1、Classified Index：TU973.15U.D.C.: 693.79Dissertation for the Master Degree in Engineering.RESPONSE ANALYSE OFECCENTRICALLY BRACED STEELFRAMES UNDER SEISMIC LOADCandidate：Supervisor：Academic Degree Applied for：Specialty：Affiliation：Date of Oral Examination：University：Yin HaipengAssociate Prof . Tang A
2、ipingMaster of EngineeringStructure EngineeringSchool of Civil EngineeringJune,2006Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘 要偏心支撑钢框架体系在弹性阶段刚度很大，能够满足高层钢结构侧移要求。在罕遇地震时，由于消能梁段屈服进入塑性，结构有很强的耗能能力和延性，是适用于高烈度震区的一种有效的抗侧力结构体系。尽管该结构体系在实践中得到了应用，但其地震反应规律和抗震设计水平仍然存在一些不足，为系统揭示该结构体系的地震反应规律和为抗震设计提供良好的指导，本文研究了水平
3、极限荷载下设计参数对这种结构体系地震反应的影响规律及其在地震作用下的受力性能，为该类体系的抗震设计提供参考。首先，本文论述了偏心支撑钢框架在国内外发展的状况和这种结构的抗震设计原理，以及这种结构在实际的设计和应用中有关的规范规定和经验。然 后 ， 仿 照 试 验 建 模 ， 在 有 限 元 软 件 ANSYS 平 台 上 , 选 择 壳 体 单 元SHELL181 模拟组件对偏心支撑钢框架体系进行了试验建模，并将模拟结果与试验结果相比较以证明选用单元的合理性，最后对偏心支撑钢框架进行了水平荷载作用下的静力分析，研究不同消能梁段的长度、层高和跨度的比值、楼层数以及竖向荷载大小对结构的屈服荷载、极
4、限荷载的影响，并且得到了相应的变化规律。在对偏心支撑钢框架体系进行极限承载力的分析中，选用了与规范更贴近的破坏准则，经过对计算结果的总结和分析，得到了在实际的工程中控制梁段长度和结构高跨比等方面的建议。在上面工作的基础上，为了加快计算速度，利用梁单元 BEAM188 和杆单元 LINK8 建立了一个七层的偏心支撑钢框架结构的模型，考虑支撑与框架梁铰接和支撑与框架梁刚接两种不同的连接方式，并且根据偏心支撑框架的抗侧刚度远远大于纯框架的原理，对结构的计算进行相应的简化，选取二类场地上的三条不同地震波作为输入，对结构进行多遇地震和罕遇地震作用下的时程分析。计算结果表明，偏心支撑钢框架在多遇和罕遇地震
5、波作用下，消能梁段同时承受较大的弯矩和剪力，随着楼层的增高消能梁段的受力减小，只有中下层的梁段能够达到屈服和破坏。并且讨论了两种不同支撑和框架梁连接形式的优缺点，提出了合理的工程抗震设计对策和建议。本文的研究很好的揭示了偏心支撑钢框架在地震荷载的作用下结构的极-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文限荷载随设计参数的变化规律，以及两种不同支撑与框架梁连接形式对结构抗震性能的影响。研究结果有助于提高该类结构体系抗震设计的水平。关键词 钢框架结构；偏心支撑；抗震设计；消能梁段- II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractEccentrically braced steel frame is
6、 a lateral load-resisting system which ispopularly applied in high earthquake hazard area, because of its high elasticstiffness to meet high-rise steel structure needs of drift requirement . Withexcellent energy-dissipation capacity and ductility, the links of eccentricallybraced steel frames can en
7、dure large inelastic deformation without loss of itsstrength even under great earthquake load. This paper focuses on studying howthe ultimate load changes with parameters of design and the performance underseismic load .Firstly, the principle and development of aseismic design of eccentrically brace
8、dsteel frame structure system are commented, some rules of aseismic design andpractical experiences for this kind of structural system are discussed.Secondly, by using of finite element analysis in the platform of ANSYS, a modelof eccentrically braced steel frame is set up to simulate its response u
9、nderearthquake load, the results are compared with that of test, and had proved thatthis model is reliable to simulate its response under earthquake load. Then, basedon this model, several parameters of eccentrically braced steel frames underhorizontal load are analyzed; these parameters include var
10、ied length of energy-dissipation beams segment, ratio of floor height to span length, number of floorsand vertical load. The yield load and the ultimate load are sharply changed whenlength of energy-dissipation beams segment (0.1-0.16L,Lis the length of theframes beam) and ratio of floor height to s
11、pan length(0.5-0.65) are modified incertain range, a more rational damage criterion than Code is adopted incomputing the ultimate bearing capacity of eccentrically braced steel frame,some useful conclusions are generalized.Thirdly, on the base of the above works, a 7-floors eccentrically braced stee
12、lframe structure is modeled with the elements BEAM188 and LINK8 in ANSYS.Two types of joints between braces and frame beams are considered: one is the- III -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文hinge joint; the other is the rigid joint. Three earthquake records in siteareselected as the earthquake input, the structure ea
13、rthquake response under frequentearthquakes and rare earthquakes are respectively studied, the laws of inner forceof constructional elements changing with time and design parameters are got.The following conclusions are got: energy-dissipation beams segment bears greatmoment and shear force; on lowe
14、r floors, they will be yielded and damaged, butthe others will not.Lastly, some conclusions are got. The result of finite element analysis in thisdissertation is proved to have a good agreement with these results from thetheoretical and experiment analysis, some proposals of aseismic design foreccen
15、trically braced steel frame structure was presented, which the designers willbenefit from them.Keywords Eccentrically Braced steel Frame Structure; Aseismic Design;beams segment with energy-dissipation- IV -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目 录摘 要 .IAbstract . III第 1 章 绪论 . 11.1 课题背景 . 11.2 偏心支撑钢框架体系研究进展 . 51.2.1 国外研究
16、状况 . 51.2.2 国内研究状况 . 71.3 本文研究的内容和研究方法 . 91.3.1 偏心支撑钢框架的设计参数的研究 . 91.3.2 偏心支撑钢框架在地震作用下的时程分析 . 9第 2 章 偏心支撑框架的设计要点 . 102.1 支撑性能 . 102.2 消能梁段 . 102.2.1 消能梁段的计算模型 . 112.2.2 消能梁段的变形 . 132.2.3 消能梁段的长度和截面 . 132.2.4 消能梁段的承载力 . 162.2.5 消能梁段的构造要求 . 172.3 其它构件 . 182.4 本章小结 . 18第 3 章 偏心支撑框架在水平荷载下的静力分析 . 203.1 S
17、HELL181 单元介绍 . 203.2 单斜杆偏心支撑框架 . 203.2.1 模型的建立 . 203.2.2 分析参数的设定 . 213.2.3 边界条件的设置 . 233.2.4 破坏准则 . 233.2.5 有限元分析 . 233.3 八字形偏心支撑框架 . 24-V-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.4 偏心支撑钢框架的设计参数分析 . 263.4.1 消能梁段的长度对框架承载力的影响 . 263.4.2 高跨比对框架承载力的影响 . 273.4.3 结构高度对框架承载力的影响 . 283.4.4 竖向荷载对单斜杆偏心支撑框架性能的影响 . 293.5 本章小结 . 31第 4 章
18、偏心支撑框架在地震作用下的时程分析 . 324.1 BEAM188 单元介绍 . 324.2 LINK8 单元介绍 . 334.3 抗震设计的设防要求 . 334.3.1 三水准的设防目标 . 334.3.2 两阶段的设计方法 . 344.4 Newmark 方法 . 344.5 模型的动力分析 . 364.5.1 模型的建立 . 364.5.2 多遇地震下的计算结果及分析 . 404.5.3 罕遇地震下的计算结果及分析 . 534.6 本章小结 . 56结 论 . 58参考文献 . 60哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 63哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . 63哈尔滨工业大学
19、硕士学位涉密论文管理 . 63致 谢 . 64- VI -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章 绪论1.1 课题背景地震，作为一种破坏力巨大的自然灾害，对人类社会的可持续健康发展构成了严重威胁。历史震害资料表明，地震带来的生命、财产、经济损失往往非常巨大，尤其是城市地震灾害。地震造成如此巨大的损失虽然是多方面因素共同作用的结果，但不容否认的是结构在地震荷载的作用下产生了较严重的破坏是重要原因之一。因此，工程结构的抗震问题越来越为科技界和工程界所重视，各种建、构筑物或结构体系的抗震理论、试验研究已成为土木工程科学领域的永恒主题。结构体系的抗震设计应满足三个水准的基本要求，主要是：在“小震” 作用
20、下结构处于弹性状态，并且没有非结构构件破坏，结构应具有足够的承载能力和弹性刚度，弹性变形不超过规定的弹性变形限值；在“中震” 作用下，结构具有一定的延性，并且不发生不可修复的脆性破坏；而在“大震” 作用下结构不至发生倒塌，这就要求结构在较大的循环荷载作用下具有很强的耗能能力。随着经济的快速增长、科技水平的进步和城市化进程的加快，城市人口日益膨胀，用地紧张及日益激烈化的商业竞争促使近代高层建筑结构的飞速发展，建筑高度和层数都有大幅度的突破。高层建筑已成为现代化城市的一个重要标志。目前发达国家 (如美国、日本、西欧各国等)在多高层建筑中采用钢结构框架体系非常普遍。当今世界上最高的 50 幢建筑中，
21、钢结构和钢混凝土结构占 80%以上。1974 年建成的纽约西尔斯大厦，共 110 层，总高度达 443m，为全钢建筑。1996 年建成的吉隆坡石油大厦有 88 层，总高度达 450m，采用的是钢混凝土混合结构。与混凝土结构相比，钢结构体系自重轻，相应的地震作用数值就小；钢材具有很好的韧性和延性，能够减轻结构的地震反应，使结构具有良好的变形能力；加上完善的计算方法，从而保证了结构的可靠性和抗震安全性，使它在抵-1-； 3）中心支撑框架中的支撑轴力明显大于偏心支撑框架中的支撑轴力，并哈尔滨工业大学工学硕士学位论文御地震方面处于其它材料无法与之相比的优势地位，所以钢结构的应用越来越广泛。在工程的经济
22、性方面，高层钢结构建筑，安装方便迅速、工期短，并且由于钢材的强度高，在相同的条件下，比起混凝土要大大的节省材料，有效的降低构件的截面尺寸，增加了建筑物的使用空间。另外由于上部结构的重量轻，可大大减轻构件、基础和地基所承受的荷载，降低基础处理的难度，使基础工程的造价大大下降。所以钢结构体系具有延性大，抗震性能好，综合经济指标高的优点。钢框架结构体系由梁和柱通过刚性或半刚性节点连接而成，具有结构构造简单、平面布置灵活、刚度均匀以及良好的延性和较强的耗能能力等优点。但是钢框架结构是比较柔性的结构体系，弹性刚度较差，很多时候为了控制结构的变形，必须采用超过承载力要求的梁、柱截面，这样在经济上造成了一定
23、的浪费。另外，框架结构体系是单一的抗侧力体系，在罕遇地震作用下其破坏情况往往比较严重。以上两点限制了钢框架体系在高层建筑钢结构中的应用。文献1 6表明在国内外的多次震害中，纯框架节点的破坏导致了一定数量的整体结构的破坏，因而多重抗侧力体系即框架支撑体系得到了发展。偏心支撑钢框架是近二十年发展起来的、并在抗震设防八度及以上的地震区的钢结构建筑中得到较多的应用。它是在构造上使支撑至少有一端偏离梁和柱的轴线交点而与梁相交，另一端可在梁柱交点处进行连接，或偏离另一根支撑斜杆一端长度与梁相连，这样就在支撑斜杆杆端与柱子之间或者两根支撑斜杆的杆端之间构成了消能梁段7。如图 1-1 所示，为常见的几种偏心支
24、撑的类型和消能梁段的构成。与纯框架和中心支撑框架相比，偏心支撑框架的优点特别明显：1）与纯框架相比，偏心支撑框架每层的支撑增大了抗侧刚度和极限承载力，并具有与纯框架相近的良好延性，但是梁截面却比纯框架中的梁截面小，这样就有效的降低了结构的造价；2）与中心支撑框架相比，偏心支撑框架可有效的降低体系在罕遇地震下反应，有效的避免了钢支撑失稳所带来的结构承载力的迅速下降和位移的急剧增大；并可缩小各楼层层间侧移值的剧烈变化，使其趋于平稳，而中心支撑框架各层间侧移值大小相差悬殊，顶层与底层有时相差三倍8-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1-框架柱 2-支撑 3-消能梁段 4-框架梁图 1-1 偏心支撑常
25、见的类型且中心支撑框架中底部几层支撑在较大的压力作用下非常容易发生失稳并退出工作，而在偏心支撑框架中，由于消能梁段的非线性大变形保护了支撑不发生失稳，保证了所用的支撑都在弹性范围内工作9；4）偏心支撑框架中的支撑斜杆的轴线偏离梁、柱轴线交点，这样使梁柱节点的构造得以简化，并增加了布置门窗洞口的灵活性。5）不管是在多遇地震还是在罕遇地震作用下，偏心支撑框架都具有良好的控制变形的能力，可以用较少的材料来控制侧移，从而取得良好的经济效益。单在节省钢材一方面，偏心支撑框架就比纯框架节省约20%，比中心支撑框架节省约 30%。偏心支撑钢框架的滞回曲线10呈丰满的纺锤形,几乎没有“ 捏拢”现象和刚度退化,保证了偏心支撑钢框架具有较大的耗能能力。由文献11 14可知在多遇震作用下，偏心支撑框架结构可以保持弹性；而在罕遇震作用下，在消能梁段发生剪切屈服之后，它通过剪切变形来耗散地震输入的能量。消能梁段以外的框架各个构件（柱，支撑等）在相应消能梁段1.6 倍设计抗剪承载力的荷载作用下，直到结构破坏仍然保持弹性工作状态。这就说明消能梁段是结构体系中最薄弱的构件，它通过塑性变形有效地减小了支撑中的轴力，支撑受压失稳之类的非延性破坏就被杜绝了。单就变形状态而-3-
