十字形截面钢异形柱的抗震性能研究与抗震设计对策.pdfVIP

钢结构设计和分析 十字形截面钢异形柱的 抗震性能研究和抗震设计对策 张爱林1于劲2 (北京工业大学建筑工程学院北京100124； 2．北京市住宅建筑设计研究院有限公司 北京100005) 摘要：参考强震区多、高层钢结构框架柱的受力工况，设计了15个不同截面参数的十字形截面钢异形 柱模型。利用ANSYS，对模型进行了有限元计算，研究破坏模态、滞回性能，承载能力，耗能能力等抗震 性能，对其整体抗震性能进行了综合评价。进行了4个典型截面的拟静力试验研究。有限元计算和试验结 果相互应证表明，在截面参数满足构造要求时，十字形截面钢异形柱在罕遇地震作用时，其破坏模态为局 部屈曲失稳的塑性破坏，变形以塑性为主，有较高的承载能力，具备较好的延性性能和耗能能力，能够在 强震区使用．最后，提出了抗震设计对策． 关键词：十字形截面钢异形柱抗震性能有限元计算试验 1 前言 钢异形柱框架结构是以钢异形截面柱(十字形、T形、L形)代替普通截面(H形、矩形)作 为竖向支撑构件而形成的结构，以避免柱角凸露，改善建筑室内观瞻，增加有效使用面积，在多、 高层钢结构建筑特别是住宅产业化[1】实施中有着广阔的应用前景。但钢异形柱由于其截面的特异性， 罕遇地震反复作用 下的力学性能、抗震性能以及板件宽厚比的组合限值等方面与普通截面柱相比，存在显著的差 异。目前，此方面的研究成果几乎都是基于普通截面柱【2】，钢异形柱的研究尚处于起步阶段，除笔 者作了一些初步理论研究外【3．4】，还有学者对其轴心受压承载力进行了研究【5】，但钢异形柱的力学 性能、抗震性能的研究则很少涉及。 十字形截面是钢异形柱主要截面形式之一，在框架结构中一般用于中柱，属于压弯构件，长细 比不大，不会整体失稳，所承受的轴力和弯矩却很大。在地震作用下，其轴力基本不变，弯矩则循 环变化。因此，可以用拟静力法研究其力学性能和抗震性能，将十字形截面钢异形柱置于受常轴力、 低周反复荷载作用下进行研究。 本文利用ANSYS软件，对15个计算模型进行了详细的有限元计算分析，模拟其受力、变形、 破坏全过程，系统地研究十字形截面钢异形柱的变形模式、破坏模态、滞回性能、承载能力、耗能 能力等抗震性能，并分析了翼缘宽厚比、腹板高厚比和轴压比对抗震性能的影响规律，对模型的整 体抗震性能进行了综合评价。进行了4个典型截面十字形截面钢异形柱拟静力试验研究。有限元计 算和试验相互应证表明，在轴压比和翼缘宽厚比、腹板高厚比满足限值的条件下，十字形截面钢异 形柱在罕遇地震作用时，其破坏模态为局部屈曲失稳的塑性破坏，变形以塑性为主且发展充分，有 较高的抗震承载能力，具备较好的延性性能和耗能能力，能够在强震区使用。最后，基于上述研究 成果，提出了十字形截面钢异型柱在罕遇地震条件下的抗震设计对策。本研究可为工程应用和《钢 异形柱结构技术规程》的编制提供理论基础和试验依据。 2有限元计算及分析 90 钢结构2009年增刊 张爱林，等：十字形截面钢异形柱的抗震性能研究和抗震设计对策 2．1有限元模型计算 2．1．1模型设计 参照强震区多、高层钢框架结构柱的受力工况，以现行国标型钢组合的工程应用为目标，对其 组合截面进行应力相似系数为l的l：2缩尺来设计本文的计算模型。这些模型分别是三种轴压比n 共15个十字形截面钢异形柱计算模型，截面参数定义见图l，模型几何参数见表l。 —十～～ 一 口P__=了={ “ lf 干广 ； 竹 1习 ‘． j． 1 。