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(lèi)型，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(wèn)題值得繼續(xù)研究。本文通過(guò)試驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合的方法，對(duì)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(jì)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(yàn)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(yàn)。分析了2種材質(zhì)的共47根支撐試件在試驗(yàn)載荷下的最大橫向變形和最大抗壓承載力特性，驗(yàn)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(qiáng)度對(duì)支撐低周疲勞壽命影響相互獨(dú)立的基礎(chǔ)上，提出了估算支撐低周疲勞壽命的經(jīng)驗(yàn)公式。分析表明，翼緣寬厚比越小，長(zhǎng)細(xì)比越大，加載幅值越小，屈服強(qiáng)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(shí)程不可預(yù)知，設(shè)計(jì)支撐時(shí)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(diǎn)鋼材及適當(dāng)放寬某些現(xiàn)行規(guī)范對(duì)長(zhǎng)細(xì)比的限制，以避免支撐過(guò)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(lái)預(yù)估支撐的低周疲勞壽命。
　　基于上述研究成果，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)中心支撐設(shè)計(jì)的屈曲后承載力、長(zhǎng)細(xì)比及工字形鋼支撐板件寬厚比的問(wèn)題開(kāi)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(duì)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(yàn)結(jié)果基

4、本吻合。結(jié)合 FE-SAFE程序，通過(guò)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(duì)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(duì)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(cè)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(cāng)間部分為原型，按1:12縮尺比例設(shè)計(jì)制作了鉸接中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)其進(jìn)行了24種地震

5、工況下的模擬地震作用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)力特性并未發(fā)生變化；8度罕遇地震作用后，個(gè)別支撐和節(jié)點(diǎn)板出現(xiàn)了微小的平面外變形。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)原型的有限元分析結(jié)果，推算出試驗(yàn)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(guó)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(duì)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(jì)地震作用、構(gòu)件（支撐、被撐梁、支撐跨柱）設(shè)計(jì)方法對(duì)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(duì)被撐梁及支撐跨柱進(jìn)行一定補(bǔ)充設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，與按抗震規(guī)范GB50011設(shè)計(jì)的算例相比，按通則 CECS160:2004設(shè)計(jì)的算

7、例，在結(jié)構(gòu)動(dòng)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(shuō)明抗震規(guī)范GB50011規(guī)定的地震作用偏大。建議繼續(xù)開(kāi)展深入的研究，擴(kuò)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(duì)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(diǎn)研究了不同抗彎框架加強(qiáng)方法對(duì)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(méi)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(dú)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(qiáng)）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(shí)刻較早，刪掉支撐的抗彎框架按任一層能獨(dú)立承擔(dān)25%結(jié)構(gòu)基底剪力加強(qiáng)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(jì)中抗彎框架的調(diào)整加強(qiáng)，宜按照刪掉支撐后任一層能獨(dú)立承擔(dān)結(jié)構(gòu)基底剪力的25％來(lái)進(jìn)行。
　　振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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