Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性能

连鸣，苏明周

(西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055)



Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性能

连鸣，苏明周

(西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055)

在Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性振动台试验的基础上，建立了试验试件的有限元模型,并验证了分析的正确性。设计了一个9层的Y形偏心支撑高强钢框架结构，以耗能梁段长度、耗能梁段腹板高厚比、高跨比为参数，对9层结构进行了非线性动力时程分析，研究了以上参数对结构抗震性能的影响。研究结果表明，改变耗能梁段长度、高跨比对结构层间侧移、耗能梁段性能、框架柱弯矩、耗能能力均有不同程度的影响，对框架柱轴力、基底剪力无显著影响；改变耗能梁段腹板高厚比对结构耗能能力有影响，对结构层间侧移、耗能梁段性能、框架柱受力、基底剪力无显著影响，并给出了相关设计建议。

高强钢；偏心支撑框架；有限元；时程分析；抗震性能

偏心支撑框架结构很好地结合了中心支撑框架结构的刚度和框架结构的延性，是一种优良的抗震结构体系[1-6]。近几年，新的生产工艺使钢材的强度和加工性能显著提升，且相应的焊接材料和焊接工艺已逐渐成熟，使高强度钢材已大量用于桥梁结构[7-8]，并逐渐在建筑结构领域得到应用[9]。

Y形偏心支撑高强钢框架结构的耗能梁段耗能梁段和支撑采用屈服点较低且延性较好的钢材(如Q235钢、Q345钢)，其余构件采用高强钢(如Q460钢、Q690钢)，在地震作用下，耗能梁段能够充分发展塑性进行耗能，框架梁、柱由于采用高强钢，仍保持弹性或部分进入塑性，从而保证结构达到抗震设防的目标，并且采用高强度钢材可有效减小构件截面尺寸，节约钢材，降低造价。目前，课题组已完成了单层单跨K形和Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性能拟静力试验研究[10-11]及滞回性能数值分析[12-14]；对3层K形偏心支撑高强钢框架结构抗震性能进行了拟静力试验研究[15]；对3层Y形偏心支撑高强钢框架结构的抗震性能进行了振动台试验研究[16]。

本文在Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性能振动台试验的基础上，采用ABAQUS建立试验试件有限元模型，然后设计了一个9层Y形偏心支撑高强钢框架结构，以耗能梁段长度、耗能梁段腹板高厚比、高跨比为参数，对9层结构有限元模型进行了非线性时程分析，研究了不同参数对结构抗震性能的影响，并给出相关设计建议，为工程设计提供参考。

1 试验概况及有限元模型

1.1 试验试件

由于文献[16]模型试件试验效果一般，因此,重新设计耗能梁段，并在原试件的基础上替换原耗能梁段。新设计的耗能梁段长度为350 mm，选取Q235钢，钢材的力学性能参数见表1，截面尺寸见表2。将原耗能梁段替换后的试验模型试件见图1，除耗能梁段不同外，其余均与文献[16]模型试件相同。

表1 Q235钢性能参数

表2 耗能梁段截面尺寸

图1 耗能梁段替换后的模型试件

1.2 试验加载及工况

加速度和位移传感器布置、试验工况及地震波输入顺序同文献[16]。为得到模型各构件的动应变反应，对应变片布置进行了修改，如图2所示。

图2 应变布置

1.3 有限元模型

图3 有限元模型及网格划分

1.4 试验结果与有限元计算结果

表3和表4分别给出了试验试件在8度和9度罕遇地震水准各地震波下的加速度和位移试验实测值与有限元计算值的比较。对比可知，除个别工况的误差大于20%以外，绝大多数工况的有限元计算结果与试验结果比较接近。

图4为试件在Taft波作用下各测点应变化规律(相对应变是指实测应变与屈服应变的比值)，由图可知，罕遇地震作用下耗能梁段进入塑性，而支撑、框架梁、柱仍处于弹性。图5为8度罕遇Taft波下耗能梁段应力云图，图中耗能梁段腹板均已超过屈服应力，各层耗能梁段腹板和翼缘应力云图所反映出的耗能梁段受力状态与试验比较接近。

总体上讲，有限元计算结果与试验结果比较接近，可用来进行本文的弹塑性有限元分析。

表3 有限元计算最大加速度与试验结果比较

表4 有限元计算最大相对位移与试验结果比较

图4 试件在Taft波作用下的应变规律

图5 8度罕遇地震作用下耗能梁段应力云图

2 结构设计与有限元模型

2.1 结构设计

设计了一个9层Y形偏心支撑高强钢框架结构，层高均为3.6 m，X方向3跨，Y方向3跨，支撑跨跨度为5.65 m，非支撑跨跨度为7.2 m，结构平面、立面布置如图6所示。设计条件：抗震设防烈度为8度(0.2g)，设计地震分组为第1组，Ⅱ类场地。

结构的耗能梁段和支撑采用Q345钢，其余构件采用Q460钢。构件均为焊接H型钢，耗能梁段均为剪切屈服型，长度为700 mm，选用C30现浇楼板，厚160 mm，墙体采用普通砖墙。楼面恒荷载取5 kN/m2(含楼板自重)，活荷载取2 kN/m2，屋面恒荷载取5.625 kN/m2(含屋面板自重)，上人屋面活荷载取2 kN/m2，雪荷载取0.325 kN/m2。结构构件截面尺寸见表5。

图6 结构布置图

表5 算例构件截面尺寸

2.2 有限元模型

选取9层结构中带有Y形偏心支撑的一榀框架(如图6(a)所示)并建立其ABAQUS有限元模型，该有限元模型的建立方式与上文试验试件有限元模型相同，除此之外，需约束框架梁平面外自由度以考虑楼板和次梁的约束。钢材屈服强度使用名义值，材料本构关系同上文试验试件有限元模型，切线模量Et=0.01E。钢材的弹性模量E= 2.06×105MPa，泊松比ν=0.3。

3 影响参数与地震波选取

3.1 影响参数选取

为研究不同参数对Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性能的影响，选取耗能梁段长度(YA系列模型)、耗能梁段腹板高厚比(YB系列模型)、高跨比(YC系列模型)作为参数，并对结构进行非线性动力时程分析。

3.1.1 YA系列模型 YA系列模型除变化耗能梁段长度外，其余参数均保持不变。由于剪切屈服型耗能梁段的受力性能优于弯曲屈服型，因此，YA系列模型的耗能梁段均为剪切屈服型，模型编号及相应耗能梁段长度见表6，其中e、Vp和Mp分别为耗能梁段长度、塑性抗剪承载力和塑性受弯承载力。

表6 YA系列模型

3.1.2 YB系列模型 YB系列模型在保持耗能梁段腹板截面面积不变的前提下，除腹板截面变化外，其余参数保持不变，模型编号及相应耗能梁段腹板高厚比见表7，其中h0和tw分别为耗能梁段腹板高度和厚度。

表7 YB系列模型

3.1.3 YC系列模型 YC系列模型除变化支撑跨(中间跨)的高跨比外，其余参数均保持不变，模型编号及相应高跨比见表8，其中H=3 600 mm，L为支撑跨的跨度。

表8 YC系列模型

3.2 地震波选取

为了研究不同参数对Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性能的影响，对各模型进行8度罕遇和9度罕遇地震水准的非线性动力时程分析。根据中国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[17]对时程分析选取地震波的要求，以及模型地震分组和场地类型条件，选取了10条不同频谱特性的天然地震波，如表9所示。

表9 地震波

4 有限元计算结果与分析

在8度罕遇地震作用下，模型耗能梁段不同程度地进入塑性，而其余构件仍处于弹性。在9度罕遇地震作用下，除耗能梁段进入塑性外，部分模型的个别框架梁端进入塑性，框架柱仍处于弹性，结构无倒塌危险。

4.1 结构周期

表10～12给出了YA、YB、YC系列模型的前3阶自振周期。由表可知：YA系列模型自振周期随耗能梁段长度的增加逐渐变大，说明耗能梁段越长，结构弹性刚度越小；YB系列模型自振周期随耗能梁段腹板高厚比的减小而增大，但相差不大，说明改变耗能梁段腹板高厚比对结构弹性刚度影响较小；YC系列模型自振周期随支撑跨高跨比的增加逐渐变小，说明支撑跨高跨比越大，结构弹性刚度越大。

表10 模型自振周期T

4.2 结构层间位移

图7为各系列模型在8度罕遇地震下最大层间侧移角平均值对比。由图可知：各系列模型层间侧移角均满足抗震规范中弹塑性层间侧移角限值1/50的规定；随着耗能梁段长度的增加，YA系列模型的最大层间侧移角随着耗能梁段长度的增加而逐渐增大，说明耗能梁段长度越长，结构层间变形越大；模型YB-1～YB-6在罕遇作用下的层间侧移角变化曲线大致重合，说明改变耗能梁段腹板高厚比对结构层间变形的影响较小；YC系列各模型下部几层的层间侧移角大致随支撑跨高跨比的增大而变大，上部几层的层间侧移角随支撑跨高跨比的增大而减小，说明支撑跨高跨比过大或过小时，会导致结构在罕遇地震作用下的层间侧移较大，不利于结构抗震。模型在9度罕遇地震作用下的层间侧移角变化规律与8度罕遇地震下的变化规律一致。

4.3 耗能梁段变形及腹板应力

表11为各模型8度罕遇地震下的耗能梁段最大转角平均值，耗能梁段转角由其上下两端的位移差值与其长度的比值得到。由表可知：随着耗能梁段长度的增加，YA系列各模型耗能梁段最大转角逐渐减小，说明耗能梁段的变形随其长度的增加而变小；YB系列各模型耗能梁段最大转角比较接近，说明改变耗能梁段腹板高厚比对耗能梁段的变形无显著影响；随着支撑跨高跨比的增大，YC系列各模型耗能梁段最大转角逐渐增大，说明耗能梁段的变形随支撑跨高跨比的增大而变大。

表11 模型耗能梁段转角

各系列模型耗能梁段的腹板应力均在ChiChi波作用下最大。在ChiChi波作用下：耗能梁段腹板应力高于翼缘应力，说明耗能梁段在地震作用下主要为剪切变形；随着耗能梁段长度的增加，YA系列模型耗能梁段腹板应力大致呈先减小后增大趋势，说明耗能梁段过长或过短时，会使耗能梁段腹板应力过大；YB系列模型耗能梁段腹板应力相差不大，说明改变耗能梁段腹板高厚比对耗能梁段腹板应力影响不大；YC系列模型耗能梁段腹板应力随支撑跨高跨比的增大呈下降趋势，说明支撑跨高跨比越大，耗能梁段腹板应力越小。由于篇幅有限，本文仅给出YA系列模型耗能梁段应力云图，如图8所示。

图8 YA系列模型耗能梁段应力云图

4.4 框架柱轴力

图9为各系列模型8度罕遇地震作用下支撑跨框架柱(中柱)轴力最大值的平均值对比。从图中可以看出，所有模型边柱和中柱轴力变化趋势相同，不同模型的边柱和中柱轴力变化曲线几乎重合，说明改变耗能梁段长度对结构框架柱轴力影响较小。各系列模型在9度罕遇地震作用下框架柱轴力响应与以上规律相同。

图9 8度罕遇地震下模型中柱最大轴力平均值

4.5 框架柱弯矩

图10为各系列模型8度罕遇地震下中柱弯矩最大值的平均值对比。由图可知：YA系列模型底部几层的中柱最大弯相差不大，其余楼层的中柱最大弯矩随耗能梁段长度的增加而增大，说明耗能梁段长度越长，框架柱弯矩越大；YB系列模型的中柱弯矩变化曲线几乎重合，说明变化耗能梁段腹板高厚比对结构框架柱弯矩影响不显著；YC系列各模型底层和顶层中柱弯矩较为接近，其余楼层的中柱弯矩随支撑跨高跨比的增加而减小，说明支撑跨高跨比过小时，会导致结构中柱弯矩较大，对结构抗震不利。另外，各系列模型在9度罕遇地震作用下中柱弯矩的影响与以上规律大致相同。

图10 8度罕遇地震下模型中柱最大弯矩平均值

4.6 基底剪力

表12为各系列模型在8度罕遇和9度罕遇地震作用下基底剪力的对比。由表可知，在罕遇地震作用下，同系列模型的基底剪力虽然出现了不同程度的增大或减小，但总体上波动不大，说明变化耗能梁段长度、耗能梁段腹板高厚比和支撑跨高跨比对结构基底剪力无显著影响。

表12 YA系列模型基底剪力

4.7 地震耗能

通过ABAQUS可以直接得到结构的塑性耗能，由于YA、YB系列模型在8度罕遇地震下结构耗能的变化规律与其在9度罕遇地震下相应的变化规律相同，YC系列模型在8度和9度罕遇地震下结构耗能的变化规律不同，因此，图11仅给出YA、YB系列模型在8度罕遇地震下结构耗能的变化，给出YC系列模型在8度和9度罕遇地震下结构耗能的对比。由图可知：随着耗能梁段长度的增加，YA系列模型耗散的能量呈先增大后减小的趋势，说明结构的耗能能力随耗能梁段长度的增加先增大后减小；随着耗能梁段腹板高厚比的减小，YB系列模型耗散的能量大致呈先增大后减小的趋势，且模型YB-4、YB-5和YB-6的耗能总体上较为接近，说明结构的耗能能力总体上随耗能梁段腹板高厚比的减小先增大后减小，当高厚比减小到一定程度之后，结构耗能能力相差不大；在8度罕遇地震下，YC系列耗散的能量随支撑跨高跨比的增加而变大，在9度罕遇地震下，模型的耗能随支撑跨高跨比的增加先增大后减小，但支撑跨高跨比过小时，结构的耗能相对较差，说明结构的耗能能力随支撑跨高跨比的增大大致呈先变大后变小的趋势，但支撑跨高跨比过小时，结构的耗能能力相对较差。

图11 罕遇地震下各模型耗散能量对比

综上，考虑到不同参数对结构刚度、层间变形、耗能梁段性能、框架柱弯矩和耗能能力的影响，得出如下设计建议：

1)在9层结构的基础上，建议耗能梁段长度取(0.91～1.21)Mp/Vp。

2)在9层结构的基础上，建议耗能梁段腹板高厚比取22.7～38.4。

3)在9层结构的基础上，建议支撑跨高跨比H/L取0.55～0.72。

5 结 论

设计了一个9层Y形偏心支撑高强钢框架结构，以耗能梁段长度、耗能梁段腹板高厚比、高跨比为参数，对结构有限元模型进行了非线性动力时程分析，研究了以上参数对结构抗震性能的影响。通过分析，得出结论如下：

1)改变耗能梁段长度和支撑跨高跨比对结构框架柱轴力和基底剪力无显著影响。

2)改变耗能梁段长度对结构刚度、层间变形、框架柱弯矩、耗能梁段变形及其腹板应力、结构耗能能力影响显著。建议耗能梁段长度取(0.91～1.21)Mp/Vp。

3)改变耗能梁段腹板高厚比对结构刚度、层间变形、耗能梁段变形及腹板应力、框架柱受力、基底剪力无显著影响，对结构耗能能力有影响。建议耗能梁段腹板高厚比取22.7～38.4。

4)改变支撑跨高跨比对结构刚度、层间侧移、耗能梁段变形及其腹板应力、框架柱弯矩影响显著。建议支撑跨高跨比H/L取0.55～0.72。

[1] ROEDER C W,POPOV E P.Eccentrically braced steel frames for earthquake [J].Journal of Structural Division,1978,104(3):391-412.

[2] FOUTCH D A.Seismic behavior of eccentrically braced steel building [J].Journal of the Structural Engineering, 1989,115(8):1857-1876.

[3] LIN K C,LIN C C,CHEN J Y,et al.Seismic reliability of steel framed buildings [J].Structural Safety,2010,32(3):174-182.

[4] 于安林,赵宝成,李仁达,等.K形和Y形偏心支撑钢框架滞回性能试验研究[J].建筑结构,2010,40(4):9-12.

YU A L,ZHAO B C,LI R D,et al.Experimental study on hysteretic behavior of K and Y-eccentrically braced steel frames [J].Building Structure,2010,40(4):9-12. (in Chinese)

[5] 石永久,熊俊,王元清,等.多层钢框架偏心支撑的抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2010,32(2):29-34.

SHI Y J,XIONG J,WANG Y Q,et al.Experimental studies on seismic performance of multi 2 storey steel frame with eccentric brace [J].Journal of Building Structures,2010,32(2):29-34. (in Chinese)

[6] DANESHMAND A,HASHEMI B H.Performance of intermediate and long links in eccentrically braced frames [J].Journal of Constructional Steel Research,2012,70(3):167-176.

[7] MIKI C,HOMMA K,TOMINAGA T.High strength and high performance steels and their use in bridge structures [J].Journal of Constructional Steel Research,2002,58:3-20.

[8] AZIZINAMINI A,BARTH K,DEXTER R,et al.High performance steel: research front—historical account of research activities [J].Journal of Bridge Engineering,2004,9(3):212-217.

[9] 施刚,石永久,王元清.超高强度钢材钢结构的工程应用[J].建筑钢结构进展,2008,10(4):32-38.

SHI G,SHI Y J,WANG Y Q.Engineering application of ultra-high strength steel structures [J].Progress in Steel Building Structures,2008,10(4):32-38. (in Chinese)

[10] 段留省,苏明周,郝麒麟,等.高强钢组合K型偏心支撑钢框架抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2014,35(7):18-25.

DUAN L S,SU M Z,HAO Q L,et al.Experimental study on seismic behavior of high strength steel composite K-type eccentrically braced frames [J].Journal of Building Structures,35(7):18-25. (in Chinese)

[11] 段留省,苏明周,焦培培,等.高强钢组合Y形偏心支撑钢框架抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2014,35(12):89-96.

DUANG L S,SU M Z,JIAO P P,et al.Experimental study on seismic behavior of high strength steel composite Y-type eccentrically braced frames [J].Journal of Building Structures,2014,35(12):89-96. (in Chinese)

[12] 连鸣,苏明周,郭艳.高强钢组合K型偏心支撑框架耗能梁段长度研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2014,46(2):217-223.

LIAN M,SU M Z,GUO Y.Study on the performance of link beam of high strength steel K-type eccentrically braced frame [J].Journal of Xi'an University of Architecture and Technology (Natural Science Edition),2014,46(2):217-223. (in Chinese)

[13] 连鸣,苏明周,郭艳.高强钢组合K型偏心支撑框架抗震性能数值分析[J].建筑结构,2014,44(17):7-14.

LIAN M,SU M Z,GUO Y.Numerical analysis of seismic performance of high strength steel composite K-type eccentrically braced frames [J].Building Structure,2014,44(17):7-14. (in Chinese)

[14] 舒伟伟,苏明周,连鸣.高强钢组合Y型偏心支撑框架滞回性能研究[J].广西大学学报(自然科学版),2014,39(4):716-723.

SHU W W,SU M Z,LIAN M.Analysis on hysteretic behavior of high strength steel Y-type eccentrically braced frame [J].Journal of Guangxi University(Natural Science Edition),2014,39(4):716-723. (in Chinese)

[15] 李慎,苏明周,连鸣,等.多层高强钢组合K形偏心支撑框架抗震性能研究[J].土木工程学报,2015,48(10):38-47.

LI S,SU M Z,LIAN M,et al.Seismic behavior of multi-storey high strength steel composite K-eccentrically braced frame [J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(10): 38-47.(in Chinese)

[16] 连鸣,苏明周,李慎,等.Y形偏心支撑高强钢框架结构抗震性能振动台试验研究[J].建筑结构学报,2015,36(8):16-24.

LIAN M,SU M Z,LI S,et al.Shake table test of seismic performance of high strength steel frame with Y-eccentric braces [J].Journal of Building Structures,2015,36(8):16-24. (in Chinese)

[17] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010 [S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

Code for seismic design of buildings:GB 50011—2010 [S].Beijing:China Architecture & Building Press,2010. (in Chinese)

(编辑 王秀玲)

Finite element analysis on seismic performance of high strength steel frames with Y-type eccentrically braces

Lian Ming,Su Mingzhou

(School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

The finite element models of test specimen were established after the shake table test of high strength steel frames with Y-type eccentrically braces (Y-HSS-EBF). A 9-story Y-HSS-EBF structure was designed and nonlinear time history analysis were conducted to study the influence of link length, link web ratio of height to thickness and ratio of depth to span to seismic performance of 9-story Y-HSS-EBFs. Results indicated that different link length and ratio of depth to span had different influence to the interstory displacement, seismic performance of link, column moment and energy dissipation capacity, but slight influence to column axial force and base shear force. Different link web ratio of height to thickness had different influence to energy dissipation capacity, but slight influence to interstory displacement, seismic performance of link, column force and base shear force. Finally, some recommendations for engineering design were given based on the analysis.

high strength steel; eccentrically braced frame; finite element; time history analysis; seismic performance

2015-12-20

国家自然科学基金(51178382)

连鸣(1987-)，男，博士，主要从事新型钢结构体系抗震性能及设计方法研究，(E-mail)lianming0821@163.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51178382)

TU392.5

A

1674-4764(2016)04-0086-10

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.04.014

Received:2016-12-20

Author brief：Lian Ming(1987-), PhD, main research interests: seismic performance and design methods of steel structures,(E-mail)lianming0821@163.com.