高层建筑偏心支撑钢框架耗能梁段长度以及支撑形式研究
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摘要
高层建筑偏心支撑钢框架结构是近十几年发展起来的一种新型结构体系，在大震作用下它具有极好的耗能能力。本文着重对这种结构体系的一些抗震性能参数进行了研究。
本文首先论述了偏心支撑钢框架的计算原理，及其国内外发展概况。然后从该结构中的最关键构件---耗能梁段的简化屈服模型入手，研究其在外荷载作用下的变形机制及几何关系式，并由此提出了耗能梁段的较理想的屈服机制。接着在此基础上应用虚功原理，分别研究了耗能梁段长度对D型、K型和V型三种偏心支撑框架的极限承载力、刚度以及延性的影响。此外，总结了多种关于梁段长度取值的规定及公式。
同样，根据偏心支撑框架的几何变形机制，应用虚功原理，重点推导并分析比较了分别采用D型、K型或者V型支撑时对结构的极限承载力、弹性刚度以及延性的不同影响。此外也将它与纯框架和中心支撑框架进行了比较。
最后，针对不同耗能梁段长度以及不同偏心支撑形式这两方面，对理论推导选取了相应的算例，并运用有限元分析软件ANSYS对所选实例进行了计算分析。通过有限元软件的分析结果与理论推导的对照，从而得到了较一致的结论，可供工程设计人员参考。
Eccentrically braced steel frame(EBSF) used in high-rise buildings is a new structural system which has developed in recent years. It performs excellent energy-consuming ability when bearing unwonted earthquake. This paper focuses on the research of anti-seismic parameters of EBSF.
Firstly, this paper presents the theory of EBSF and relevant developing situation inside and outside China. Then, on the basis of the simplified yielding model of active beam link, which is the key component of EBSF, the deformation mechanism and geometry relation equation under different kinds of loads are analyzed, and then the ideal yielding mechanism of EBSF is proposed. According to these , applying the virtual work theory, this paper analyzed the influence of active beam link on the terminal carrying capacity, stiffness and ductibility of three types of EBSF. Several formula about the length of active beam link are also introdued.
Similarly, according to the deformation mechanism of EBSF and the virtual work theory, the influence of three different active beam links on the terminal carrying capacity, stiffness and ductibility of EBSF is deducted. Moreover, the EBSF is compared with none braced frames and centrically braced frames on performance.
Lastly, some relevant examples are presented in accordance with different lengths of active beam link and different types of EBSF. Then those examples are calculated by finite element analytical software and the results are consistent with theoretic conclusion. This paper is applicable to structural designs.
本文首先论述了偏心支撑钢框架的计算原理，及其国内外发展概况。然后从该结构中的最关键构件---耗能梁段的简化屈服模型入手，研究其在外荷载作用下的变形机制及几何关系式，并由此提出了耗能梁段的较理想的屈服机制。接着在此基础上应用虚功原理，分别研究了耗能梁段长度对D型、K型和V型三种偏心支撑框架的极限承载力、刚度以及延性的影响。此外，总结了多种关于梁段长度取值的规定及公式。
同样，根据偏心支撑框架的几何变形机制，应用虚功原理，重点推导并分析比较了分别采用D型、K型或者V型支撑时对结构的极限承载力、弹性刚度以及延性的不同影响。此外也将它与纯框架和中心支撑框架进行了比较。
最后，针对不同耗能梁段长度以及不同偏心支撑形式这两方面，对理论推导选取了相应的算例，并运用有限元分析软件ANSYS对所选实例进行了计算分析。通过有限元软件的分析结果与理论推导的对照，从而得到了较一致的结论，可供工程设计人员参考。
Eccentrically braced steel frame(EBSF) used in high-rise buildings is a new structural system which has developed in recent years. It performs excellent energy-consuming ability when bearing unwonted earthquake. This paper focuses on the research of anti-seismic parameters of EBSF.
Firstly, this paper presents the theory of EBSF and relevant developing situation inside and outside China. Then, on the basis of the simplified yielding model of active beam link, which is the key component of EBSF, the deformation mechanism and geometry relation equation under different kinds of loads are analyzed, and then the ideal yielding mechanism of EBSF is proposed. According to these , applying the virtual work theory, this paper analyzed the influence of active beam link on the terminal carrying capacity, stiffness and ductibility of three types of EBSF. Several formula about the length of active beam link are also introdued.
Similarly, according to the deformation mechanism of EBSF and the virtual work theory, the influence of three different active beam links on the terminal carrying capacity, stiffness and ductibility of EBSF is deducted. Moreover, the EBSF is compared with none braced frames and centrically braced frames on performance.
Lastly, some relevant examples are presented in accordance with different lengths of active beam link and different types of EBSF. Then those examples are calculated by finite element analytical software and the results are consistent with theoretic conclusion. This paper is applicable to structural designs.
引文
[1]陈富生、邱国桦、范重，高层建筑钢结构设计，中国建筑工业出版社，2000。
[2]沈聚敏、周锡元、高小旺、刘晶波，抗震工程学，中国建筑工业出版社，2000。
[3]赵西安，现代高层建筑结构设计，科学出版社，2000。
[4]梁启智，高层建筑结构分析与设计，华南理工大学出版社，1992。
[5](日)渡边邦夫、大泽茂树、内藤龙夫、近角真一，钢结构设计与施工，中国建筑工业出版社，2000。
[6]包头钢铁设计研究院、中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会，钢结构设计与计算，机械工业出版社，2000。
[7]系列教材编委会，高层建筑钢结构，中国建筑工业出版社，2000。
[8]陈绍蕃，钢结构设计原理(第二版)，科学出版社，2001。
[9]王环生等译，高层建筑进展，科学普及出版社广州分社，1987。
[10]沃尔夫岗·舒勒尔，高层房屋结构，上海科学技术出版社，1982。
[11]L.J. Morris, D.R. Plum, Structural Steel Work Design To BS 5950, Longman Scientific & Technical, 1988。
[12]SOL E. cooper, Andrew C. Chen, Designing Steel Structures, 1985。
[13]A.B. Clarke, S.H. Coverman, Structural Steelwork, Chapman and Hall,1987。
[14]中华人民共和国行业标准，高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ99-98)，中国建筑工业出版社，1998。
[15]刘大海、杨翠如，高层建筑结构方案优选，中国建筑工业出版社，1996。
[16]刘大海、杨翠如、钟锡根，高层建筑抗震设计，中国建筑工业出版社，1993。
[17]中华人民共和国国家标准，建筑抗震设计规范(GB50011-2001)，中国建筑工业出版社，2001。
[18]易方民，高层建筑偏心支撑钢框架结构抗震性能和设计参数研究，中国建筑科学研究院博士学位论文，2000。
[19]Charles W. Roeder and Egor P. Popov, Eccentrically Braced Steel Frames for Earthquakes, Journal of the Structural Division, ASCE,
Vol. 105, NO. ST11., NOV. 1979。
[20]钱嫁茹，三层偏心支撑钢框架的静力试验研究，第三届全国地震工程会议论文集。
[21]钱嫁茹、陈茂盛、张天申，偏心支撑钢框架在水平力作用下的试验研究和极限分析，建筑结构，1993，4。
[22]申林、蔡益燕、郁银泉，偏心支撑钢框架设计方法，建筑结构，2002，2。
[23]李国强、沈祖炎，钢结构框架体系弹性及弹塑性分析与计算理论，上海科学技术出版社，1998。
[24]王肇民等，钢结构设计原理，同济大学出版社，1997。
[25]龚思礼，建筑抗震设计手册(第二版)，中国建筑工业出版社，2003。
[26]周锡元、吴育才，工程抗震的新发展，清华大学出版社，暨南大学出版社，2002。
[27]Kasai, K.,and Popov, E.p.,A Study of Seismically Resistant Eccentrically Braced Steel Frame Systems, EERC Report, 86-O1, Univ. of Calif.,Berkeley, Ca.,1986。
[28]龙驭球、包世华，结构力学教程(上、下册)，高等教育出版社，1998。
[29]陈精一、蔡国忠，电脑辅助工程分析ANSYS使用指南，中国铁道出版社，2001。
[30]东南大学、清华大学，建筑结构抗震设计，中国建筑工业出版社，1999。
[31]易方民、高小旺等，高层建筑偏心支撑钢框架构件参数的研究，建筑科学，2000，6。
[32]易方民、高小旺等，高层建筑偏心支撑钢框架减轻地震响应分析，建筑科学，2000，10。
[33]ANSYS入门手册(上、下)，美国ANSYS公司北京办事处。
[34]Helmstad.,K.D.,and Popov, E.D.,Seismic Behavior of Active Beam links in Eccentrically Braced Frames, EERC Report, 83-24, Univ. of Calif.,Berkeley, Ca.,1983.
[35]American Institute of Steel Construction, Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, 1992.
[36]Whittaker, A.,Uang, C.M. and Bertero, V.V.,Earthquake Simulator Tests and Associated Studies of a 0.3-Scale Model of a Six-Story Eccentrically Braced Steel Structure, EERC Report, 87-O2, Univ. of Calif.,Berkeley, Ca.,1987.
[37]吴家龙，弹性力学(第二版)，同济大学出版社，1996。
[38]于建华、谢用九、魏泳涛，高等结构动力学，四川大学出版社，2001。
[39]上海国际钢结构成果展览会暨技术交流会论文集，上海市金属结构协会，2002，6。
[40]罗仁，多高层建筑钢结构抗侧力体系综述，钢结构，2001，3。
[41]李新华、舒赣平，偏心支撑钢框架的设计探讨，工业建筑，2001，8。
[42]Ricles, J. and Popov, E.,Experiments on Eccentrically Braced Frames with Composite Floors, EERC Report, 87-O6, univ.of Calif.,Berkeley, Ca.,1987.
[43]Ricles, J. and Popov, E.,Dynamic Analysis of Seismically Resistant Eccentrically Braced Frames, 87-07, univ. of Calif.,Berkeley, Ca.,1987.
[44]Engelhardt, M.d. and Popov, E.P.,Behavior of Long Links in Eccentrically Braced Frames, EERC Report, 89-01, univ. of Calif.,Berkeley, Ca.,1989.
[45]ANSYS动力学分析指南，美国ANSYS公司北京办事处。
[46]ANSYS基本过程手册，美国ANSYS公司北京办事处。
[47]ANSYS非线性分析指南，美国ANSYS公司北京办事处。
[48]ANSYS高级技术分析指南，美国ANSYS公司北京办事处
[49]Rooder, C.W.,and Popov, E.P.,Inelastic Behavior of Eccentrically Braced Steel Frames under Cyclic Loading, EERC Report, 77-18, univ. of Calif.,Berkeley, Ca.,1977.
[50]Manheim, D.N.,On the Design of Eccentrically Braced Frames, D. Eng. Thesis, Univ. of Calif.,Berkeley.
[51]Chen, S.J.,Yeh, C.H.,and Chu, J.M.,Ductile Steel Beam-to-Column Connections for Seismic Resistance, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 122, No. 11, 1996.
[52]Bertero, V.V.,Anderson, J.C. and Kawinkler, H.,Perform-ance of Steel Building Structures During the Northridge Earthquake, EERCReport, 94-O9, univ. of Calif.,Berkeley, Ca.,1994.
[53]弹性和塑性力学中的有限单元法，西南交通大学出版社。
[2]沈聚敏、周锡元、高小旺、刘晶波，抗震工程学，中国建筑工业出版社，2000。
[3]赵西安，现代高层建筑结构设计，科学出版社，2000。
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[18]易方民，高层建筑偏心支撑钢框架结构抗震性能和设计参数研究，中国建筑科学研究院博士学位论文，2000。
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[42]Ricles, J. and Popov, E.,Experiments on Eccentrically Braced Frames with Composite Floors, EERC Report, 87-O6, univ.of Calif.,Berkeley, Ca.,1987.
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[49]Rooder, C.W.,and Popov, E.P.,Inelastic Behavior of Eccentrically Braced Steel Frames under Cyclic Loading, EERC Report, 77-18, univ. of Calif.,Berkeley, Ca.,1977.
[50]Manheim, D.N.,On the Design of Eccentrically Braced Frames, D. Eng. Thesis, Univ. of Calif.,Berkeley.
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[53]弹性和塑性力学中的有限单元法，西南交通大学出版社。