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偏心支撑抗侧力体系在水平力作用下性能的有限元研究
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内容提示：采用ANSYS大型有限元结构分析软件，研究了偏心支撑抗侧力框架在水平荷载作用下的性能，重点放在具有建筑布置优势的大偏心支撑框架。通过有限元理论计算，将理论计算与试验结果进行比较, 总结了耗能梁长度、高跨比对偏心支撑体系强度，刚度，滞回性能的影响。
摘要：采用ANSYS大型有限元结构分析软件，研究了偏心支撑抗侧力框架在水平荷载作用下的性能，重点放在具有建筑布置优势的大偏心支撑框架。通过有限元理论计算，将理论计算与试验结果进行比较, 总结了耗能梁长度、高跨比对偏心支撑体系强度，刚度，滞回性能的影响。
关键词：偏心支撑抗侧力体系 水平力作用 有限元
1 前言
偏心支撑体系兼顾了纯框架结构与框架中心支撑体系的优点。在正常使用阶段，它具有较大的刚度，结构侧移较小；在大地震作用下，利用耗能梁段的塑性变形吸收能量，具有很好的耗能效果。偏心支撑抗侧力体系适用于抗震设防烈度为8、9度的，4层～12 层的多层钢结构住宅。本文采用试验与有限元分析的方法，研究了偏心支撑抗侧力框架在水平荷载作用下的性能，重点放在具有建筑布置优势的大偏心支撑框架。
2 计算模型
试验研究了两榀耗能梁长度e不同的K形偏心支撑框架，在水平循环往复荷载作用下的破坏过程。每榀框架具有相同的梁柱截面尺寸、加载位置和约束条件。分析采用目前非线性分析中常用的Von Mises等向强化准则，材料本构关系取理想弹塑性模型，初始弹性模量取2E5MPa，材料屈服强度为306MPa。
有限元分析以试验框架为分析原型，采用两种计算模型：塑性梁单元平面模型，塑性壳单元空间模型。平面模型采用塑性梁单元BEAM23。由于试验框架柱高度小，必须考虑柱脚加劲肋对框架柱的平面内水平方向的约束作用。塑性壳单元空间模型。偏心支撑采用塑性直管单元PIPE20；框架梁柱，地梁采用收敛性较好的塑性壳单元SHELL181。空间模型中，用8个加劲肋模拟了地梁对试验框架的约束作用，同样考虑了柱脚加劲肋对框架柱平面内的约束作用。
3 理论计算与试验结果的比较
将其中一榀试验数据稳定的试验框架，弹性阶段的试验结果与有限元计算进行比较。
3.1 弹性阶段荷载-位移曲线的比较
弹性阶段试验框架理论值与试验值的比较：
(1) 试验值与理论分析结果接近。塑性壳单元模型与试验结果十分吻合，误差均在5%以内；塑性梁单元模型误差在10%左右。
(2) 理论值略小于试验值，这是由于理论分析出于建模方便的考虑忽略了偏心支撑与框架梁节点板以及部分加劲肋的作用。
弹性阶段理论值与试验值的比较.测点1应力比较
3.2 弹性阶段的应力比较
弹性阶段理论值与试验值的比较：
(1) 由于现场试验条件、试件加工、试验手段等外部的原因，试验记录的应力-位移曲线呈不稳定上升状态；而理论分析忽略了外部条件的影响，应力-位移曲线平滑、稳定。
(2) 试验值与理论值基本吻合。塑性壳单元模型与试验结果的误差在10%以内；塑性梁单元模型误差也在20%以内。
4 偏心支撑框架的性能研究
通过试验与理论的对比可知，理论结果与试验值接近。我们可以采用有限元工具，进一步研究耗能梁长度、框架的高跨比等因素对偏心支撑的性能以及滞回耗能的影响。
4.1单向水平荷载作用下的偏心支撑框架的性能
分析采用和试验框架相同的塑性壳单元模型，主要研究耗能梁长度、高跨比对偏心支撑结构弹性阶段以及进入塑性破坏的影响。
为了使结构的非线性分析，得到获得一个好的解，本文在水平力单向加载过程采用以下措施：(1) 采用自动时间步长控制子步数：试验结构是从线性变化到非线性，激活自动时间步长，可以根据系统响应的非线性部分变化时间步长，获得精度和代价之间的良好平衡；(2) 使用二分法：无论何时打开自动时间步长，二分法都会被自动激活二分法提供了一种对收敛失败自动矫正的方法。只要平衡迭代收敛失败，二分法将把时间步长分为两半，然后从最后收敛的子步自动重启动。如果已二分的时间步再次收敛失败，二分法将再次分割时间步长，然后再启动。持续这一过程直到获得收敛或达到指定的最小时间步长;（3）使用小的时间步长；（4）对于材料的非线性分析，用水平位移代替水平力，结构的收敛性较好；（5）增加网格密度。
(1) 偏心支撑弹性阶段的刚度：耗能梁的长度决定偏心支撑弹性阶段的刚度，高跨比对结构的刚度影响很小。随着耗能梁长度的增加，弹性阶段的刚度基本上呈直线段下降。对于多层钢结构可以认为，e/L(耗能梁的长度/框架的跨度)每增加0.1，弹性阶段的刚度约减少20%。这一结论对于结构方案选择的判断是有用的。
(2) 总体来说，高跨比小、耗能梁短的偏心支撑结构具有更高的水平极限承载能力。对于0.5>e/L>0.3的弯曲型耗能梁-偏心支撑框架, 高跨比对结构的极限水平荷载的影响很小，主要由耗能梁的长度决定；对于民用结构可以认为，e/L每增加0.1，结构破坏时的水平极限承载力减少10%。
4.2循环水平荷载作用下的偏心支撑框架的性能
本节分别采用塑性梁单元、塑性壳单元计算分析了试验框架在循环水平荷载作用下的塑性滞回性能。施加水平位移为循环荷载。
由于循环加载不易收敛，以下措施可以加强塑性梁单元模型的收敛：（1）减少每个荷载步的子步数；（2）自动划分步长（Autots，on）；（3）自动划分单元格（smrt）；（4）由于循环迭代次数多，默认的输出文件数不能够满足输出的要求，利用config命令增加输出文件总数。以下措施可以加强塑性壳单元模型收敛：（1）自动划分单元网格（smrt）；（2）降低收敛准则；（3）增加荷载步的最大子步数。
试验框架的塑性梁单元模型滞回曲线，试验框架塑性壳单元模型滞回曲线。可知：
(1) 两种模型的滞回耗能计算值十分吻合，相差在5%以内；
(2) 相对于塑性壳单元模型，塑性梁单元模型计算速度快、计算结果与塑性壳单元模型接近。因此，采用塑性梁单元模型研究偏心支撑框架在循环荷载作用下的塑性滞回耗能性能。
e/L>0.2的偏心支撑框架累积滞回耗能的比较。可知：
(1) 偏心支撑框架滞回曲线饱满，说明这种结构具有很好的滞回性能。
(2) 对于偏心支撑框架，高跨比大、耗能梁长度短的结构具有更好的塑性滞回耗能效果。
5.结论
5.1 计算与试验结果对比表明，计算模型是正确的，计算结果是可信的。
5.2 对于e/L>0.3的弯曲型耗能梁-偏心支撑框架，耗能梁的长度是决定偏心支撑结构弹性阶段刚度、极限水平承载力。
5.3对于偏心支撑框架，高跨比大、耗能梁长度短的结构具有更好的塑性滞回耗能效果。（参考《建筑中文网》）
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200603/4152.htm
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