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交叉弱腹杆式桁框结构抗震性能探析 　　摘要：在钢结构中用桁架代替传统框架结构中的实腹式钢梁称为桁框结构，具有跨度大、用钢量低等优点，但普通桁框结构的抗震性能较差。交叉弱腹杆式延性桁框结构通过在桁架跨中设置消能段，使其在一定的水平地震作用下发生剪切屈服，不但可以显著提高结构的抗震性能，还可以准确控制其屈服荷载和破坏模式，实现基于性态的设计，是一种新型抗震结构体系，具有广泛的应用前景和良好的经济、社会效益。但是相关研究较少，因此研究交叉弱腹杆式延性桁框结构的滞回性能及其破坏机理具有相当大的工程意义。 关键词：延性桁框结构，交叉弱腹杆，消能段，滞回性能，剪力 中图分类号：TU318 文献标识码：A 引言 用桁架代替传统框架结构中的实腹式钢梁，可以实现大跨度并降低用钢量，美国称之为 truss moment frames，国内没有对应名称，本文称之为桁框结构!桁框结构可以使民用建筑实现大跨度，使工业建筑实现多层化，桁架内部也可以铺设管道设备，有效利用空间，具有较高的工程价值! 交叉弱腹杆式消能段是指小截面交叉斜腹杆的桁架跨中区段，当桁架剪力较大时，受拉弱腹杆屈服，消能段弦杆两端形成塑性铰，实现耗能，因此消能段的屈服取决于消能段的受剪承载力!现有研究资料提供的计算模型是基于假设各楼层消能段的剪力都相等建立的，因此各楼层的消能段做法相同，而实际上水平地震作用下各层桁架剪力并不相等，消能段不会同步屈服，从而对结构内力重分布有较大影响!相关研究也表明，根据美国相关的规范设计的桁架消能段屈服过早，非消能段过于保守!本文针对该结构体系，进行消能段受剪承载力分析，建立新的计算模型，并结合我国抗震设计准则提出各楼层消能段的设计方法! 一、交叉弱腹杆式消能段简介 确定消能段的长度需要考虑以下3个方面的因素: 1) 确保消能段满足受剪承载力要求; 2) 确保消能段剪切屈服时非消能段桁架保持弹性; 3) 满足构造要求。 消能段应设置在桁架跨度的正中央，弦杆与非消能段连续一致，交叉弱腹杆式桁架消能段节间的长度和数量根据消能段的长度和竖向荷载作用点共同确定，节间长度不宜大于非消能段节间长度，且相邻弱腹杆节间之间的竖腹杆应按两端铰接设计，以免影响消能段的受剪承载力!消能段两端的竖腹杆应适当加强，消能段受压弦杆的两端需设置侧向支撑!弱腹杆可以采用圆钢”扁钢或单角钢! 非消能段的桁架节点可按铰接或刚接设计!当桁架弦杆采用双角钢”双槽钢截面时，弦杆与柱可以通过节点板铰接连接; 当弦杆采用 T 型钢”方管”圆管截面时，考虑到端部弦杆的轴力较大且截面高度有限，弦杆与柱不便铰接连接，可采用刚性连接!楼面铺设钢筋混凝土楼板时，弱腹杆耗能节间桁架弦杆不应再设置抗剪连接件，以免形成组合结构提高了消能段的受剪承载力，使消能段难以剪切屈服! 二、有限元分析方法及验证 由于不需要实验室空间条件以及大量的人力和物力资源，有限元分析是首选的理论研究方法。 交叉弱腹杆式延性桁框结构在竖向和水平荷载作用下的应力应变状态极其复杂，塑性变形后应力应变曲线也不能再假设为直线，结构理论中的平面假设不再适用，经典数学的内容目前也不可能给出相应的计算公式。ANSYS强大的非线性分析功能就可以用来研究X型弱腹杆式延性桁框结构的破坏机理。 1、有限元模型单元的选取 运用ANSYS进行有限元分析首先需要考虑的问题即要结合所要分析的结构的类型以及各ANSYS单元的特点，取用相应合适的单元。本文中，针对X型弱腹杆式延性桁框结构的特点，对桁架梁、柱采用SHELLl81单元来模拟，消能段弱腹杆采用COMBIN39单元来模拟，同时采用MPCI84单元建立刚性面便于施加荷载。 2、有限元模型的材料与单元属性 模型采用了SHELLl81单元，桁框各部分构件的钢板厚度可以通过定义单元的实常数来实现。采用COMBIN39单元来模拟弱腹杆，并采用耦合处理使杆件作用在主节点上的的轴向力可以自动传递到刚性域其他的从节点上，防止出现应力集中的现象。 3、模型建立以及单元划分 根据3D3S软件设计的结构的实际尺寸建立几何模型，采用结构标准层进行分析。桁架梁、柱等各构件均采用H型截面，几何模型建立完成后，运用布尔运算使结构的各个构件刚接为一体，需要铰接的节点单独进行处理。SHELLl81单元通过ANSYS自由网格划分完成，划分长度给定；COMBIN39和MPCI 84单元均无需进行单元划分。 4、荷载与约束的施加 本文采用结构标准层进行分析，其假定为反弯点在各层1／2处，故取其边界条件为柱脚为铰接，同时考虑到有限元模型简化为单榀平面桁框，且实际情况存在次桁架，为了防止桁架发生平面外失稳，要在梁柱节点和主次桁架节点处施加侧向