的抗震性能要求出发,本文提出了横梁未充分加强的情况下,横梁应该承受的最小不平衡力的要求。(4)框架-支撑架双重抗侧力体系中,框架承担基底剪力的25%是一个合适的比例:满足这个要求的框架-交叉支撑架的抗侧力-侧移曲线没有明显的下降段,表现出良好的抗震性能;满足这个要求的支撑长细比中等的框架-横梁加强型人字支撑架在受压支撑屈曲后会出现约20%的承载力下降,但随后会回升。 分析了支撑是否承担重力荷载对人字撑框架抗侧力性能的影响。研究发现,重力荷载使得受压支撑提前屈曲和受拉支撑延后屈服,但对人字撑框架的整体抗侧性能的影响很有限。 最后分析了横梁加强型人字撑架的滞回性能。研究发现,只要支撑经历过一次屈曲,下次支撑经历相同侧移角时的承载力都会呈现大幅度下降,显示出支撑对本身具有滑移型滞回特性。


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