李雙營

摘要：根據青藏高原的地理特征，選擇合理的鋼結構住宅體系——偏心支撐體系，并對不同耗能梁段長度在偏心支撐體系的抗震性能進行研究，并運用有限元分析軟件ETABS對其進行分析，得出的結論可供工程設計人員參考

關鍵詞：青藏高原 偏心支撐體系 鋼結構住宅 抗震性能

引言

根據青海地區(qū)的特點，氣候干燥，這對鋼材的“濕腐蝕”具有天然的防腐作用；青海冬季時間長，不利于施工，鋼結構施工速度很快，既可保證建筑結構的工期質量，又減少了因冬季施工帶來的溫度等方面的問題；青海冬季室外氣溫低，鋼結構住宅的墻體一般選用與之配套的板材，與傳統(tǒng)的磚墻相比具有較好的保溫性能，在建筑節(jié)能方面具有良好的優(yōu)勢。依照青海地區(qū)的這些特點，應該選用施工速度快，減少濕作業(yè)的結構體系；又由于青海地區(qū)是地震多發(fā)區(qū)，這樣選用抗側性能好，同時有較大承載力和較好延性的結構體系。綜合考慮多層鋼結構住宅結構體系的性能和青海地區(qū)的特點，本文采用鋼框架支撐結構體系。

1.鋼框架支撐體系的主要形式

中心支撐具有較大的側向剛度，構造相對簡單，能減小結構的水平側移，改善結構的內力分布。但在水平荷載作用下，中心支撐容易產生側向屈曲。在往復水平地震作用下，當結構的受力進入彈塑性范圍時，層間抗剪能力和結構的抗側剛度急劇下降，層間側移過度增大，最終導致結構整體失穩(wěn)破壞。因此在地震區(qū)應用時應慎重。

1.2.偏心支撐鋼框架

偏心支撐鋼框架的主要特點是每一根支撐斜桿的兩端，至少有一端與梁不在柱節(jié)點處相連。這樣支撐斜桿和柱之間或斜桿和斜桿之間就構成了一個耗能梁段。采用耗能梁段的目的是改變支撐斜桿與梁（耗能梁段）的先后屈服順序，即在罕遇地震時，一方面通過耗能梁段的非彈性變形進行耗能，另一方面是耗能梁段的剪切屈服在先（同跨的其余梁段未屈服），保護支撐斜桿部屈服或屈服在后，從而相應的延長結構抗震能力的持續(xù)時間，并達到節(jié)約鋼材的目的。因此偏心支撐框架適用于地震區(qū)的鋼結構建筑。

2 計算方法

在進行結構分析時，可采用平面抗側力結構的空間協同計算模型。當結構布置規(guī)則，質量與高度沿高度分布均勻且無扭轉效應時，可采用平面結構計算模型；當結構的平面或立面不規(guī)則，體形復雜，無法劃分成平面抗側力單元，或為筒體結構時，應采用三維空間結構計算模型。平面協同矩陣位移法：平面布置規(guī)則的框架支撐結構和框架剪力墻結構，在水平荷載作用下可以近似的簡化為平面抗側力體系，將沿主軸方向或斜交方向的所有框架合并為總框架，并將所有豎向支撐合并為總支撐，然后進行協同工作分析。

因為對框架支撐體系的房屋來說，沿房屋的橫向或縱向，各榀框架和各片豎向支撐樓板相連，形成以空間結構，在風或地震等水平荷載作用下，當樓板可視為剛性橫隔板時，在結構部發(fā)生扭轉的情況下，沿房屋橫向和縱向各榀框架和各片豎向支撐側移值相同，所以可以剛性連桿將框架和支撐連為圖 2.4a 所示的并聯體，其側移曲線為彎剪型

3 偏心支撐鋼框架的設計計算

3.1 偏心支撐鋼框架的工作原理

在中小地震作用下，所有構件處于彈性階段，此時支撐提供主要的抗側力剛度，其工作性能與中心支撐框架相似；在強烈地震下保證支撐不先發(fā)生受壓屈曲，而讓耗能梁段屈服來耗散地震能量，這時偏心支撐框架的工作性能與抗彎框架相似。

3.2與中心支撐鋼框架相比，偏心支撐鋼框架具有以下明顯優(yōu)勢：（1）能夠準確有效地控制結構在水平地震下的變位，減小層間及整體結構的側移；（2）具有較大的結構延性；（3）耗能梁段的剪切屈服起到了類似“保險絲”的作用，耗散強烈地震時過多的能量；（4）耗鋼量小，可節(jié)省 20﹪---30﹪的鋼材；（5）適用范圍小，不僅適用于高層建筑

結構，而且也用到多層建筑；（6）提供一種剛性的結構體系而不過多地耗費鋼材，具有較好的經濟性。

4.偏心支撐鋼結構住宅體系抗震性能分析

本工程是九層鋼框架偏心支撐體系住宅樓（D 型支撐，支撐一端與框架柱直接相連，另一端通過耗能梁段與框架柱相連的形式），長 39.0m，寬 21.6m，層高 3m；采用 100mm壓型鋼板組合樓蓋，鋼柱采用 Q345B 級箱型柱，鋼梁﹑支撐均采用 Q345B 級 H 型鋼，墻體材料為 ALC 板。耗能梁段長度分別為：1.25m 1m 0.75m 0.5m0.375m 及 0m（中心支撐）本工程是九層鋼框架偏心支撐體系住宅樓（D 型支撐，支撐一端與框架柱直接相連，

本算例采用靜力線性時程分析法，地震波選用埃而森特羅南北波（EICENTRO，1940），其記錄峰值加速度為 341.7Gal，時間子步 0.02s，地震持續(xù)時間 30s，結構阻尼比采用0.035，適用于Ⅱ類場地。

從 Pushover 得出的塑性鉸出現的位置及順序來看：塑性鉸首先出現在三層的支撐上，而后在支撐上和耗能梁段上逐漸出現塑性鉸，接著在三層梁上開始出現塑性鉸，逐漸向上發(fā)展，直到各層梁都出現塑性鉸，同時發(fā)生了明顯的變形。從整體結構塑性鉸的出現和數量上觀察，支撐和耗能梁段除頂層外完全出現塑性鉸，其中支撐塑性鉸首先出現并且呈粉色狀態(tài)；耗能梁段塑性鉸其次出現，并且隨著塑性鉸的出現顏色有粉色變?yōu)樗{色狀態(tài)，說明支撐延遲了耗能梁段發(fā)生非線性變形的時間并且消散了更多的地震能量，減少了梁柱的非線性需求，提高了結構體系的整體抗震性能，將震害的損失減少至最低。

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青海民族大學2014年度校級理工自然科學項目

項目編號：2014XJZ25

項目類別：青年項目