设计偏心结构要注意的问题与方法

摘要：偏心支撑结构在世界范围内主要应用于不规则建筑的抗震上，在我国的使用还不多，本文主要对这种支撑结构的影响因素进行了分析，就偏心结构设计要注意的问题与方法提出了相应的建议。

关键词: 设计；偏心结构；方法

引言

近年来，我国建筑水平提高很快，高层建筑也是越来越多，这些高层建筑不但层数多，而且为了追求美观的需要，往往结构多样，很多都不规则。如北京的国际宾馆、昆仑饭店、长城饭店，上海的华亭宾馆、希尔顿饭店，深圳的发展中心等，都是不规则结构的代表性建筑。在抗震设计中，不规则结构存在的主要危害有下面这些。第一，单纯就几何学而言，不对称往往会引起质心与刚心之间的偏心，导致结构有较大扭转。第二，不对称性往往会导致应力集中，使结构在受到较大的水平力(如地震力)时应力集中的部位发生严重破坏。

偏心支撑框架是一种比较理想而经济的结构形式。它的支撑至少有一端偏离梁柱节点，直接连在梁上。则偏离梁柱节点一侧的支撑与梁柱节点之间的那段梁我们就称为耗能连梁。这种形式的框架较好地结合了抗弯框架和中心支撑框架的长处。与抗弯框架相比，它每层加有支撑，具有更大的抗侧刚度及极限承载力。与中心支撑框架相比，它在支撑的一端有耗能连梁，在大震作用下，耗能连梁在较大剪力作用下，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，具有良好的耗能能力。近年来，偏心支撑框架由于其固有的优良抗震性能，在美国的高烈度地震区，已被数十栋高层建筑采用作为主要抗震结构。

1偏心支撑的分类

根据耗能梁段的屈服机制,可将耗能梁段分为剪切型、弯剪混合型和弯曲型,主要区别在于耗能梁段的长度e。研究结果表明:当耗能梁段长度较小时,即e≤1.6MPVP时,截面剪力首先达到屈服剪力,形成剪切塑性铰,截面弯矩小于翼缘屈服弯矩,此时的耗能梁段为剪切;当e≥2.6MPVP时,截面弯矩首先达到翼缘的屈服弯矩,剪力还没有达到屈服剪力,此时为弯曲型;当1.6MPVP≤e≤2.6MPVP时,则介于两者之间,为弯剪混合型,简称弯剪型。

偏心支撑的变形形式如图1所示,剪切型耗能梁段所能达到的转角(即耗能梁段两端的相对位移除以耗能梁段的长度)最大,弯曲型的最小,弯剪型的介于两者之间。而且剪切型耗能梁段中剪力分布比较均匀,剪切塑性铰在耗能梁段内分布范围较大,具有较好的变形能力与耗能效果。

2影响耗能梁段耗能能力的因素

本文将从偏心支撑的支撑形式、材料过强系数、细部构造和支撑楼层的高跨比等方面,来论述影响耗能梁段耗能能力的各种因素,并提出相应的设计建议。

2.1支撑形式

对于偏心支撑,不同的支撑形式在受力性能上既有相同之处,也有不同之处。D型偏心支撑钢框架构造简单,制作方便经济,弹性刚度较小;K型支撑的弹性刚度最大,构造则较复杂;V型支撑的刚度小于K型、大于D型,而其延性最好,V型支撑其它性能与K型类似;Y型支撑将耗能梁设于框架梁以外,具有很好的弹性刚度与延性,构造上很方便。

在无竖向荷载作用的情况下,几种形式的偏心支撑钢框架的水平极限承载力基本相同。但是在有竖向荷载作用的情况下,各个参数相同的这几种形式的极限承载力有所不同:K型、V型和Y型这3种对称的偏心支撑钢框架的水平极限承载力基本不受竖向荷载的影响。而对于D型偏心支撑钢框架而言,竖向荷载的影响比较明显:当水平荷载方向向右时,竖向荷载增加了结构的变形程度,减少了结构的水平极限承载力;当水平荷载方向向左时,竖向荷载则阻碍结构按照原来的变形机制变形,增加了结构的水平极限承载力。因为地震作用是双向的,所以D型偏心支撑很少被采用,而其他3种形式比较常见。

2.2材料过强系数

偏心支撑结构体系的工作原理是在罕遇地震作用下,一方面通过耗能梁段的非弹性变形进行耗能,另一方面耗能梁段首先发生剪切屈服,很好地保护支撑斜杆不屈曲或屈曲滞后,从而有效地保持并相应地延长结构抗震能力和抗震持续时间。耗能梁段在整个抗震过程中起到了“保险丝”的作用,避免了过大的力传入支撑使之屈曲。因此在设计支撑时,为了确保其不致屈曲,应将支撑强度对应的轴力乘以一定的系数来设计,该系数叫做材料过强系数。支撑的设计抗轴压能力,至少应为耗能梁段达屈服强度时支撑轴力的1. 6倍,才能保证耗能梁段进入非弹性变形而支撑不屈曲。

2.3细部构造

偏心支撑框架耗能梁段同时承受着很大的弯矩和轴向压力,极易发生平面内和平面外失稳,从而引起了耗能梁段的退化,因此必须采取措施来防止过早屈曲,以实现耗能梁段的转动和耗能能力。

(1)首先要限制耗能梁段翼缘的宽厚比。

(2)其次,耗能梁段是否破坏与腹板的厚度和加劲肋的设置密切相关必须对它的腹板设置排列较密的加劲肋,另外腹板厚度的改变对结构的刚度和耗能能力影响较大,腹板和加劲肋的设置参照《高钢规程》。腹板的厚度在满足《高钢规程》规定的基础上应该选择高厚比尽可能大的腹板,这对结构耗能比较有利。

(3)另外,在耗能梁段两端上下翼缘处都应设置水平侧向支撑,以防侧扭失稳。在实际工程中,经常有钢梁承受钢筋混凝土板的情况,此时,板可以对梁起到一定的侧向约束作用。现浇的钢筋混凝土板和梁上翼缘之间的摩擦力,一般足以阻止梁的侧向弯曲和扭转。预制的板的约束作用不如现浇板,需要在翼缘上焊有剪力件,并在预制板间空隙用砂浆填实。

2.4支撑楼层的高跨比

楼层的高跨比越大,D型偏心支撑钢框架的刚度越小;高跨比太大或者太小,结构的耗能能力都会降低,如果从耗能的角度上考虑,高跨比在0. 6~0. 8之间比较合适。支撑与梁之间夹角大小的改变对结构的刚度和耗能能力有一些影响,支撑与梁的夹角大于40°以后,结构的耗能性能较好,而且节点的构造比较容易处理。美国规范建议偏心支撑的耗能段宜设在梁的中部或框架梁以外。高跨比对偏心支撑钢框架体系的选择及其耗能性能影响很大。随着结构高跨比的减小,结构的刚度逐步增加。高跨比减小到一定程度后,D型和K型结构的刚度增加很小。Y型结构的弹性刚度呈先增加后减少的趋势,结构的塑性刚度逐步减小。无论高跨比太大或太小,结构的耗能能力都会减弱。

3结论和建议

(1)偏心支撑结构的耗能能力依赖于耗能梁段的耗能大小,剪切型耗能梁段具有剪力分布较均匀,塑性铰在耗能梁段内分布范围较大的优点,因此设计时应尽量将耗能梁段设计为剪切型,从而以获得较大的弹性刚度和腹板剪切屈服后的耗能能力。

(2)偏心支撑结构通过耗能梁段的塑性变形进行耗能,使耗能梁段首先发生剪切屈服,而使支撑斜杆和柱不屈曲,基本上处于弹性阶段,从而有效地保持并相应地延长结构抗震能力和抗震持续时间,因此在设计柱和支撑时应按和耗能梁段强度对应的轴力乘以材料过强系数进行设计,而柱的材料过强系数应较大,以保证强柱弱梁。

(3)高跨比对偏心支撑钢框架体系的选择及其耗能性能影响很大。在实际的工程设计中采用哪种支撑形式,则要综合考虑建筑、结构等方面的诸多因素。美国规范建议偏心支撑的耗能梁段宜设在梁的中部或框架梁以外。

(4)梁、柱和支撑之间的连接方式,焊缝的质量,钢材的残余应力及构件的初始缺陷等对耗能梁段的耗能能力也有很大的影响,有待进一步的研究。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。