论文摘要：偏心支撑钢框架是在支撑钢框架的基础上改进的一种新型抗侧力体系，该体系结合了中心支撑钢框架强度、刚度高和抗弯框架延性、耗能性能好的优点，是适用于高烈度地震区的一种有效的抗侧力结构体系。同时，由于多高层钢框架的广泛应用，其层数不同将会导致柱轴心压力的不同。本文通过应用ANASYS有限元程序对其在不同轴心压力下的受力性能进行分析。
论文关键词：型偏心支撑钢框架,轴心压力,有限元,抗震性能
引言
偏心支撑钢框架是在中心支撑钢框架的基础上改进的一种新型抗侧力体系，该体系结合了中心支撑钢框架强度、刚度高和抗弯框架延性、耗能性能好的优点，是适用于高烈度地震区的一种有效的抗侧力结构体系。目前，国内外对偏心支撑钢框架的研究主要集中在耗能梁段上，很少有人考虑由于层数不同而引起的柱的轴心压力不同从而引起抗震性能的影响。因此，研究柱的轴心压力不同导致其抗震性能的差异是很有现实意义的，并且能为理论设计提供有益的参考数据。
2.试件描述
 2.1基本试件
为了更真实地模拟地震作用下框架的实际受力行为，
试件取底层一跨两层的一榀框架作为有限元分析的基本
试件，进行有限元分析的试件的外形及几何尺寸如图1
所示。梁、柱和支撑及耗能梁段的截面尺寸分别为：
350×200×10×16、450×300×12×20和300×200×10
×10，耗能梁段的长度为400mm，耗能梁段加劲肋的厚度
为10mm，支撑与梁柱交点处的细部构造参考《多、高层
民用建筑钢结构节点构造详图》进行设计。梁柱连接、
支撑两端与框架的连接，均采取刚性连接的形式，焊缝采
用E43型焊条，其余钢材均为Q235钢。
2.2参数试件
参数试件的设计是将基本试件的柱轴心压力进行改变，
以考察其对K型偏心支撑钢框架受力性能的影响。这组参
数试件与基本试件比较，主要是改变柱的轴向压力，参数
试件的尺寸与基本试件完全相同。
参数试件与基本试件轴心压力不同的部分见表1：
表1基本试件与参数试件一览表
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试 件
|
试件1
|
试件2
|
基本试件
|
试件3
|
试件4
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轴压力(N/mm )
|
0
|
47
|
94
|
141
|
188
|
|
轴压比
|
0
|
0.2
|
0.4
|
0.6
|
0.8
|
3.滞回性能分析
该系列试件在单向荷载作用下的荷载-位移曲线和在循环荷载作用下的滞回曲线如图2(a)～(f)所示，其中试件1、2和基本试件由于轴向压力较小均能够完成5Δ位移的循环，其所施加的轴向力分别为0、0.2N和0.4N，而试件3则在0.6N轴力的作用下仅完成了3Δ位移的循环，滞回性能最差的是试件4，其在0.8N轴力作用下在接近1Δ位移处发生了破坏。从以上各试件滞回性能的对比可知，柱的轴压比对Y型偏心支撑钢框架的受力性能影响较大。此外从图2还可以发现，随着框架柱轴压比的增大，试件1、试件2和基本试件的承载力和延性都略有下降，但下降的幅度并不大。试件3和试件4的极限承载力和延性与试件一、试件2和基本试件相比有明显的下降，这主要是由于较大的柱轴压力使得结构的二阶效应增大，降低了偏心支撑框架的承载力与延性。从单调荷载作用下的荷载-位移曲线可以看出，该系列试件进入弹性阶段的时候都比较接近，进入了弹塑性阶段后，各个试件的差别就比较明显了，试件1、试件2和基本试件还保持着一定的延性，试件3的延性就比较差，试件4在进入塑性阶段不久承载力就快速下降，发生了脆性破坏。
（a)荷载-位移曲线(b)试件1滞回曲线
（c)试件1滞回曲线（d)基本试件滞回曲线
图2参数试件与基本试件的荷载-位移曲线与滞回曲线
图3为系列试件在循环荷载作用下的骨架曲线和割线刚度退化曲线。从图中可以看到，系列试件在结构
各受力阶段的骨架曲线和割线刚度退化曲线基本重合。此外从图中还可以看到，虽然结构在不同受力阶段对荷载的反应比较类似，但各试件的极限承载力和延性却有较大差别，其中轴压比较大的试件3和4的承载力与延性明显小于其它试件。
 从图4中可以看到，轴压比较小的试件试件1、试件2和基本试件的极限承载力相差不大，其承载力分别达到了1551.02KN、1545.32KN与1540KN，而试件3与4的极限荷载仅达到了1492.67KN和1384.63KN，与承载力最好的KERP1相比分别减小了4%和11%。可见，当柱的轴压比在一定范围内(N≤0.6N，N为柱全截面屈服时所能承受的压力)变动时，其对K型偏心支撑钢框架的极限承载力影响很小，而当柱的轴压大于某一值时(N>0.6N)，其将显著削弱结构的承载力。
由骨架曲线可得到YEVF系列试件在循环荷载作用下不同受力阶段的荷载、转角与延性系数表，如表2所示。从表中可以清楚地看到，在结构的屈服点，各试件的屈服荷载 和框架转角的差别并不大，屈服荷载降幅最大值也仅为14%；随着水平荷载的增大，试件1、试件2和基本试件的最大荷载 和极限荷载 的值明显大于试件3和试件4的相应值，而试件1、试件2和基本试件之间的相应值相差不大。比较系列试件在各受力阶段的框架转角和有效延性系数可以发现，轴压比较小的试件具有较大的框架转角和有效延性系数。由此可知，轴压比在0～0.6的范围内变化时，对Y型偏心支撑钢框架的承载力、变形能力和延性影响较小，当轴压比达到0.6及以上时，Y型偏心支撑钢框架的受力性能呈明显的劣化趋势。因此《高钢规程》要求将轴压比控制在0.6以下是比较合理的。
表2YEVF系列试件各阶段的荷载、转角和延性系数表
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试 件
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结构屈服点
|
最大荷载点
|
极限荷载点
|
|
P /kN
|
Δ /mm
|
Δ /H
|
P /kN
|
Δ /mm
|
Δ /H
|
μ
|
P /kN
|
Δ /mm
|
Δ /H
|
μ
|
|
YEVF0
|
1170
|
48
|
1/150
|
1551
|
192
|
1/37
|
4
|
1523
|
240
|
1/30
|
5
|
|
YEVF0.2
|
1128
|
48
|
1/150
|
1545
|
240
|
1/34
|
5
|
1495
|
288
|
1/25
|
6
|
|
BASE
|
1008
|
42
|
1/171
|
1523
|
210
|
1/35
|
5
|
1471
|
252
|
1/29
|
6
|
|
YEVF0.6
|
1007
|
40
|
1/180
|
1507
|
120
|
1/60
|
3
|
1272
|
120
|
1/60
|
3
|
|
YEVF0.8
|
997
|
36
|
1/200
|
997
|
36
|
1/200
|
1
|
997
|
36
|
1/200
|
1
|
4.结论
当柱的轴压力在一定范围内( ， 为柱全截面屈服时所能承受的压力)变化时，其对K型偏心支撑钢框架的受力性能影响很小，而当柱的轴压比大于0.6时，结构的承载力、变形能力、延性和耗能性能均表现出明显的劣化趋势。因此，设计轴压比应控制在0.6以下，以保证结构的良好抗震性能得以充分发挥。 |
