钢框架斜隅支撑体系抗震性能研究现状及展望★

徐广舒 徐 笛

(1.南通职业大学建筑工程学院，江苏 南通 226007； 2.南通建工集团股份有限公司，江苏 南通 226001)



钢框架斜隅支撑体系抗震性能研究现状及展望★

徐广舒1徐 笛2

(1.南通职业大学建筑工程学院，江苏 南通 226007； 2.南通建工集团股份有限公司，江苏 南通 226001)

简述了钢框架斜隅支撑体系的特点，分析了节点连接方式与隅撑布置方式对斜隅支撑钢框架抗震性能的影响，并提出了钢框架斜隅支撑体系抗震性能的研究方向，以供参考。

钢框架，斜隅支撑，抗震性能，节点

对于地震这样的突发其来的自然界的大灾难，从古到今都是消极地对建筑结构采取被动的措施，或者大概估计地震时候的地震作用的大小，赋予建筑物或构筑物一定的抗震能力。近二十多年来，人们研究的新型耐震体系——“工程结构减震控制”体系，包括隔震结构、消能减震结构、被动控制或主动控制结构、混合控制结构等体系，主要是在结构的特定部位装设隔震垫装置，或设置消能剪力墙、消能节点等机构，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，达到隔离地震或消减地震反应的目的。但在这类结构体系中，需要加工、制造和安装特殊的耗能减震装置，增加了施工的难度和工程造价，极大地限制了这类减震耗能装置在实际工程中的运用。钢结构中的“斜隅支撑体系”采用普通的型钢形成耗能隅撑，具有经济适用、制作施工方便等显著优点，所以近年来备受人们的关注。

1 钢框架斜隅支撑体系的特点

钢框架斜隅支撑体系是一种新型支撑结构体系，其特点是隅撑一端与钢框架柱连接，另一端与钢框架梁(或基础)连接，支撑斜杆通过隅撑与框架连接(如图1所示)。支撑体系中的支撑设计为弹性工作构件，为结构提供侧向刚度；支撑体系中的隅撑设计成耗能部件，在罕遇地震荷载作用时，通过塑性变形耗能，先于结构主要构件屈服，结构主要构件在隅撑的保护下不易受到损伤。

带有斜隅支撑的框架由于加入了斜隅和支撑,增加了结构的超静定次数和冗余度,刚度提升十分明显，能更好抵抗破坏引起的动力效应。支撑体系综合了中心支撑钢框架刚度大和钢框架延性好的优点，克服了偏心支撑钢框架牺牲结构主要构件屈服耗能的缺点。而斜隅塑形变形的良好能力,使得钢框架具有良好的抗侧移性能，整体的变形和耗能能力比中心支撑框架更加优越，动力响应更加稳定。研究表明，与钢结构的层间位移与总位移相比,隅撑钢框架结构层间位移与总位移相应减少50%左右，是适用于高烈度地震区的有效抗侧支撑结构形式。

合理地选用隅撑材料、设计截面尺寸和选择连接方式，可以更有效地提高框架的延性和耗能能力，控制隅撑的损伤程度，便于震后修复和加固。图2为耗能隅撑的几种常见类型。

2 钢框架斜隅支撑体系抗震性能研究现状

2.1 节点连接方式对斜隅支撑钢框架抗震性能的影响

1)梁柱节点连接方式对斜隅支撑钢框架抗震性能的影响。梁柱连接方式可以分为刚接、铰接和半刚性连接(如图3所示)。通过对梁柱的刚性连接和铰接(实际工程中不应出现铰接情况)进行分析对比得出：结构的最初弹性刚度基本相同，而且隅撑屈服点的位置也基本相同。在随后的强度增加部分，梁柱铰接的情况大约比梁柱刚接的情况要低30%，这说明它们的差别是出现在隅撑屈服之后。从使用的角度来看，斜隅支撑框架梁柱的刚接程度对于整个框架的承载能力有一定影响，刚性连接的性能要优于铰接，故建议实际工程中尽可能保证节点的刚性连接。

2)隅撑与框架的连接方式对斜隅支撑钢框架抗震性能的影响。隅撑与框架梁柱的连接方式分刚接和铰接(如图4所示)。隅撑与梁柱不同的连接方式，对结构抗震性能也会产生不同的影响。

为了使得所算出来的结果具有可比性，试验中取与研究梁柱节点连接方式对斜隅支撑钢框架抗震性能影响时的相同材料，并将水平荷载施加在框架的梁柱节点处(如图中A点)。试验研究表明：隅撑与框架梁柱节点的连接形式对斜隅支撑框架的抗震性能有着较大的影响，随着水平荷载的增大，框架及其支撑系统的侧向刚度降低。在隅撑屈服之前，铰接形式的结构体系的侧向刚度降低了约40%，较刚接降低更多，隅撑也提前进入屈服点。但隅撑一旦屈服后，两种连接方式的结构体系的侧向刚度比较接近。显然，隅撑与框架梁柱节点刚接时的结构体系的抗震性能优越于隅撑与框架梁柱节点铰接时的结构体系的抗震性能。

另外从延性角度来看，结构的延性系数可以用下面公式来计算：μ=Δy/Δm。 其中，μ为延性系数；Δy为隅撑屈服时候的位移；Δm为结构发生破坏时的极限位移。从图5可以看出，刚性连接时结构的延性要明显大于铰接时结构的延性。因此，斜隅支撑体系当中，隅撑与梁柱刚接时的性能要明显好于铰接的情况。工程实践中，隅撑与梁柱之间应以刚接为宜。

2.2 隅撑的布置方式对钢框架抗震性能的影响

隅撑的布置方式一般分为三种情况：隅撑设在斜撑的上部、隅撑设在斜撑的下部以及上部下部同时设隅撑。根据以上隅撑与框架梁柱的连接方式对斜隅支撑钢框架抗震性能影响的分析结论，在斜隅支撑结构框架体系里面，钢框架中所有梁柱节点均设计成刚性节点，隅撑两端与梁柱的连接也采用刚性连接，则隅撑的三种布置方式如图6所示。

为了便于分析比较三种布置形式的框架工作性能，对三种框架相应部位构件取相同的截面尺寸和材料型号，将水平荷载仍然施加在梁柱的节点处。试验得出：隅撑设置在上端时框架体系的抗震性能最好，其次是设置在下端，上下端同时设置隅撑时相对差些，但三种情况对钢框架受力性能的影响差别不是特别大(如图7所示)。在实际工程应用中，因上下端都设置隅撑会增加施工的难度，一般只考虑在上端或下端设置隅撑。通常按建筑使用功能的要求，更多考虑将隅撑设置在上端。

此外，还有学者通过对隅撑支撑框架结构进行弹塑性分析，得出隅撑的设置位置、隅撑和柱的截面刚度比、框架梁柱刚度的

变化等因素对结构抗侧移性能和抗震性能的影响。

3 钢框架斜隅支撑体系抗震性能研究展望

钢框架斜隅支撑结构体系在研究试验过程中隅撑最先进入屈服耗能，框架主体结构在加载过程中均处于弹性工作状态，隅撑较好地保护了结构的主体构件。钢框架斜隅支撑结构体系具有较大的抗侧移刚度、良好的耗能能力和优越的抗震性能，在常遇、罕遇地震作用下的层间转角均能满足规范要求，可适用于高烈度设防地区的多高层钢结构工程。

作为一种新型的耗能框架支撑体系，斜隅支撑结构体系无论从理论分析上还是从试验研究上已取得了长足的发展，但其研究工作还远没有结束，如：复杂的结构参数对结构抗震性能的影响，如何简化其弹塑性及拟动力受力分析，使其适应国内的建筑结构抗震设计等等，有待进一步研究和讨论。笔者认为，未来研究工作包括：

1)进一步研究隅撑与梁柱连接形式的可靠性及其对结构抗震性能的影响；

2)考虑斜隅支撑可更换的前提下，隅撑与梁柱连接形式及其性能研究；

3)应用有限元程序和计算软件对单层和两层斜隅支撑框架钢结构体系进行结构参数分析，总结归纳出适合工程设计的实用建议；

4)针对多跨多层或高层框架结构的斜隅支撑体系在地震荷载作用下的弹塑性受力性能试验分析尚未出现，结构在水平荷载和竖向重力荷载作用下的二阶荷载效应对抗震性能的影响等有待进行扩展和研究，从而得出该结构体系的抗震设计建议。

[1] 哈敏强.几种钢框架—支撑结构体系的特点和性能[J].住宅科技，2004(3):19-20.

[2] 李庆松.斜隅支撑框架体系的弹塑性受力分析[J].工业建筑，2005(5)：85-87.

[3] 王永华.斜隅支撑框架体系的参数分析[J].重庆科技学院学报(自然科学版)，2007(12)：42-45.

[4] Balendra T,Yu C H,Lee F L.An economical structural system for wind and earthquake loads[J].Engineering Structures,2001(23):491-501.

The research status and prospect of seismic behavior of steel frame knee bracing system★

Xu Guangshu1Xu Di2

(1.CivilEngineeringandArchitectureSchool,NantongVocationalCollege,Nantong226007,China; 2.NantongConstructionEngineeringGroupLimitedCompanybyShare,Nantong226001,China)

This paper introduced the features of steel frame knee bracing system, analyzed the influence of node connection way and knee bracing layout way to knee bracing steel frame seismic behavior, and put forward the research direction of seismic behavior of steel frame knee bracing system, for reference.

steel frame, knee bracing, seismic behavior, node

1009-6825(2017)07-0024-02

2016-12-28 ★：南通职业大学自然科学研究项目(编号：1407113)

徐广舒(1966- )，女，教授，一级注册结构工程师

TU352

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