论文部分内容阅读
摘要：根据青藏高原的地理特征，选择合理的钢结构住宅体系——偏心支撑体系，并对不同耗能梁段长度在偏心支撑体系的抗震性能进行研究，并运用有限元分析软件ETABS对其进行分析，得出的结论可供工程设计人员参考
关键词：青藏高原 偏心支撑体系 钢结构住宅 抗震性能
引言
根据青海地区的特点，气候干燥，这对钢材的“湿腐蚀”具有天然的防腐作用；青海冬季时间长，不利于施工，钢结构施工速度很快，既可保证建筑结构的工期质量，又减少了因冬季施工带来的温度等方面的问题；青海冬季室外气温低，钢结构住宅的墙体一般选用与之配套的板材，与传统的砖墙相比具有较好的保温性能，在建筑节能方面具有良好的优势。依照青海地区的这些特点，应该选用施工速度快，减少湿作业的结构体系；又由于青海地区是地震多发区，这样选用抗侧性能好，同时有较大承载力和较好延性的结构体系。综合考虑多层钢结构住宅结构体系的性能和青海地区的特点，本文采用钢框架支撑结构体系。
1.钢框架支撑体系的主要形式
中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单，能减小结构的水平侧移，改善结构的内力分布。但在水平荷载作用下，中心支撑容易产生侧向屈曲。在往复水平地震作用下，当结构的受力进入弹塑性范围时，层间抗剪能力和结构的抗侧刚度急剧下降，层间侧移过度增大，最终导致结构整体失稳破坏。因此在地震区应用时应慎重。
1.2.偏心支撑钢框架
偏心支撑钢框架的主要特点是每一根支撑斜杆的两端，至少有一端与梁不在柱节点处相连。这样支撑斜杆和柱之间或斜杆和斜杆之间就构成了一个耗能梁段。采用耗能梁段的目的是改变支撑斜杆与梁（耗能梁段）的先后屈服顺序，即在罕遇地震时，一方面通过耗能梁段的非弹性变形进行耗能，另一方面是耗能梁段的剪切屈服在先（同跨的其余梁段未屈服），保护支撑斜杆部屈服或屈服在后，从而相应的延长结构抗震能力的持续时间，并达到节约钢材的目的。因此偏心支撑框架适用于地震区的钢结构建筑。
2 计算方法
在进行结构分析时，可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型。当结构布置规则，质量与高度沿高度分布均匀且无扭转效应时，可采用平面结构计算模型；当结构的平面或立面不规则，体形复杂，无法划分成平面抗侧力单元，或为筒体结构时，应采用三维空间结构计算模型。平面协同矩阵位移法：平面布置规则的框架支撑结构和框架剪力墙结构，在水平荷载作用下可以近似的简化为平面抗侧力体系，将沿主轴方向或斜交方向的所有框架合并为总框架，并将所有竖向支撑合并为总支撑，然后进行协同工作分析。
因为对框架支撑体系的房屋来说，沿房屋的横向或纵向，各榀框架和各片竖向支撑楼板相连，形成以空间结构，在风或地震等水平荷载作用下，当楼板可视为刚性横隔板时，在结构部发生扭转的情况下，沿房屋横向和纵向各榀框架和各片竖向支撑侧移值相同，所以可以刚性连杆将框架和支撑连为图 2.4a 所示的并联体，其侧移曲线为弯剪型
3 偏心支撑钢框架的设计计算
3.1 偏心支撑钢框架的工作原理
在中小地震作用下，所有构件处于弹性阶段，此时支撑提供主要的抗侧力刚度，其工作性能与中心支撑框架相似；在强烈地震下保证支撑不先发生受压屈曲，而让耗能梁段屈服来耗散地震能量，这时偏心支撑框架的工作性能与抗弯框架相似。
3.2与中心支撑钢框架相比，偏心支撑钢框架具有以下明显优势：（1）能够准确有效地控制结构在水平地震下的变位，减小层间及整体结构的侧移；（2）具有较大的结构延性；（3）耗能梁段的剪切屈服起到了类似“保险丝”的作用，耗散强烈地震时过多的能量；（4）耗钢量小，可节省 20﹪---30﹪的钢材；（5）适用范围小，不仅适用于高层建筑
结构，而且也用到多层建筑；（6）提供一种刚性的结构体系而不过多地耗费钢材，具有较好的经济性。
4.偏心支撑钢结构住宅体系抗震性能分析
本工程是九层钢框架偏心支撑体系住宅楼（D 型支撑，支撑一端与框架柱直接相连，另一端通过耗能梁段与框架柱相连的形式），长 39.0m，宽 21.6m，层高 3m；采用 100mm压型钢板组合楼盖，钢柱采用 Q345B 级箱型柱，钢梁﹑支撑均采用 Q345B 级 H 型钢，墙体材料为 ALC 板。耗能梁段长度分别为：1.25m 1m 0.75m 0.5m0.375m 及 0m（中心支撑）本工程是九层钢框架偏心支撑体系住宅楼（D 型支撑，支撑一端与框架柱直接相连，
本算例采用静力线性时程分析法，地震波选用埃而森特罗南北波（EICENTRO，1940），其记录峰值加速度为 341.7Gal，时间子步 0.02s，地震持续时间 30s，结构阻尼比采用0.035，适用于Ⅱ类场地。
从 Pushover 得出的塑性铰出现的位置及顺序来看：塑性铰首先出现在三层的支撑上，而后在支撑上和耗能梁段上逐渐出现塑性铰，接着在三层梁上开始出现塑性铰，逐渐向上发展，直到各层梁都出现塑性铰，同时发生了明显的变形。从整体结构塑性铰的出现和数量上观察，支撑和耗能梁段除顶层外完全出现塑性铰，其中支撑塑性铰首先出现并且呈粉色状态；耗能梁段塑性铰其次出现，并且随着塑性铰的出现颜色有粉色变为蓝色状态，说明支撑延迟了耗能梁段发生非线性变形的时间并且消散了更多的地震能量，减少了梁柱的非线性需求，提高了结构体系的整体抗震性能，将震害的损失减少至最低。
参考文献：
【1】李军 、李燕燕 、李明涛 ：住宅产业化发展现状及对策的研究[J].中国新技术新产品，2012（1）.
【2】李国强，陆烨，何天森.钢结构在现代住宅中的应用.工程建设与设计， 2010（2）：1-5
【3】孟胜国.我国钢结构住宅产业化发展展望[J].中国住宅设施，2009（12）.
【4】苗二萍.21世纪轻型钢结构住宅在国内的发展趋势[J].黑龙江科技信息，2012（5）.
【5】赵赤云，钢结构住宅的现状及综合经济效益分析[J].北京建筑工程学院报，2011.
【6】曹杰，郭秉山，穆丹丹 . 轻钢结构住宅价值分析[J]. 建筑科学，2013，（ 10） ： 19 -22.
【7】INGASON H. Investigation of thermal response of glass bulbsprinklers using plunge and ramp tests [J]. Fire Safety Journal，2008，24（ 30） ： P71 -93.
青海民族大學2014年度校级理工自然科学项目
项目编号：2014XJZ25
项目类别：青年项目
关键词：青藏高原 偏心支撑体系 钢结构住宅 抗震性能
引言
根据青海地区的特点，气候干燥，这对钢材的“湿腐蚀”具有天然的防腐作用；青海冬季时间长，不利于施工，钢结构施工速度很快，既可保证建筑结构的工期质量，又减少了因冬季施工带来的温度等方面的问题；青海冬季室外气温低，钢结构住宅的墙体一般选用与之配套的板材，与传统的砖墙相比具有较好的保温性能，在建筑节能方面具有良好的优势。依照青海地区的这些特点，应该选用施工速度快，减少湿作业的结构体系；又由于青海地区是地震多发区，这样选用抗侧性能好，同时有较大承载力和较好延性的结构体系。综合考虑多层钢结构住宅结构体系的性能和青海地区的特点，本文采用钢框架支撑结构体系。
1.钢框架支撑体系的主要形式
中心支撑具有较大的侧向刚度，构造相对简单，能减小结构的水平侧移，改善结构的内力分布。但在水平荷载作用下，中心支撑容易产生侧向屈曲。在往复水平地震作用下，当结构的受力进入弹塑性范围时，层间抗剪能力和结构的抗侧刚度急剧下降，层间侧移过度增大，最终导致结构整体失稳破坏。因此在地震区应用时应慎重。
1.2.偏心支撑钢框架
偏心支撑钢框架的主要特点是每一根支撑斜杆的两端，至少有一端与梁不在柱节点处相连。这样支撑斜杆和柱之间或斜杆和斜杆之间就构成了一个耗能梁段。采用耗能梁段的目的是改变支撑斜杆与梁（耗能梁段）的先后屈服顺序，即在罕遇地震时，一方面通过耗能梁段的非弹性变形进行耗能，另一方面是耗能梁段的剪切屈服在先（同跨的其余梁段未屈服），保护支撑斜杆部屈服或屈服在后，从而相应的延长结构抗震能力的持续时间，并达到节约钢材的目的。因此偏心支撑框架适用于地震区的钢结构建筑。
2 计算方法
在进行结构分析时，可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型。当结构布置规则，质量与高度沿高度分布均匀且无扭转效应时，可采用平面结构计算模型；当结构的平面或立面不规则，体形复杂，无法划分成平面抗侧力单元，或为筒体结构时，应采用三维空间结构计算模型。平面协同矩阵位移法：平面布置规则的框架支撑结构和框架剪力墙结构，在水平荷载作用下可以近似的简化为平面抗侧力体系，将沿主轴方向或斜交方向的所有框架合并为总框架，并将所有竖向支撑合并为总支撑，然后进行协同工作分析。
因为对框架支撑体系的房屋来说，沿房屋的横向或纵向，各榀框架和各片竖向支撑楼板相连，形成以空间结构，在风或地震等水平荷载作用下，当楼板可视为刚性横隔板时，在结构部发生扭转的情况下，沿房屋横向和纵向各榀框架和各片竖向支撑侧移值相同，所以可以刚性连杆将框架和支撑连为图 2.4a 所示的并联体，其侧移曲线为弯剪型
3 偏心支撑钢框架的设计计算
3.1 偏心支撑钢框架的工作原理
在中小地震作用下，所有构件处于弹性阶段，此时支撑提供主要的抗侧力刚度，其工作性能与中心支撑框架相似；在强烈地震下保证支撑不先发生受压屈曲，而让耗能梁段屈服来耗散地震能量，这时偏心支撑框架的工作性能与抗弯框架相似。
3.2与中心支撑钢框架相比，偏心支撑钢框架具有以下明显优势：（1）能够准确有效地控制结构在水平地震下的变位，减小层间及整体结构的侧移；（2）具有较大的结构延性；（3）耗能梁段的剪切屈服起到了类似“保险丝”的作用，耗散强烈地震时过多的能量；（4）耗钢量小，可节省 20﹪---30﹪的钢材；（5）适用范围小，不仅适用于高层建筑
结构，而且也用到多层建筑；（6）提供一种刚性的结构体系而不过多地耗费钢材，具有较好的经济性。
4.偏心支撑钢结构住宅体系抗震性能分析
本工程是九层钢框架偏心支撑体系住宅楼（D 型支撑，支撑一端与框架柱直接相连，另一端通过耗能梁段与框架柱相连的形式），长 39.0m，宽 21.6m，层高 3m；采用 100mm压型钢板组合楼盖，钢柱采用 Q345B 级箱型柱，钢梁﹑支撑均采用 Q345B 级 H 型钢，墙体材料为 ALC 板。耗能梁段长度分别为：1.25m 1m 0.75m 0.5m0.375m 及 0m（中心支撑）本工程是九层钢框架偏心支撑体系住宅楼（D 型支撑，支撑一端与框架柱直接相连，
本算例采用静力线性时程分析法，地震波选用埃而森特罗南北波（EICENTRO，1940），其记录峰值加速度为 341.7Gal，时间子步 0.02s，地震持续时间 30s，结构阻尼比采用0.035，适用于Ⅱ类场地。
从 Pushover 得出的塑性铰出现的位置及顺序来看：塑性铰首先出现在三层的支撑上，而后在支撑上和耗能梁段上逐渐出现塑性铰，接着在三层梁上开始出现塑性铰，逐渐向上发展，直到各层梁都出现塑性铰，同时发生了明显的变形。从整体结构塑性铰的出现和数量上观察，支撑和耗能梁段除顶层外完全出现塑性铰，其中支撑塑性铰首先出现并且呈粉色状态；耗能梁段塑性铰其次出现，并且随着塑性铰的出现颜色有粉色变为蓝色状态，说明支撑延迟了耗能梁段发生非线性变形的时间并且消散了更多的地震能量，减少了梁柱的非线性需求，提高了结构体系的整体抗震性能，将震害的损失减少至最低。
参考文献：
【1】李军 、李燕燕 、李明涛 ：住宅产业化发展现状及对策的研究[J].中国新技术新产品，2012（1）.
【2】李国强，陆烨，何天森.钢结构在现代住宅中的应用.工程建设与设计， 2010（2）：1-5
【3】孟胜国.我国钢结构住宅产业化发展展望[J].中国住宅设施，2009（12）.
【4】苗二萍.21世纪轻型钢结构住宅在国内的发展趋势[J].黑龙江科技信息，2012（5）.
【5】赵赤云，钢结构住宅的现状及综合经济效益分析[J].北京建筑工程学院报，2011.
【6】曹杰，郭秉山，穆丹丹 . 轻钢结构住宅价值分析[J]. 建筑科学，2013，（ 10） ： 19 -22.
【7】INGASON H. Investigation of thermal response of glass bulbsprinklers using plunge and ramp tests [J]. Fire Safety Journal，2008，24（ 30） ： P71 -93.
青海民族大學2014年度校级理工自然科学项目
项目编号：2014XJZ25
项目类别：青年项目