偏心支撑框架的设计及应用

摘要：与中心支撑不同，偏心支撑框架利用支撑与梁间形成的耗能梁段来耗能，这样就可避免支撑过早的发生屈曲。偏心支撑钢框架是最近数十年新兴的一种抗侧力体系。这种体系有着良好的抗震性能。本文着重阐述了偏心支撑与其他几种支撑的不同，主要的受力特点，并介绍了了耗能梁段的设计方法,其中包括消能梁段的长度确定和截面选择,消能梁段的腹板加劲肋和侧向支撑的设计。另外结合其他结构的特点,对结构的耗能问题进行了探讨, 并给出了设计建议。并对耗能梁段以外其它构件的设计进行了介绍。

关键词：中心支撑偏心支撑 耗能梁段框架结构 耗能 抗侧力体系

0 前言

框架结构在工业与民用建筑中的应用非常广泛。主要是因为它空间布置较灵活，结构延性较好，是比较优异的抗震结构体系。不过框架的抗侧刚度主要是由梁柱决定的，属于单一抗侧力体系，而且梁柱的抗侧刚度不大，因此地震作用下的水平方向上的侧移较大，因而容易引起非结构构件的破坏。许多地震结果发现纯框架节点也容易引发整体结构的破坏, 因此支撑框架被大量的应用。加支撑的框架刚度增大，侧向位移大大减小。而支撑框架靠支撑的轴向变形来抵抗大部分的地震力。

现在的支撑框架主要有中心支撑框架(CBF)，偏心支撑框架（EBF）以及少量应用的防屈曲支撑框架(BRBF)。其中，中心支撑是国内应用最为广泛的一种，而后两种结构因其涉及的复杂性而应用的较少。

1中心支撑框架

中心支撑是指支撑与梁、柱交汇于一点，或两根斜撑与梁交汇于一点，或与柱交汇于一点，交汇时均无偏心距。根据支撑布置方式的不同，主要有十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形支撑或K字形支撑，以及V形支撑等类型(见图1)。中心支撑具有较大的抗侧刚度，侧移较小，支撑承担了大部分的水平力。但是在地震作用下，支撑很容易发生屈曲。尤其是在地震的往复作用下，随之抗侧刚度的下降，层间侧移增大，结构容易发生整体失稳破坏。为了防止支撑屈曲就需要加大支撑的截面。由于中心支撑是在框架的梁柱节点处连接，因此不但没有改善框架节点的抗震性能，反而增加了节点构造上的复杂程度。中心支撑框架主要是靠支撑的轴向变形来耗能。在弹性阶段，结构的刚度较大。但是随着荷载的增大，支撑的刚度降低，支撑很容易屈曲，进而结构发生破坏。因此规范里规定：高烈度区不建议采用普通中心支撑体系。

图1 中心支撑的几种形式

在进行中心支撑框架的设计时，要注意以下几项：(l)框架梁不能过早发生屈服和破坏;(2)验算在支撑承受最大轴向荷载时支撑节点依然能发挥作用:(3)框架柱一直保持弹性;（3）支撑屈曲后框架梁依然可以承受一定的弯矩。

2偏心支撑的发展

与中心支撑不同，偏心支撑钢框架是最近数十年新兴的一种抗侧力体系。这种体系有着良好的抗震性能。1977年美国加州大学通过试验率先证明了偏心支撑钢框架良好的抗震性能。到了80年代，美国的学者对偏心支撑的核心构件――耗能梁段进行了试验研究，除此以外还进行了偏心支撑框架的动力分析，等试验研究[1]。以这些试验为基础，伯克利分校的Roeder，Manheim，Kasai和Engethardt等分别提出了与偏心支撑框架相关的计算方法[2]。

清华大学钱稼茹教授是国内最早对偏心支撑钢框架展开研究的，他首先将美国的设计经验带到中国，随后完成了偏心支撑框架的水平静力试验以及动力试验研究。中国建筑科学研究院的易方民博士对支撑框架的分析方法、设计参数及弹塑性地震反应也进行了一定的系统研究。同济大学在偏心支撑钢框架的抗震性能方面也做了一些的研究工作。关于偏心支撑钢框架的研究成果已经正式写入了2010的最新的抗震规范。

图2支撑与梁的连接

偏心支撑框架是每一根支撑的两端，至少有一端与梁不在柱节点处相连。这样在支撑和柱之间，或者是支撑和支撑之间就形成了一个耗能梁段。耗能梁段先于支撑屈服（或者支撑不屈服），进而耗能。因此耗能梁段是偏心支撑的核心部分。因此在设计偏心支撑框架时，首先应恰当地地选择耗能梁段的尺寸，详细设计耗能梁段的每一个细节，保证偏心支撑框架的整体抗震性能;然后，进行支撑以及其他构件的设计，保证这些构件的强度要高于耗能梁段来确保耗能梁段首先屈服[3]。

偏心支撑框架根据支撑布置的不同，主要有单斜杆式，门架式，人字形、V形和倒Y形几种常用的形式，如图3所示。

图3偏心支撑的几种形式

3偏心支撑框架的优越性

偏心支撑框架利用支撑与梁间形成的耗能梁段来耗能，这样就可避免支撑过早的发生屈曲。纯弯框架也具有一定的延性和耗能能力――主要是通过梁端塑性铰的非弹性变形来实现。但是结构的刚度小。而中心支撑框架是利用支撑的变形来耗散能量，在水平荷载较小时，性能优越，具有较大的侧向刚度和承载能力，但是荷载增大后，支撑很容易发生屈曲，进而导致结构的刚度、承载能力的急剧下降。与纯弯框架相比，偏心支撑框架具有更大的抗侧刚度及极限承载力;与中心支撑框架相比，偏心支撑框架在大震作用下耗能梁段先发生剪切屈服，从而保证支撑的稳定，使得结构的延性好、滞回环稳定，具有良好的耗能性能。在大震下耗能段梁屈服，支撑斜杆不屈服，主体结构保持稳定、免于倒塌;耗能梁段屈服后发生塑性大变形，承载力可继续提高。整个偏心支撑结构的破坏是以耗能梁段的剪切破坏为标志，而角钢支撑则在试件屈服后才出现压屈，在此之前的变形为小变形。可见，偏心支撑框架具有纯弯框架体系和中心支撑框架体系的优点，具有良好的抗震性能并能降低用钢量。

4耗能梁段的特点与选择

偏心支撑框架的侧向刚度主要取决于耗能梁段与框架梁长度之比。耗能梁段的长度直接影响框架中其他杆件的内力分布。

耗能梁段的内力在水平荷载作用下以剪力和弯矩为主，轴力很小。当耗能梁段的长度较小时，在耗能梁段内首先发生剪切屈服，形成剪切铰; 当耗能梁段的长度较大时，在耗能梁段内首先发生弯曲屈服。目前国内外的一些资料一般把e≤1. 6Mp / Vp 的梁段称为剪切型梁, e> 1. 6Mp / Vp 的梁段称为弯曲型耗能梁段( Mp 为梁段塑性抗弯强度, Vp 为抗剪强度) 。从内力分布图可以看到, 剪切型梁段由于剪力分布均匀, 若不考虑局部高应变,剪切塑性铰的分布范围很大, 几乎布满整个梁段。也就是说, 剪切型梁段具有非常好的变形能力, 因此耗能能力更强。 据Eng elhardt 和Povov 的分析, 细节构造合理的剪切型梁段的转动角度可达0. 1 弧度, 而弯曲型梁段的转角仅为0. 02 弧度,。因此在选择时应优先选用剪切型梁段。

图4剪切型梁滞回模型

但是耗能梁段得长度也并不是越小越好，整体框架的侧向位移对耗能梁段的转动能力有一定的限制, 框架转角和耗能梁段的转角有一定的关联,耗能梁段越短,转动能力的要求也越高，根据有关文献，当耗能梁段的长度在1～1. 3Mp / Vp 时,偏心支撑框架的承载力、刚度和耗能优越性明显。而且耗能梁段的长度越短,塑性变形越大,可能导致过早的塑性破坏。另外，耗能梁段长度还受建筑外形等其他方面要求的限制。

从以往的试验可以看到，耗能梁段屈服时，弯矩与剪力之间的影响并不显著，并且在发生剪切屈服后存在应变硬化效应，耗能梁段剪切承载力将继续增加，而弯曲屈服后梁端弯矩将保持不变。具体有以下几种屈服模型：1耗能梁段长度很短，耗能梁段发生剪切屈服，由于应变硬化效应，剪力继续增大。当梁达到极限剪力时，梁端仍未发生弯曲破坏。2耗能梁段较短，耗能梁段先发生剪切屈服。由于应变硬化，剪切承载力继续增加，同时两端弯矩继续增加。当剪切变形超过极限变形时，只有一端发生弯曲屈服。3耗能梁段的长度正常，梁先发生剪切屈服后，剪力和端部弯矩继续增加，直到两端先后发生弯曲屈服进入极限状态。4耗能梁段比较长，梁在一端先发生弯曲屈服，然后出现剪切铰，最后另一端也发生弯曲屈服。5耗能梁段较长，在极限状态只在梁的两端发生弯曲屈服。在进行偏心支撑设计时，尽量使耗能梁段的屈服顺序对应于屈服模型1、2、3。

5 偏心支撑的设计和应用

耗能梁段的截面应按腹板受剪、翼缘受轴力和弯矩进行设计,这样可使消能梁段的计算简化。该规定的目的是保证梁段在全截面剪切屈服时有足够的抗弯承载力。最有效的消能梁段截面是满足所需受剪面积的情况下截面高度最大,同时应满足抗震规范( GB50011 ―2010)关于截面和翼缘宽厚比的要求[4]。当截面高度或翼缘尺寸受限时,也可选择满足抗剪要求的截面,并另加盖板以满足抗弯要求。盖板可用来提高抗弯能力。当减小耗能梁段不受非结构原因的限制时,加盖板还可将消能梁段由弯曲型变为剪切型。设计人员还可选择腹板和翼缘能满足要求的组合截面,并对耗能梁段在构造上加以处理。在剪切型耗能梁段的腹板设置加劲肋可以使腹板的抗剪能力得到加强, 从而推迟了梁腹板剪切屈服开始。加劲肋可以用来防止腹板屈曲和保证腹板剪切屈服延性,对于剪切型耗能梁段,腹板屈曲会降低梁的非弹性往复抗剪能力。腹板上设置加劲肋,可防止腹板过早屈曲,充分发挥腹板的抗剪能力,同时减少由于腹板反复屈曲变形而产生的刚度退化。

另外，梁段材料应尽可能选用低强度钢材(不超过Q345) , 因为低强度钢材的延性较好。不能通过加焊贴板以提高其强度, 因为焊在梁段上的贴板并不能充分发挥其作用而且不符合剪切屈服的本意, 梁段腹板也不允许开洞, 否则,将使梁段受力性能更加复杂。偏心支撑的轴线与耗能梁段轴线的交点不能在耗能梁段外,否则梁段端部弯矩将增大[5]。

6 其他构件的设计

偏心支撑一般采用角钢支撑。这样，当结构在抵御外来地震作用时，角钢支撑通过反复的压屈也可耗散部分地震能量。在这里本文提出可以尝试用防屈曲支撑来代替角钢支撑，实现二次耗能。至于此种结构的可靠性和实用性，还有待于进一步试验的验证。

对于耗能梁段直接与柱相连的框架， AISC 提出了特殊的要求, 认为只有剪切型梁段才能采用这种连接方式，节点拼接时，梁段翼缘必须采用深熔焊缝与柱相连且梁段腹板也必须与柱上的外伸节点板相焊接才能充分地传递梁上的剪力、轴力和弯矩,而不能采用栓接腹板的连接方式，因为栓接节点在循环剪力作用下，螺栓将产生相对的滑移，使梁翼缘与柱连接焊缝开裂。而弯曲型梁段由于梁端弯矩很大, 普通的抗弯框架节点难以随相应的塑性铰的转动,因此一般不宜采用耗能梁段与柱的直接拼接。

参考文献：

[1] 李新华等. 偏心支撑钢框架的设计探讨. 工业建筑,2001 ,31 (8) 。

[2] Seismic Provisions for Structural Steel Buildings. AISC ,1997。

[3] 1994 Uniform Building Code. International Conference of Building Officials ,Whittier ,California ,1994。

[4] 建筑抗震设计规范( GB50011 ―2010) . 北京，2010。

[5]Becker R , Ishler M. Seismic design practice for eccentrically braced frames. 1996。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。