Y型偏心支撑钢框架受力性能有限元分析

姜作杰 章梓茂

(1.呼伦贝尔学院建筑工程学院，内蒙古 海拉尔 021008； 2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

Y型偏心支撑钢框架受力性能有限元分析

姜作杰1章梓茂2

(1.呼伦贝尔学院建筑工程学院，内蒙古 海拉尔 021008； 2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

建立了四种Y型偏心支撑钢框架有限元模型，对平面模型框架和三种空间模型框架进行了单向加载和循环加载试验，并对比分析了模型框架的屈服强度、极限承载力、侧向刚度、延性和耗能能力等方面的受力性能差异,得到的结果为工程设计提供了参考。

Y型偏心支撑，空间框架，有限元，受力性能

偏心支撑钢框架结构是主要应用于抗震设计的一种结构形式，其具有较大的弹性刚度和良好的抗震性能。近年来，国内外学者对偏心支撑钢框架进行了大量的试验和数值分析，得到了具有实际意义的结果，很多结论在工程方面得到了广泛应用，但多数的研究都是利用平面模型进行的。为了更加接近建筑结构实际的受力状态，利用ANSYS11.0工程软件建立了三种不同平面外支撑情况的空间Y型偏心支撑钢框架，与平面Y型偏心支撑钢框架进行了对比分析。四种模型框架分别是平面Y型框架(见图1a))、普通空间Y型框架(见图1b))、侧向直撑空间Y型框架(见图1c))和侧向斜撑空间Y型框架(见图1d))，分析时考虑材料非线性性能，分析方法采用有限元法。研究四种模型框架的整体受力性能，通过数值模拟，分析三层钢框架在单向荷载和循环荷载情况下行为特征，重点分析了Y型偏心支撑钢框架的屈服强度、极限承载力、延性、刚度和耗能能力等。

1 有限元模型的建立

1.1 试件的几何尺寸

根据前人对Y型偏心支撑钢框架的研究成果，按照典型剪切屈服型模型来确定模型框架及各构件的几何尺寸[1，2]。其中，模型框架层高设计为3.6 m，跨度为6 m，空间框架进深取4 m，设计3层；梁、柱和支撑均采用H型钢，梁截面采用H350×250×9×14，柱截面采用H450×300×11×18，支撑采用300×200×8×12，Y型偏心支撑框架耗能段截面采用H500×200×10×16，耗能段高取500 mm，所有结点均假设为理想的刚性连接形式。

1.2 有限元单元的选取及网格划分

Y型偏心支撑钢框架在罕遇地震作用下耗能梁段腹板首先屈服进入塑性，这种耗能段的塑性变形是Y型偏心支撑钢框架耗能的主要方式，这样耗能段将会产生很大的塑性变形，为了研究更为详细准确，模型框架的网格划分采用三维八结点实体单元Solid45，这种实体单元支持材料塑性、徐变、应力硬化、大应变和大变形，网格划分采用自由划分方式，这样能划分出比较连续的网格，单元节点的力和力矩也能够很好地传递[3]。

1.3 定义材料参数

模型框架中各构件的材质均采用Q235钢，焊条采用E43型焊条。钢材的弹性模量为E=2.06×105MPa，切线模量为Et=0.02E，泊松比μ=0.3。模型框架在单向荷载作用时采用服从Von-Mises屈服准则的多线性随动强化本构模型。考虑到钢材在循环荷载作用下没有明显的屈服平台，在计算循环荷载作用下的响应时，参照EI-Tawil等人[4]的方法，取极限荷载点与屈服点连线的材料斜率作为强化模量，采用考虑应变强化和带有下降段的三折线模型，以考虑在循环荷载作用下钢材的Bauschinger效应。根据试验统计资料，钢材性能参数如表1所示。

表1 钢材性能参数明细

1.4 边界条件、加载制度和破坏准则

1)边界条件。为了使模型框架的受力状态更接近实际工程结构的工作情况，假定模型框架柱脚与地面为理想刚接，并在柱顶施加了0.4Ny(Ny为柱全截面屈服时所能承受的压力)的轴力。(见图2)。另外由于水平集中荷载作用在柱顶翼缘板上，为避免发生应力集中或局部变形过大，将顶层梁端部位置柱侧面的节点沿水平荷载的施加方向的自由度UX耦合在一起，如图3所示。

2)加载制度。进行结构静力分析时，参照GBJ 101-96建筑抗震试验方法规程[5]中的有关规定，在梁端以集中力的形式对Y型偏心支撑框架施加单向水平荷载，加载方式如图4所示。根据单向荷载下的荷载位移曲线计算结构的塑性位移Δy，采用“通用屈服弯矩法”(G.Y.M.M)[6]来确定结构的屈服点。循环加载时按照如下加载方式：Δy/2，Δy，2Δy，3Δy，4Δy，5Δy…各循环一周，直至试件破坏。

3)破坏准则。空间钢框架结构在荷载作用下的破坏形态十分复杂，并且ANSYS本身并没有固定的破坏准则，所以试验过程中，当钢框架的承载力超过极限荷载并降至其0.85倍的极限荷载时就认为框架破坏[6]。

2 受力性能分析

2.1 强度和刚度

四种模型框架在单向荷载作用下的试验结果如图5和表2所示，三种空间Y型偏心支撑钢框架的屈服强度和极限承载力十分接近，均比平面Y型偏心支撑框架的大，这说明平面外支撑能有效提高框架的屈服强度和极限承载力，屈服强度提高了近20%，极限承载力提高了14%～20%。其中，侧向直撑空间Y型偏心支撑框架的屈服强度和极限承载力最高。从表2中还可以看出，三种空间模型框架的刚度比较接近，但都明显高于平面框架，空间框架的刚度比平面框架提高了4%～17%。其中侧向直撑空间Y型偏心支撑框架的刚度最大。

表2 Y型偏心支撑框架计算结果对比

模型Fy/kNΔy/mmFu/kNΔu/mm平面Y型偏心支撑框架69917.301906466.5普通空间Y型偏心支撑框架83719.952180454.3侧向直撑空间Y型偏心支撑框架837.419.522290495侧向斜撑空间Y型偏心支撑框架83719.642286530注:Fy,Δy分别表示框架屈服时的水平荷载和水平位移;Fu,Δu分别表示框架极限状态时的水平荷载和水平位移

图6为四种模型框架在水平循环荷载作用下的滞回曲线，可以看出，所有模型框架的滞回曲线都非常饱满和稳定，呈纺锥形，这表明Y型偏心支撑框架具有良好的耗能性能和延性特征。从滞回曲线外形上看，平面Y型框架与普通空间Y型框架比较接近，侧向直撑空间Y型框架与侧向斜撑空间Y型框架滞回曲线的外形相似。从循环周数来看，三个空间模型框架均完成了四个半循环，而平面模型框架完成了五个循环，这说明平面外支撑的存在使Y型偏心支撑框架的延性略有降低，但明显提高了强度和刚度。模型框架在循环荷载作用下的骨架曲线如图7所示，从曲线中可以看出，空间模型框架的强度和刚度要高于平面模型框架，这与单向荷载作用下的结果是一致的。

模型框架在循环荷载作用下的割线刚度退化曲线如图8所示，从模型的割线刚度退化曲线中可以看出，侧向直撑空间Y型框架的弹性刚度最大，这也与单向荷载作用下的结构反应是一致的，另外从图8中还可以看出割线刚度退化的规律：空间模型框架的刚度退化在前期要明显比平面模型快，但当耗能段屈服后，刚度随荷载变化则趋于比较平缓，空间框架与平面框架的割线刚度退化程度相差不多。

2.2 耗能能力

图9为四种Y型偏心支撑框架模型的四周循环下的耗能情况，图中耗能最大的是侧向直撑空间Y型框架，侧向斜撑空间Y型框架略小，其次是普通空间Y型框架，耗散能量最小的是平面Y型框架。从各模型框架四周循环的耗能可以看出，Y型偏心支撑钢框架具有良好的耗能能力，并且平面外支撑的存在能提高框架的耗能能力，总体提高10%～20%。

3 结语

根据以上有限元分析研究的结果，可得出以下结论：Y型偏心支撑框架具有较高的侧向刚度，较好的延性特征和耗能能力；侧向支撑的存在能有效提高框架的屈服强度、极限承载力和弹性刚度，并且不显著降低框架的延性。相比较而言，侧向直撑空间Y型偏心支撑框架的各项受力性能最优。总之，平面外支撑的存在，能提高框架的整体受力性能，因此，当设计中的计算模型采用平面框架作为计算模型时，对于实际结构来说是偏于安全的。

[1] 贾子文,龚永忠,于安林.Y型支撑钢框架耗能段滞回性能研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2001,33(4):375-378.

[2] 方 祥,叶燎原.耗能支撑框架结构中几个问题的探讨[J].云南工业大学学报,1998,14(2):1-5.

[3] 王勖成,邵 敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].第2版.北京:清华大学出版社,1996.

[4] EI-Tawil,S..Strength and Ducthity of FR Weld-Bolted Connections[J].Rep.No.SAC/BD-98/0l,SAC Joint Venture,Sacramento,Cal,1998(5)：41-42.

[5] JGJ 101-96,建筑抗震试验方法规程[S].

[6] 姚谦峰,陈 平.土木工程结构试验[M].北京：中国建筑工业出版社,2001：219-220.

Finite element analysis for the characters of Y-type eccentrically braced steel frames

JIANG Zuo-jie1ZHANG Zi-mao2

(1.ArchitecturalEngineeringSchool,HulunbuirCollege,Hailaer021008,China；2.CivilEngineeringCollege,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Four finite element model of Y-type eccentrically braced steel frames are established. The one-way loading and cyclic loading tests on plane model and three kinds of 3D model framework. The stress performance of the model is different by comparative analysis, such as yield strength, ultimate bearing capacity, lateral stiffness, ductility and energy dissipation capacity and so on. The results provide the reference for the engineering design.

Y-type eccentrically braced steel frames， 3D frames， finite element， mechanical performance

1009-6825(2014)30-0049-03

2014-08-11

姜作杰(1979- )，男，硕士，高级工程师，讲师； 章梓茂(1959- )，男，博士，博士生导师，教授

TU311

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