中心支撑钢框架粱的塑性转动分析

[摘要]在确定中心支撑钢框架的抗震性能时，可从评估每个构件抵抗塑性转动能力来衡量整体结构的抗震性能。本文致力于提出一种基于弹性理论对梁塑性转动的简化方法。并从单一梁转动模型扩展到平面框架模型，并在SAP2000中对6层平面中心支撑钢框架进行模拟，与理论结果进行对比。

[关键字]中心支撑钢框架；梁塑性转动；弹性分析

0 引言

延性较好的的建筑结构，在地震发生时会表现出优越的抗震性能，因此，为了保证结构的鲁棒性，有必要去估算结构构件是否满足延性需求。地震作用下，梁塑性铰先在梁弯矩较大的一端出现，随后在梁的另一端出现。而在有侧向支撑的钢框架结构中，由于侧向支撑摇摆效应的影响，会使与之相连的梁产生较大的塑性转动，所以有必要考察钢框架侧向支撑摇摆效应对梁塑性转动的影响。

构件的塑性转动需求可以通过非线性分析得出，然而，构件的设计强度由弹性分析决定。本文提出一种简化方法，可以在弹性分析结果上估算构件的塑性转动需求，从而为结构的塑性性能提供参考。

1 梁塑性转动的估计

有中心支撑的钢框架结构可以看成是纯钢框架结构附依在有支撑框架部分上，所以中心支撑钢框架的整移，可以拆分为纯钢框架结构产生的位移和支撑部分摆动效应产生的位移两部分。在考虑框架构件位移时，将梁两端简化为半钢支座。根据梁塑性铰的转动特征和发展过程，可以将需求转动分为两个阶段。

1.1第一阶段：梁一端端首先形成塑性铰

此处我们假定梁右端首先出现塑性铰。由图1（a）可以看到当梁右端形成塑性铰时的转角及弯矩值。此时，弯矩是线性分布的。所以可以将其拆分为两个两端由半钢支座约束的梁模型，其附加弯矩分别为一梁左端 和一梁右端屈服后弯矩 。

根据材料力学公式，可得两端固结简支梁模型的剪力、弯矩、转角。

1.3框剪结构摆动效应产生的位移

2 算例与模拟对比分析

图3表示了一榀6层3跨中心支撑框架，跨度为9000、9000、12000，层高4200。1～4层边柱采用H-424*400*20*32，中柱采用H-440*400*25*40，5～6层边柱和中柱分别为H-400*400*11*18，H-400*400*13*16，边梁截面采用H-500*300*10*20，中间梁截面采用600*300*10*16。右边框支撑采用H-350*250*10*16。有支撑的边跨梁与左边两跨框架结构刚性连接。重力荷载代表值的分布如图4所示。

假定梁的临界截面和塑性铰产生于距节点表面100mm+0.5塑性铰区长度的位置。梁端采用M3铰，柱采用PMM铰。右边跨释放铰支端扭矩T，弯矩M22及弯矩M33[3]。本文采用SAP2000进行pushover静力弹塑性分析，分析结果如图5所示，理论计算结果与数值模拟结果吻合度良好。

3 结论

对于高级的抗震计算和设计，需要准确地去估算构件的塑性变形和层间位移角。现有的抗震设计方法使用复杂的非线性分析去估算梁、柱、墙的塑性转动，然而，在初步设计中难以使用非线性分析。本文基于弹性分析的结果，提出了一种可以估算梁塑性转动需求的简化方法，梁的塑性转动需求按层间位移角来表达，从而可应用于按强柱弱梁和强节点设计的钢框架，计算的塑性转动和非线性分析结果吻合度良好。

参 考 文 献

[1] Roger L.Brockenbrough，Frederick S.Merritt，et al .美国钢结构设计手册[M].上海：同济大学出版社，2006：102-107

[2] 翟兴无，余伦创，郑莉.塑性铰理论在实际工程中的应用[J].水利水电工程设计，2002，21：21-23

[3] 沙广Z，何若全.SAP2000在静力弹塑性分析时塑性铰的修改[J].苏州科技学院学报，2007，3：1-4