Y形高强钢组合偏心支撑框架结构抗震性能及设计方法研究

摘要

高强钢组合偏心支撑框架结构是指耗能梁段采用屈服点较低且延性较好的钢材（如Q235钢、Q345钢），而框架梁、柱采用高强度钢材的结构体系。大震作用下，高强钢组合偏心支撑框架结构的耗能梁段充分发展塑性耗散地震能量，框架梁、柱由于采用高强钢仍保持弹性或部分发展塑性。同时，采用高强钢可有效减小构件截面尺寸、节约钢材、降低造价，具有较高的经济效益。高强钢组合偏心支撑框架结构体系的提出有助于高强钢在抗震设防地区的应用和推广。为了研究高强钢组合偏心支撑框架结构的抗震性能，本文进行了以下研究工作： （1）对耗能梁段为剪切屈服型的1:2缩尺三层Y形高强钢组合偏心支撑框架结构进行了振动台试验研究。试验研究表明：在罕遇地震作用下，结构刚度出现一定程度的退化，但无倒塌危险；结构在多遇地震和罕遇地震作用下的最大层间侧移的角符合抗震规范的规定；大震作用下，耗能梁段进入塑性，其余构件保持弹性。 （2）在振动台试验的基础上，以耗能梁段长度、耗能梁段腹板高厚比和高跨比为参数，对 Y形高强钢组合偏心支撑框架结构进行了非线性分析，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、耗能梁段腹板高厚比、高跨比对结构层间侧移、框架柱受力、基底剪力以及耗能能力均有不同程度的影响，并根据分析结果给出了相关设计建议。 （3）推导了Y形高强钢组合偏心支撑框架结构的恢复力模型，建立了适于剪切屈服型耗能梁段 Y形高强钢组合偏心支撑框架结构并且考虑刚度退化的双折线恢复力模型。在此基础上借鉴等代拉杆简化模型的研究思想，采用SAP2000程序中的多线段塑性Kinematic连接单元代替拉杆，提出了Y形高强钢组合偏心支撑框架结构地震反应的简化分析方法。 （4）细致设计多个不同层数的Y形高强钢组合偏心支撑框架结构算例，采用弹塑性时程分析方法得到了结构在罕遇地震作用下的层剪力分布，提出了该结构弹塑性层剪力分布模式，通过非线性时程分析方法且考虑近场地震的速度脉冲效应以及远场地震的加速度循环效应，获得了该结构在多条地震波作用下的层剪力分布，并在我国抗震规范底部剪力法弹性侧向分布力模式的基础上给出了 Y形高强钢组合偏心支撑框架结构考虑近场、远场地震影响的层剪力分布计算公式，为该结构基于性能的塑性设计方法提供参考。 （5）探讨了Y形高强钢组合偏心支撑框架结构基于性能的塑性设计方法（PBPD方法）。结果表明：估算Y形高强钢组合偏心支撑框架的屈服位移角和极限位移角，能够预测结构的目标位移和延性；PBPD方法以目标位移和理想的整体破坏模式为性能目标，采用能够反映结构弹塑性受力状态的侧向力分布模式，可以较为精确的控制结构的塑性发展和破坏形态；采用PBPD方法设计的10层Y形高强钢组合偏心支撑框架结构具有良好的抗震性能，各层耗能梁段均能参与耗能，且层间位移角沿结构高度方向分布趋于均匀，塑性铰发展过程符合预期。

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