簡介： 采用ANSYS大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，研究了偏心支撐抗側(cè)力框架在水平荷載作用下的性能，重點放在具有建筑布置優(yōu)勢的大偏心支撐框架。通過有限元理論計算，將理論計算與試驗結(jié)果進行比較, 總結(jié)了耗能梁長度、高跨比對偏心支撐體系強度，剛度，滯回性能的影響。
關(guān)鍵字：偏心支撐抗側(cè)力體系 水平力作用 有限元

1 前言

偏心支撐體系兼顧了純框架結(jié)構(gòu)與框架中心支撐體系的優(yōu)點。在正常使用階段，它具有較大的剛度，結(jié)構(gòu)側(cè)移較��；在大地震作用下，利用耗能梁段的塑性變形吸收能量，具有很好的耗能效果。偏心支撐抗側(cè)力體系適用于抗震設(shè)防烈度為8、9度的，4層～12 層的多層鋼結(jié)構(gòu)住宅。本文采用試驗與有限元分析的方法，研究了偏心支撐抗側(cè)力框架在水平荷載作用下的性能，重點放在具有建筑布置優(yōu)勢的大偏心支撐框架。

2 計算模型

試驗研究了兩榀耗能梁長度e不同的K形偏心支撐框架，在水平循環(huán)往復(fù)荷載作用下的破壞過程。每榀框架具有相同的梁柱截面尺寸、加載位置和約束條件。分析采用目前非線性分析中常用的Von Mises等向強化準(zhǔn)則，材料本構(gòu)關(guān)系取理想彈塑性模型，初始彈性模量取2E5MPa，材料屈服強度為306MPa。

有限元分析以試驗框架為分析原型，采用兩種計算模型：塑性梁單元平面模型，塑性殼單元空間模型。平面模型采用塑性梁單元BEAM23。由于試驗框架柱高度小，必須考慮柱腳加勁肋對框架柱的平面內(nèi)水平方向的約束作用。塑性殼單元空間模型。偏心支撐采用塑性直管單元PIPE20；框架梁柱，地梁采用收斂性較好的塑性殼單元SHELL181�？臻g模型中，用8個加勁肋模擬了地梁對試驗框架的約束作用，同樣考慮了柱腳加勁肋對框架柱平面內(nèi)的約束作用。

3 理論計算與試驗結(jié)果的比較

將其中一榀試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定的試驗框架，彈性階段的試驗結(jié)果與有限元計算進行比較。

3.1 彈性階段荷載－位移曲線的比較

彈性階段試驗框架理論值與試驗值的比較：

(1) 試驗值與理論分析結(jié)果接近。塑性殼單元模型與試驗結(jié)果十分吻合，誤差均在5％以內(nèi)；塑性梁單元模型誤差在10％左右。

(2) 理論值略小于試驗值，這是由于理論分析出于建模方便的考慮忽略了偏心支撐與框架梁節(jié)點板以及部分加勁肋的作用。

彈性階段理論值與試驗值的比較.測點1應(yīng)力比較

3.2 彈性階段的應(yīng)力比較

彈性階段理論值與試驗值的比較：

(1) 由于現(xiàn)場試驗條件、試件加工、試驗手段等外部的原因，試驗記錄的應(yīng)力－位移曲線呈不穩(wěn)定上升狀態(tài)；而理論分析忽略了外部條件的影響，應(yīng)力－位移曲線平滑、穩(wěn)定。

(2) 試驗值與理論值基本吻合。塑性殼單元模型與試驗結(jié)果的誤差在10％以內(nèi)；塑性梁單元模型誤差也在20％以內(nèi)。

4 偏心支撐框架的性能研究

通過試驗與理論的對比可知，理論結(jié)果與試驗值接近。我們可以采用有限元工具，進一步研究耗能梁長度、框架的高跨比等因素對偏心支撐的性能以及滯回耗能的影響。

4.1單向水平荷載作用下的偏心支撐框架的性能

分析采用和試驗框架相同的塑性殼單元模型，主要研究耗能梁長度、高跨比對偏心支撐結(jié)構(gòu)彈性階段以及進入塑性破壞的影響。

為了使結(jié)構(gòu)的非線性分析，得到獲得一個好的解，本文在水平力單向加載過程采用以下措施：(1) 采用自動時間步長控制子步數(shù)：試驗結(jié)構(gòu)是從線性變化到非線性，激活自動時間步長，可以根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)的非線性部分變化時間步長，獲得精度和代價之間的良好平衡；(2) 使用二分法：無論何時打開自動時間步長，二分法都會被自動激活二分法提供了一種對收斂失敗自動矯正的方法。只要平衡迭代收斂失敗，二分法將把時間步長分為兩半，然后從最后收斂的子步自動重啟動。如果已二分的時間步再次收斂失敗，二分法將再次分割時間步長，然后再啟動。持續(xù)這一過程直到獲得收斂或達到指定的最小時間步長;（3）使用小的時間步長；（4）對于材料的非線性分析，用水平位移代替水平力，結(jié)構(gòu)的收斂性較好；（5）增加網(wǎng)格密度。

(1) 偏心支撐彈性階段的剛度：耗能梁的長度決定偏心支撐彈性階段的剛度，高跨比對結(jié)構(gòu)的剛度影響很小。隨著耗能梁長度的增加，彈性階段的剛度基本上呈直線段下降。對于多層鋼結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為，e/L(耗能梁的長度/框架的跨度)每增加0.1，彈性階段的剛度約減少20％。這一結(jié)論對于結(jié)構(gòu)方案選擇的判斷是有用的。

(2) 總體來說，高跨比小、耗能梁短的偏心支撐結(jié)構(gòu)具有更高的水平極限承載能力。對于0.5>e/L>0.3的彎曲型耗能梁－偏心支撐框架, 高跨比對結(jié)構(gòu)的極限水平荷載的影響很小，主要由耗能梁的長度決定；對于民用結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為，e/L每增加0.1，結(jié)構(gòu)破壞時的水平極限承載力減少10％。

4.2循環(huán)水平荷載作用下的偏心支撐框架的性能

本節(jié)分別采用塑性梁單元、塑性殼單元計算分析了試驗框架在循環(huán)水平荷載作用下的塑性滯回性能。施加水平位移為循環(huán)荷載。

由于循環(huán)加載不易收斂，以下措施可以加強塑性梁單元模型的收斂：（1）減少每個荷載步的子步數(shù)；（2）自動劃分步長（Autots，on）；（3）自動劃分單元格（smrt）；（4）由于循環(huán)迭代次數(shù)多，默認(rèn)的輸出文件數(shù)不能夠滿足輸出的要求，利用config命令增加輸出文件總數(shù)。以下措施可以加強塑性殼單元模型收斂：（1）自動劃分單元網(wǎng)格（smrt）；（2）降低收斂準(zhǔn)則；（3）增加荷載步的最大子步數(shù)。

試驗框架的塑性梁單元模型滯回曲線，試驗框架塑性殼單元模型滯回曲線�？芍�：

(1) 兩種模型的滯回耗能計算值十分吻合，相差在5％以內(nèi)；

(2) 相對于塑性殼單元模型，塑性梁單元模型計算速度快、計算結(jié)果與塑性殼單元模型接近。因此，采用塑性梁單元模型研究偏心支撐框架在循環(huán)荷載作用下的塑性滯回耗能性能。

e/L>0.2的偏心支撐框架累積滯回耗能的比較�？芍�：

(1) 偏心支撐框架滯回曲線飽滿，說明這種結(jié)構(gòu)具有很好的滯回性能。

(2) 對于偏心支撐框架，高跨比大、耗能梁長度短的結(jié)構(gòu)具有更好的塑性滯回耗能效果。

5.結(jié)論

5.1 計算與試驗結(jié)果對比表明，計算模型是正確的，計算結(jié)果是可信的。

5.2 對于e/L>0.3的彎曲型耗能梁－偏心支撐框架，耗能梁的長度是決定偏心支撐結(jié)構(gòu)彈性階段剛度、極限水平承載力。

5.3對于偏心支撐框架，高跨比大、耗能梁長度短的結(jié)構(gòu)具有更好的塑性滯回耗能效果。