框架-支撑体系钢结构抗震耗能分布研究

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随着我国经济高速发展和资源的紧张,钢材的强度高、延性好、质量轻、绿色环保、可回收利用等优点使得钢框架结构成为新建高层建筑结构中广泛利用的结构形式之一。纯钢框架结构构造简单、受力明确,但在地震作用下存在自身水平抗侧力不足的缺点。在钢框架中添加支撑可以明显提高结构的抗侧刚度,更易抵抗地震作用、风荷载等的作用。根据支撑布置的不同,钢框架支撑结构主要分为中心支撑钢框架结构、偏心支撑钢框架结构和隅撑支撑钢框架结构。关于钢框架支撑体系,各国研究人员往往通过基于位移和承载力的抗震设计理论,根据其内力和位移等常见指标来研究。然而,地震作为常见的自然灾害之一,结构在地震作用下的实际反应过程是能量消耗的过程,基于能量的抗震设计理论主要是从能量平衡的角度出发,基于能量守恒定律,通过结构的能量方程分析地震能量的输入、转化和耗散,从而控制能量转化途径。研究钢框架支撑体系在地震作用下基于能量指标的累计耗能分布是具有十分重要的理论和现实意义。本文在能量法抗震设计理论基础上,通过ABAQUS有限元软件针对普通钢框架结构、偏心支撑钢框架结构和中心支撑钢框架结构建立了52个不同高度、不同几何形式支撑的结构模型,分别选用4条地震波对其进行非线性时程分析,统计了91个工况的结构滞回耗能分布情况。通过研究得出以下结论:(1)通过对偏心支撑和中心支撑钢框架结构在地震下的滞回耗能统计,总结了各构件沿楼层和同一楼层的滞回耗能分布规律。(2)偏心支撑和耗能梁段的合理设置是能够较大程度降低梁的耗能占比和较小程度降低柱的耗能占比,中心支撑亦是如此。(3)偏心支撑和中心支撑钢框架结构在地震下的结构总滞回耗能通常比普通钢框架结构的总滞回耗能大,其增大幅度分别为4.14%和7.03%。(4)对偏心支撑钢框架结构与中心支撑钢框架结构基于能量指标进行抗震性能比较:从结构总滞回耗能角度来对比,偏心支撑体系通常优于中心支撑体系;从支撑耗能占比角度对比,相比于偏心支撑,中心支撑更能够发挥较好且稳定的支撑耗能效果,支撑耗能占比可以达到10%左右,而偏心支撑体系的支撑耗能占比波动性太大,但不可否认,合理设置耗能段的偏心Y形和偏心V形是能够像中心支撑一样发挥良好的支撑耗能效果。(5)在地震作用下,对于对称结构,其耗能分布也是对称的,关于中间轴对称。(6)结构中间榀是结构中各榀结构总滞回耗能最大的榀,其附近榀也具有较大的耗能,并且各榀结构总滞回耗能从结构两端至中间榀逐渐增大。在设计时应加强其中间部位的抗震能力,降低地震作用下其损伤破坏程度。(7)总结并提出了结构基于能量指标的耗能分布计算和评估流程。
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