齊永勝，周泓

(1.常州市建設工程結構與材料性能研究重點實驗室(常州工學院)，江蘇 常州 213002;2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

在弱剪型中心支撐鋼框架體系中，支撐作為抗震的第一道防線，在結構經受強震時，要求其進入屈服狀態(tài)，以消耗地震能和減小結構剛度削弱地震反應，起到保護整個結構的作用。［1－3］但由于一般鋼材屈服強度離散性較大，可能會出現支撐屈服強度較明顯高于鋼框架的情況(考慮到這種體系使用的普遍性，這種情況可能大量存在)，這時如果支撐在需要屈服的時候由于超強不能屈服則可能會迫使主鋼架進入塑性狀態(tài)，從而使鋼框架從第二道防線轉變?yōu)榈谝坏婪谰€，本應被保護的系統(tǒng)成了保護者，這樣便與設計意圖大大背離，使結構處于危險狀態(tài)，或使得震后加固維修變得極為困難，畢竟拆換支撐構件比修復梁柱體系簡單、經濟得多。目前關于支撐材料超強對弱剪型支撐鋼框架影響的研究仍很缺乏，本文以一個簡單的算例探討這個問題，以期拋磚引玉，并建議采用抗震鋼制作支撐構件以避免支撐材料超強對弱剪型支撐鋼框架的不利影響?？拐痄撌翘厥庑阅茕摬闹械囊环N，這種鋼材屈服平臺很長、很穩(wěn)定，非常適合用在需要準確控制鋼材屈服點的部位。

1 算例簡介

算例為單跨單層弱剪型中心支撐框架［4－5］，結構形式如圖1，l=6000 mm，h=6000 mm，荷載為p=1440 kN，q=50 kN/m，框架的總質量為3180 kN，柱承擔的豎向荷載Pc=1590 kN。設防烈度為8度，場地類型為三類。結構選用Q235鋼材，E=206000 N/mm2。按弱剪型框架進行設計，采用框架柱截面為H400×360×10×16，梁選用H400×300×8×14，支撐選用 H250×180×8×12，因此實際選用的支撐面積

分析中框架梁柱構件的屈服強度取為fy=235 N/mm2。支撐采用兩種材料數據:第一組支撐采用抗震鋼制作，可保證材料有準確的屈服點和較長的屈服平臺，為方便比較，取屈服強度為fy=235 N/mm2;第二組采用普通鋼材，其屈服強度由于材料性能的離散性達到了Q235鋼材屈服強度的 1.3 倍，即 fy=235 ×1.3=305.5 N/mm2。第一組反應弱剪型框架的設計初衷，在較大地震作用下，支撐屈服，通過支撐鋼材的屈服平臺消耗地震能，而且此時由于結構部分材料進入塑性使得剛度降低從而減弱地震反應，保護框架主體的梁柱構件。第二組旨在分析由于材料性能離散性造成支撐鋼材超強的情況下，原始的設計意圖能否實現。

基本分析設定:①研究對象為平面支撐框架;②材料各向同性、理想彈塑性;③梁柱剛接，支撐桿兩端鉸接;④忽略支撐桿件的初始缺陷，不考慮支撐桿受壓屈曲(采用防屈曲支撐形式);⑤不考慮殘余應力;⑥在模型中只考慮柱子的初始平面內缺陷，即在框架柱的中點處有1/1000柱高的水平初始缺陷，幾何缺陷直接按節(jié)點坐標形式定義。

圖1 弱剪型支撐框架

結構抗震性能采用Pushover和時程分析兩種方法進行分析。Pushover分析為得到完整的荷載—變形曲線尤其是峰值后下降段采用ABAQUS6.10軟件，框架的梁和柱采用B22單元，支撐采用 B21單元。時程分析使用 ANSYS11.0軟件，框架的梁和柱采用BEAM189單元，支撐采用LINK8單元，將框架中樓層質量簡化為分布于梁柱節(jié)點的集中質量，在梁柱節(jié)點采用MASS21單元輸入樓層質量。在有限元模型中，梁、柱分為10個單元，支撐為二力桿，設置為一個單元;計算中考慮幾何非線性與材料非線性。

2 Pushover分析

由圖2可看出第一組抗震鋼支撐框架在水平地震作用下承載能力達到極限荷載的峰值1060 kN后，承載能力進入一個相當長的屈服流動平臺，流動平臺對應的水平坐標值在23～132 mm之間，長度為109 mm，在此區(qū)域變形逐漸增加，承載能力和剛度基本保持不變，結構具有非常好的耗能能力，地震時可以充分利用此流動平臺消耗地震能，削弱地震反應，保護主框架結構。由隨后的時程分析過程可以更明確地看到這一點。

第二組普通鋼支撐框架水平承載能力極限值為1220 kN，高于第一組抗震鋼支撐框架的相應值。這是因為鋼支撐材料超強30%，推遲了塑性變形的發(fā)展，使得結構在彈性狀態(tài)的工作階段略大于第一組抗震鋼支撐框架。普通鋼支撐框架在水平地震作用達到水平承載能力極限值后，結構的承載能力立刻下降，沒有屈服流動平臺，這使得結構的耗能能力明顯低于抗震鋼支撐框架，因而抗震性能不佳，可能不能實現弱剪型框架的設計意圖。

圖2 不同鋼支撐框架Pushover曲線

3 時程分析

3.1 地震波選取

選取El Centro地震波(如圖3所示)進行計算，輸入地震波峰值加速度，按照設防烈度為8度的罕遇地震取值，即將地震記錄的峰值調整為0.4 g(400 cm/s2)，取地震時間歷程的前30 s，在計算中時間積分步長取為△t=0.02 s。在支撐框架的水平方向輸入地震波加速度。

圖3 El Centro地震波

3.2 時程計算結果及對比分析

1)兩種框架基底剪力—柱頂位移(圖4)

抗震鋼支撐框架地震波作用下框架承受的基底剪力要小于強剪型，框架更早進入塑性階段后，對塑性變形的需求較大，滯回環(huán)飽滿穩(wěn)定，曲線所包圍的面積大，表明其具有良好的耗能能力。

普通鋼支撐框架在地震荷載作用下，產生的基底剪力較大，雖然也有屈服現象發(fā)生，但其滯回環(huán)封閉部分所包絡面積明顯小于抗震鋼支撐框架，表示耗能能力遠小于抗震鋼支撐框架，由此可見鋼材性能離散性造成的超強對弱剪型中心支撐框架的抗震性能是不利的，如果采用抗震鋼來制作支承構件，就能可靠地避免這種現象，很好地實現設計意圖。

圖4 基底剪力—柱頂位移

2)兩種框架中心支撐滯回環(huán)(圖5)

兩種框架中心支撐滯回環(huán)都能達到對應的鋼材屈服強度，表明強震作用下，中心支撐都進入了屈服階段，結構的塑性耗能能力主要來自中心支撐的塑性發(fā)展(由兩種框架中心支撐滯回環(huán)與基底剪力—柱頂位移相似性也可看出此點)。但兩種支撐進入屈服狀態(tài)的時間不同，造成了滯回環(huán)封閉程度和包絡面積的不同，使得耗能能力有明顯差異。在強震作用下抗震鋼支撐框架的支撐及時地按設計意圖進入了塑性狀態(tài)，滯回環(huán)飽滿穩(wěn)定，包絡面積大;普通鋼支撐框架的支撐由于超強推遲了對塑性狀態(tài)的進入，在更大的地震荷載作用下才進入塑性，因而滯回環(huán)封閉程度有限，包絡面積明顯小于抗震鋼支撐框架，使普通鋼支撐框架未能很好地貫徹設計意圖，其抗震能力明顯減弱。

圖5 中心支撐滯回環(huán)

3)框架右柱頂部水平位移響應(圖6)

在El Centro波作用下，抗震鋼支撐框架和普通鋼支撐框架右柱頂部水平位移時程反應曲線形狀相似，在數值上則是普通鋼支撐框架水平位移為64.9 mm，大于抗震鋼支撐框架51.6 mm。可見普通鋼支撐框架局部(支撐構件)強度大了，而地震反應也增加了。這是由于采用抗震鋼作支撐的鋼框架在較大地震作用下忠實地按設計意圖及時地進入塑性狀態(tài)，靠材料的塑性消耗地震能，并通過剛度的減小削弱地震反應;而普通鋼框架由于支撐鋼材的超強，當地震使支撐材料達到屈服強度時未能進入屈服流動平臺，從而延長了結構的彈性狀態(tài)，結構剛度未能及時下降，故而地震反應較大，這對保護框架主體是不利的，偏離了設計初衷。

當地震烈度更大時，可能會導致框架梁柱的最不利位置先于支撐進入塑性狀態(tài)，從而使框架保護了支撐，而不是支撐保護了框架，結構的兩道抗震防線次序顛倒，不能發(fā)揮支撐的抗震和耗能作用，增加了結構地震危險性。

圖6 El Centro波作用下框架右柱頂部水平位移響應

4)框架應力分布

分別截取結構在時程分析中達到最大位移時的Mises等效應力云圖，如圖7所示，在反應過程中，出現較大應力的部位為:左柱柱根單元內側、右柱柱根單元外側、右柱柱頭梁柱連接內側。

可以看出，支撐超強的普通鋼支撐框架，柱中塑性發(fā)展明顯多于抗震鋼支撐框架，其原因是未能充分發(fā)揮支撐耗能作用，地震能量在結構中逐漸積累，最終需要主框架較多地進入塑性以消耗地震能，使結構震后的殘余變形增大，加大了修復難度和費用，并且增加了在更大地震下倒塌的可能性。

圖7 最大位移時的Mises等效應力云圖

4 結語

1)Pushover和時程分析的計算表明，在弱剪型中心支撐框架中采用普通鋼材制作鋼支撐可能因鋼材超強使支撐未能按設計意圖及時進入塑性狀態(tài)，不能充分支撐塑性耗能能力，以減小地震反應，保護主體結構，從而使得鋼框架遭受較大破壞，不能擔負第一道防線的作用，增大了結構在地震中的危險性。

2)采用抗震鋼作弱剪型中心支撐框架的支撐可以很好地貫徹設計意圖，使支撐構件在預定地震強度作用下進入塑性狀態(tài)，通過鋼材的塑性屈服流動消耗地震能，降低結構剛度減小地震反應，使得中心支撐構件成功地擔負起第一道抗震防線的作用，起到“保險絲”的作用，有效地保證框架主體的安全。雖然抗震鋼價格較高，但支撐構件占結構整體比重很小，由此增加的造價是很有限的，與安全性和抗震能力的提高相比可以說是性價比極高的舉措。

［1］楊俊芬.中心支撐鋼框架的結構影響系數和位移放大系數研究［D］.南京:河海大學，2009:89－95.

［2］楊俊芬.用增量動力分析方法求解人字形中心支撐鋼框架的結構影響系數和位移放大系數(Ⅰ)——方法［J］.地震工程與工程振動，2010，30(2):64 －71.

［3］楊俊芬.用增量動力分析方法確定人字形中心支撐鋼框架的結構影響系數和位移放大系數(Ⅱ)——算例［J］.地震工程與工程振動，2010，30(3):86 －95.

［4］童根樹.鋼結構設計方法［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:80－81.

［5］米旭峰.支撐框架與豎縫剪力墻抗震設計研究［D］.杭州:浙江大學，2007:18－24.