钢结构梁柱偏心 连柱支撑与K形偏心支撑钢结构的Pushover对比分析.docVIP

钢结构梁柱偏心 连柱支撑与K形偏心支撑钢结构的Pushover对比分析 连柱支撑与K形偏心支撑钢结构的Pushover对比分析 连柱支撑与K形偏心支撑钢结构的Pushover对比分析 刘磊，赵宝成 （苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011） 摘要：为了研究连柱支撑钢结构的抗震性能，对该结构进行了Pushover分析，并与K形偏心支撑钢结构进行了对比。分析了两组结构的塑性铰发展过程、顶点位移与基底剪力曲线、耗能段剪切变形及结构层剪力分布。分析结果表明：连柱支撑钢结构耗能段的塑性铰首先出现在结构的2～5层，最后整个结构的耗能段均进入塑性耗能，塑性铰分布合理，K形偏心支撑钢结构的塑性铰主要出现在结构下部，结构上部耗能段处在弹性阶段，耗能不够充分；达到控制加载位移时，连柱支撑钢结构仍可继续承载耗能，K形偏心支撑钢结构则不适于继续加载；Pushover加载过程中，连柱支撑钢结构层间位移角满足建筑抗震设计规范要求，K形偏心支撑钢结构层间位移角已超出要求；连柱支撑结构的耗能段转角除底层外，其余层耗能段的转角几乎相同，而K形偏心支撑钢结构耗能段转角沿层高方向相差较大。分析表明，连柱支撑钢结构抗震性能优于K形偏心支撑钢结构。 关键词：钢结构；连柱支撑；K形偏心支撑；塑性铰；Pushover分析 汶川震害表明［1］，严格按现行抗震规范进行设计的结构，基本可以做到“大震不倒”，但结构经历地震后，梁、柱等主要受力构件均出现一定的塑性变形，结构加固和修复成本较高，为了减少建筑物震后破坏导致的经济损失，可恢复功能结构［2］应运而生，其中连柱钢结构体系就是其中的一种。 Dusicka和Iwai［3］首次提出了连柱钢框架结构体系的概念。连柱钢框架结构体系取消了传统框架-支撑结构的层间支撑，采用耗能段连接双柱代替，形成连柱系统。在地震作用下耗能段耗散地震能量，连柱系统构成抗侧力第一道防线，框架结构作为第二道防线。M.Malakoutian等［4］分析了连柱钢框架结构的受力特点，连柱钢框架结构体系的抗侧刚度主要由框架和连柱系统共同提供。Pushover分析结果表明，首层层间位移达到0.43%时，耗能段开始进入塑性，层间位移达到1.7%时框架梁进入塑性。层间位移在0.43%～1.7%区间时，耗能段可以进行替换，结构能够快速恢复其使用功能。 连柱钢框架结构抗侧刚度小，只能应用于层数不高的建筑，为了将连柱钢结构应用于高层建筑结构中，文中提出连柱支撑钢结构体系，连柱支撑钢结构由耗能段连接独立的支撑框架组成，同耗能段可替换的偏心钢支撑框架［5］相比，连柱支撑钢结构的耗能段替换方便。连柱支撑钢结构中耗能段连接支撑框架结构，拆除进入塑性的耗能段，支撑框架结构即可恢复到原来的位置，建筑使用功能得以快速恢复。 文中应用SAP2000有限元软件对连柱支撑钢结构与K形偏心支撑钢结构进行了Pushover对比分析，对比了两种结构体系的抗震性能。 1　模型设计 1.1　模型设计基本信息 连柱支撑钢结构和K形偏心支撑钢结构基本信息：抗震设防烈度为8度（0.3g），场地类别为类，设计地震分组为第一组，地面粗糙度为C类，基本风压为0.35 kN/m2。楼面恒载标准值为5 kN/m2，活载标准值2 kN/m2；屋面恒载标准值为5.05 kN/m2，活载标准值2 kN/m2；雪荷载标准值为0.4 kN/m2。构件采用焊接H型截面，钢材为Q345B，连柱间距为1 m，支撑跨3.5 m，其结构布置平面图如图1所示，分别采用连柱支撑和偏心支撑钢结构体系。、轴线中间跨为连柱支撑钢结构（见图2左）或K形偏心支撑钢结构（见图2右）。其中，连柱支撑钢结构为第一组模型，K形偏心支撑钢结构为第二组模型。 图1　结构平面布置图 图2　轴线立面图 1.2　模型截面参数 两组模型截面参数采用SAP2000优化设计［6］，经人工调整和验算，尺寸如表1和表2所示。为对比两种框架结构的Pushover分析结果，截面参数设计时，在满足设计要求的情况下尽量保持相同部位尺寸一致。如果截面尺寸有较大变化，尽量保证两组结构相同部位构件的应力比一致。两组结构的耗能梁段均设计为剪切屈服型耗能段。 1.3　模型建立 取1榀框架进行分析，该榀框架承担竖向恒载、活载、雪荷载及风荷载。梁、柱、耗能段及支撑采用梁单元模拟，支撑两端采用铰接形式，其余连接采用刚接。质量源的定义选择来自荷载，通过恒载和活载的施加定义结构质量。对于柱子选择P-M2-M3铰，梁选择M3铰，支撑选择P铰，耗能梁段选择V2铰。 表1　连柱支撑钢结构截面参数mm ???? 1~2层?3~5层 6~10层 11~15层?? H500?500?24?32 H500?400?20?24 H500?300?14?18 1-2H500?500?36?42 ?? 3-5H5