焊接工字形鋼支撐及中心支撐鋼框架抗震性能研究.pdf

1、中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)是目前多高層鋼結(jié)構(gòu)中常用的一種結(jié)構(gòu)類型，國內(nèi)外對其抗震性能已做了大量的研究工作。但由于其在罕遇地震下的響應(yīng)非常復(fù)雜，仍有許多問題值得繼續(xù)研究。本文通過試驗和有限元分析相結(jié)合的方法，對焊接工字形鋼支撐的低周疲勞性能、中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法及抗震性能進(jìn)行了分析研究，并得出了一些有意義的結(jié)論。
　　在兩端鉸接 ST12材質(zhì)焊接工字形鋼支撐等幅軸向循環(huán)位移荷載低周疲勞性能試驗基礎(chǔ)上，進(jìn)行了 Q235材質(zhì)焊接工字形鋼

2、支撐低周疲勞性能試驗。分析了2種材質(zhì)的共47根支撐試件在試驗載荷下的最大橫向變形和最大抗壓承載力特性，驗證了本文推導(dǎo)公式及規(guī)范方法的可靠性。在假設(shè)加載幅值、試件幾何特征以及鋼材屈服強度對支撐低周疲勞壽命影響相互獨立的基礎(chǔ)上，提出了估算支撐低周疲勞壽命的經(jīng)驗公式。分析表明，翼緣寬厚比越小，長細(xì)比越大，加載幅值越小，屈服強度越低，支撐低周疲勞壽命越高。由于地震作用前支撐構(gòu)件位移時程不可預(yù)知，設(shè)計支撐時除應(yīng)嚴(yán)格限制翼緣板件寬厚比外，還應(yīng)適當(dāng)采

3、用低屈服點鋼材及適當(dāng)放寬某些現(xiàn)行規(guī)范對長細(xì)比的限制，以避免支撐過早斷裂。最后，根據(jù)支撐不同損傷階段的累積耗能比，指出可偏于安全地采用階段?的壽命估算公式來預(yù)估支撐的低周疲勞壽命。
　　基于上述研究成果，對國內(nèi)外有關(guān)中心支撐設(shè)計的屈曲后承載力、長細(xì)比及工字形鋼支撐板件寬厚比的問題開展了分析討論，并提出了一些具體建議。
　　采用有限元程序ABAQUS對19根Q235材質(zhì)焊接工字形鋼支撐的滯回性能進(jìn)行了模擬，有限元結(jié)果與試驗結(jié)果基

4、本吻合。結(jié)合 FE-SAFE程序，通過主應(yīng)變、最大剪應(yīng)變、Brown-Miller組合應(yīng)變?nèi)N多軸臨界面損傷模型對支撐的低周疲勞性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，殘余應(yīng)力對支撐低周疲勞壽命影響甚微；三種臨界面損傷模型的預(yù)測壽命基本位于4倍分散帶以內(nèi)，偏于安全一側(cè)。
　　以位于抗震設(shè)防烈度8度區(qū)的某大型火電廠鋼結(jié)構(gòu)主廠房橫向最不利一榀的煤倉間部分為原型，按1:12縮尺比例設(shè)計制作了鉸接中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ停瑢ζ溥M(jìn)行了24種地震

5、工況下的模擬地震作用振動臺試驗和部分工況下的數(shù)值模擬研究。得到了模型結(jié)構(gòu)的動力特性及其在8度多遇、偶遇、罕遇及8.5度罕遇地震下的加速度和位移響應(yīng)等。結(jié)果表明，8度多遇地震作用前后，結(jié)構(gòu)動力特性并未發(fā)生變化；8度罕遇地震作用后，個別支撐和節(jié)點板出現(xiàn)了微小的平面外變形。依據(jù)試驗結(jié)果及試驗原型的有限元分析結(jié)果，推算出試驗原型結(jié)構(gòu)在三種地震（EL Centro、 Cholam Shandon、人工）的多遇烈度以及人工地震的罕遇烈度下，層間位移

6、角包絡(luò)值滿足我國抗震規(guī)范GB50011的限值要求。該體系在高烈度區(qū)也可具有良好的抗震性能。
　　采用有限元程序 ABAQUS，對4、10層高烈度區(qū)（8度）的鉸接中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，研究了設(shè)計地震作用、構(gòu)件（支撐、被撐梁、支撐跨柱）設(shè)計方法對鉸接中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。結(jié)果表明，在對被撐梁及支撐跨柱進(jìn)行一定補充設(shè)計的基礎(chǔ)上，與按抗震規(guī)范GB50011設(shè)計的算例相比，按通則 CECS160:2004設(shè)計的算

7、例，在結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)相當(dāng)?shù)那闆r下，減少了用鋼量，獲得了較優(yōu)的綜合抗震性能。說明抗震規(guī)范GB50011規(guī)定的地震作用偏大。建議繼續(xù)開展深入的研究，擴大鉸接中心支撐鋼框架體系的應(yīng)用范圍。
　　采用有限元程序 ABAQUS，對8度抗震設(shè)防烈度區(qū)的梁柱剛接中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，重點研究了不同抗彎框架加強方法對鋼框架-中心支撐雙重體系抗震性能的影響。結(jié)果表明，罕遇地震下，若支撐沒有因低周疲勞失效退出工作，鋼框架-中心支撐雙重體

8、系（刪掉支撐的抗彎框架按任一層能獨立承擔(dān)結(jié)構(gòu)層剪力的25％或結(jié)構(gòu)基底剪力的25%加強）并未體現(xiàn)出優(yōu)于單體系的抗震性能；若假設(shè)支撐出現(xiàn)斷裂且斷裂時刻較早，刪掉支撐的抗彎框架按任一層能獨立承擔(dān)25%結(jié)構(gòu)基底剪力加強的雙重體系算例明顯體現(xiàn)出了較優(yōu)的抗震性能。建議雙重體系設(shè)計中抗彎框架的調(diào)整加強，宜按照刪掉支撐后任一層能獨立承擔(dān)結(jié)構(gòu)基底剪力的25％來進(jìn)行。
　　振動臺試驗及中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析結(jié)果均表明，抗震規(guī)范GB50011