设置新型耗能机制的桁框结构抗震性能研究＊

张家源，侯雅雅

（河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000）

1 主要研究内容及研究方法

STMF 的设计方法在《美钢抗规》中主要以单消能段中置，依靠弦杆的塑性转动来实现耗能的体系。该体系如果在高烈度设防地区，是不适合适用于位移敏感性的结构构件类型[1、2]。Longo A[3]提出的延性桁框体系中提出在设计过程中引入BRB，设置两个消能段，但是这种设计方法理论较为复杂，不利于推广。

本文主要内容针对延性桁框体系中存在的问题，研究一种利用弦杆塑性弯曲的延性桁框的改进及其性能研究，以下简称双消能段延性桁框，如图1所示。

图1 双消能段延性桁框体系桁架布置简图

采用基于能量平衡原理及屈服机制的设计思路来验证这种体系的设计方法，将这种体系应用于三层桁框结构之中，对比采用原始STMF 单消能段中置的延性桁框，进行非线性动力时程分析并分析反应情况，以评估对提出的新设计方法抗震性能的有效性。

2 主要研究结果

单榀双消能段延性桁框的组成，如图2 所示，两侧为柱和侧边桁架的部分，中间依次设置两消能段。

图2 双消能段延性桁框主要组成部分

该结构体系的屈服机制：首先在地震影响下，柱脚处发生转角θ，此时桁架上弦与下弦杆的中点处会发生位移Δ，其次在中间的消能段，同样会出现位移Δ，并且在几何中心处出现旋转γθ 的转角（γ为中间段桁架的转角折减系数），中间段与两侧边桁架连接处设置第二个消能段，这就是该体系的屈服机制。

2.1 双消能段延性桁框体系消能段构建的设计

基于PBPD 设计方法的双消能段延性桁框[4]，主要是运用能量和侧向力分布方法及单消能段STMF的基础上进行对应修改后完成的。根据构件的截面形式来选择最大设计抵抗剪力的大小，参考《美钢抗规》的式E4-5 可计算出Vne[5]。计算过程如下：

首先可以计算出靠近柱子处的最大转角值为：

以及中间段桁架最大转角：

可得出消能段的弦杆总转角

即消能段内四弦杆极限状态下弯矩值为：

代入双消能段延性桁框的Vne值：

消能段弦杆中主要轴力的产生是因为侧向荷载，故假设第二消能段连接处四个轴力数值等大，根据以得出Vne 四轴力的方向同变形，取图2 中三部分各自为隔离体，轴力大小可计算出：

2.2 双消能段延性桁框体系非消能段构建的设计

非消能段的作用是要保证在目标位移状态下不发生屈服，即在已经确定消能段构件的极限位移状态下的内力作用在与之连接的非消能构件上，只在保持弹性阶段分析即可。取非消能段作为隔离体，在隔离体上施加荷载，包括自身重力荷载、与消能段连接处最大设计期望剪力以及柱脚的塑形弯矩Mpi、以及待求侧向力。受力情况如图3 所示。

图3 用于非弹性部分设计的边柱隔离体

根据弯矩平衡方程即可得出设计柱所受侧向力的总和。

当侧向力方向向右时，对隔离体左侧边柱受侧向力为：

当侧向力方向向左时，对隔离体左侧边柱受侧向力为：

将消能部分和非消能部分的设计思路进行整理，流程图如图4 所示。

图4 双消能段延性桁框体系设计思路

3 双消能段延性桁框体系的非线性动力时程分析情况

为了验证对双消能段延性桁框体系设计方法的可靠性，在sap2000 中分别设计在三层、六层的算例来进行验证，同时设置STMF 体系到相同的三层结构中作为对照组，进而考察双消能段延性桁框体系的合理性。

三层结构一榀框架包含5 跨，每跨设置10m。荷载方面，恒荷载每层设置4.5kN/m2，同时考虑变跨装饰层的线荷载为6.45kN/m2，活荷载各层取2kN/m2。根据荷载规范要求进行组合，来求得荷载设计值，进而分别按照单双向板的竖向荷载分布规律来计算耗能框架上的等效荷载。基本参数见表1。

表1 不同体系三层桁框基本参数

根据《建筑抗震设计规范》中的关于检验地震动记录的有效性参考标准，对采用两种不同桁框体系的三层算例输入8 度多遇、设防和罕遇地震水准的EL CENTRO 地震波，使用sap2000 进行动力弹塑性时程分析，分析结构的抗震变形能力。

分别提取三层桁框中的这一榀框架中层间位移角、结构顶部加速度对比情况，如图5，图6 所示。

图5 层间位移角对比

图6 结构顶部加速度对比

根据算例进行的时程分析结果，可得出以下结论：

（1）从层间位移角的情况对比，双消能段延性桁框体系变形控制上相较于STMF 体系有略微的提升。

（2）在地震作用下受影响最为明显的结构顶部加速度时程情况对比中可以看出，双消能段延性桁框体系顶部在外界加速度时程影响下，较之STMF体系有更好的能量消散的效果，通过双耗能段的设置达到减小地震响应的效果。

4 双消能段延性桁框体系应用前景和未来研究方向

全文主要分析消能段设置的几何位置选取。首先，双消能段不宜放在桁架的两端，在进行模型试算时发现，两个消能段之间间距增加或导致弦杆之间的轴力会增大，对于在抗震过程中需要反复弯曲的消能段而言，会造成低于设计承载能力下出现破坏，导致不好的结果。

其次，关于非消能段部分的截面选取不宜出现与消能段相比截面过大的设计方案，由于两种构件进行连接时，一侧截面选取的过大或导致一侧构件刚度会明显大于另一侧，从而导致在发生同向位移时内力的增大，会导致耗能段过早进入塑性阶段，过早消耗耗能段的抗震能力。

综上所述，双消能段延性桁框体系在沿用了传统桁架的基本形式基础上，比采用传统STMF 体系能减小桁架的整体变形能力及消能段处的弦杆变形量。但是相对于传统STMF 体系而言，双消能段延性桁框体系由于设置双消能段，用钢量除了增加，会提升结构的最终造价水平。

与预期计划相比，在实际研究过程中发现在耗能段设置摩擦塑性铰构件的可行性和耐久性均不如在桁框中通过原有构件设置耗能区效果更显著，而且实践中更容易实现，因为把研究重点放在了如何更好的设置耗能段方面。

在进行算例验算时更加注重结构整体性能，对于组成构件本身的截面特性的优化还有欠缺，验算中对塑性变形能力进行了折减，但是折减方案基于工字截面，对于体系是否能够完全成立还待相关试验研究。

在未来的研究中可以考虑如何能不显著增大截面的塑性抵抗矩的前提下增加截面面积，探究是否能通过增加截面来协助消能段截面分担轴力。