余玉潔，韋權(quán)飛，王霄翔，胡婉穎

鉸接支撐雙重抗側(cè)框架及其彈塑性抗側(cè)性能研究

余玉潔1，韋權(quán)飛1，王霄翔2, 3，胡婉穎1

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075；2. 湖南建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，長沙 410004；3.湖南建工集團(tuán)有限公司，長沙 410004)

基于現(xiàn)有分層裝配柔性支撐框架，提出改進(jìn)的鉸接支撐雙重抗震改進(jìn)型輕鋼框架體系．外墻轉(zhuǎn)角或邊墻處采用貫通式邊柱，結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用柱分層、梁貫通式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．內(nèi)部分層立柱之間設(shè)置柔性交叉支撐提供結(jié)構(gòu)的初始抗側(cè)剛度，貫通式邊柱與水平貫通梁剛性或半剛性連接形成外圍框架，提供后繼抗側(cè)儲備并形成第2道抗側(cè)防線．采用理論分析方法得到改進(jìn)型框架梁、柱、支撐等構(gòu)件初步設(shè)計(jì)方法，并基于Pushover分析改進(jìn)型框架彈塑性抗側(cè)承載性能和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)影響規(guī)律．該結(jié)構(gòu)傳力機(jī)制清晰，具備多重抗側(cè)承載機(jī)制，并可基于結(jié)構(gòu)力學(xué)方法有效得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則．柔性支撐在距邊柱一定距離后其位置變化不影響結(jié)構(gòu)抗側(cè)承載性能．內(nèi)部分層立柱節(jié)點(diǎn)剛度對結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能影響較小，實(shí)際設(shè)計(jì)中可采用全螺栓連接或限位鉸接．邊框梁柱連接剛度將影響外圍框架剛度和結(jié)構(gòu)失效機(jī)制，實(shí)際設(shè)計(jì)中宜采用加勁型螺栓連接以保證有足夠的抗彎剛度．體系中各節(jié)點(diǎn)均可在保障結(jié)構(gòu)性能條件下采用螺栓連接以實(shí)現(xiàn)全裝配化建造．

鉸接支撐雙重抗側(cè)框架；裝配化建造；抗側(cè)性能；受力分析；Pushover分析

近年來，隨著國家雙碳戰(zhàn)略和建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的持續(xù)推進(jìn)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅得到快速發(fā)展[1]．住宅類民用建筑與公建不同，其建筑內(nèi)部為滿足居住功能常常具有多樣、復(fù)雜的平面局部，柱網(wǎng)不規(guī)則且柱距較?。虼虽摻Y(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮居住功能多變的建筑需求[2]．受此限制，低多層鋼結(jié)構(gòu)住宅中常采用冷彎薄壁結(jié)構(gòu)體系[3-4]或小尺寸截面的鋼框架結(jié)構(gòu)體系．周緒紅等[5]提出了冷彎薄壁型鋼-鋼板剪力墻體系，推廣冷彎體系應(yīng)用于多層住宅．管宇等[6]、石宇等[7]、葉露等[8]通過系列試驗(yàn)及模擬完善其中冷彎薄壁組合樓蓋、剪力墻等關(guān)鍵構(gòu)件以及整體結(jié)構(gòu)抗震性能和設(shè)計(jì)方法．葉繼紅[9]、Wang等[10]提出多層輕鋼龍骨式復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)體系，采用雙拼或三拼的C型龍骨承重，并在關(guān)鍵位置引入方鋼管輕質(zhì)混凝土柱增大豎向承重和抗震能力．也有學(xué)者探索輕型框架體系的改進(jìn)研發(fā)[11]，如曹萬林等[12]研發(fā)了輕鋼組合框架-輕型填充墻板結(jié)構(gòu)體系，并進(jìn)一步優(yōu)化提出了裝配式輕鋼龍骨組合墻以滿足住宅的戶型變化需求．

對于低多層鋼結(jié)構(gòu)住宅，同濟(jì)大學(xué)王偉等[13]參考日本的全裝配式住宅研發(fā)了分層裝配柔性支撐框架結(jié)構(gòu)體系，采用梁通長、柱分層裝配，并結(jié)合柔性支撐的方式組合而成．該體系可實(shí)現(xiàn)全工業(yè)化制作和裝配安裝，具有施工周期短、設(shè)計(jì)便捷、綜合效益好等優(yōu)點(diǎn)，且可基于住宅需求實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)靈活調(diào)整．通過節(jié)點(diǎn)、支撐單元以及支撐框架整體的系列試驗(yàn)研究證明該結(jié)構(gòu)體系有較好的抗震性能[14]．但該體系本質(zhì)上仍主要依靠柱間交叉柔性支撐抵抗水平力，一旦支撐破斷其抗側(cè)性能將大幅下降[15]．與此同時(shí)，我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[16]對于大部分地區(qū)工程結(jié)構(gòu)都要求具有多重抗震防線，從而避免大震作用下因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)倒塌．

本文在分層裝配柔性支撐框架基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了鉸接支撐雙重抗震輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系．采用理論推導(dǎo)和典型框架抗側(cè)性能分析得到改進(jìn)體系的設(shè)計(jì)策略和抗側(cè)性能影響因素．研究成果可為低多層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系研發(fā)和設(shè)計(jì)提供參考．

1?鉸接支撐雙重抗側(cè)框架結(jié)構(gòu)體系

分層裝配柔性支撐框架結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)在于采用梁貫通、柱分層并通過端板螺栓連接組合形成基本框架，柱間采用交叉柔性支撐抵抗水平力．但一旦支撐失效，其結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能將大幅下降．針對以上不足，綜合考慮住宅建筑中內(nèi)外墻體布局特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)抗震需求，提出改進(jìn)的鉸接支撐雙重抗側(cè)框架結(jié)構(gòu)體系，如圖1(a)所示．

結(jié)構(gòu)中位于外墻轉(zhuǎn)角或邊墻處立柱仍采用柱貫通式型鋼柱或鋼管混凝土柱，邊框梁柱連接處采用栓焊混合或端板螺栓連接的剛性或半剛性節(jié)點(diǎn)；在房屋內(nèi)側(cè)采用分層裝配式結(jié)構(gòu)中柱分層、梁貫通式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用小尺寸鋼管立柱，在各層內(nèi)與上下水平貫通梁之間采用可拆卸的螺栓連接(圖1(b))；沿用分層裝配式體系中構(gòu)造，立柱之間設(shè)置扁鋼制作的鉸接柔性交叉支撐以提供結(jié)構(gòu)抗側(cè)，扁鋼中部設(shè)置花籃螺栓張緊．

該結(jié)構(gòu)體系中內(nèi)部分層立柱主要承受豎向荷載，可采用小截面構(gòu)件，在滿足豎向承重受力下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)柱藏于墻體內(nèi)的使用要求．外圍貫通式鋼管混凝土柱或鋼框柱位于外墻位置，對室內(nèi)空間布局影響較小．在正常使用、小震及中震時(shí)主要通過內(nèi)部柔性支撐提供結(jié)構(gòu)的抗側(cè)和抗震能力．同時(shí)外圍貫通式框柱及框架節(jié)點(diǎn)可提供結(jié)構(gòu)抗側(cè)和抗震性能儲備，在大震作用下或鉸接支撐框架發(fā)生破壞后作為第2道抗震防線．此外，內(nèi)部立柱和柔性支撐藏于墻內(nèi)且可拆卸裝配，可在保障整體結(jié)構(gòu)受力性能條件下根據(jù)房屋內(nèi)部功能布局需求進(jìn)行位置調(diào)整．

（a）結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成

（b）鉸接立柱及鉸接支撐節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

圖1?鉸接支撐雙重抗側(cè)框架結(jié)構(gòu)體系

Fig.1 System diagram of the hinged-brace dual-resistance frame

2?鉸接支撐雙重抗側(cè)框架受力分析

鉸接支撐雙重抗側(cè)框架在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其內(nèi)部分層立柱端假定為鉸接，在靜荷載時(shí)主要通過鉸接柔性支撐提供抗側(cè)能力，外圍框架提供多重抗側(cè)儲備．因此理想的結(jié)構(gòu)受力和失效順序?yàn)椋弘S著側(cè)向水平荷載的增大，柔性鉸接支撐為主要抗側(cè)剛度來源，并最先發(fā)生屈服，之后外圍框架提供后備抗側(cè)能力；基于鋼框架“強(qiáng)柱弱梁”理念，鋼框梁端先于柱肢達(dá)到抗彎極限出現(xiàn)塑性鉸，外圍框柱作為最后一道抗震防線．因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)合理設(shè)計(jì)柔性支撐、外圍框柱和水平貫通梁的截面尺寸和強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)構(gòu)受力過程．

2.1?鉸接支撐雙重抗側(cè)框架受力關(guān)系計(jì)算

2.1.1?復(fù)合框架抗側(cè)性能計(jì)算

圖2(a)所示為代表性鉸接支撐框架計(jì)和變形關(guān)系．交叉支撐鉸接于立柱端部，僅在鉸接節(jié)點(diǎn)處傳遞水平抗力．因此根據(jù)承載順序和變形關(guān)系可將該框架劃分為柔性支撐和復(fù)合框架兩部分．圖2(b)所示為復(fù)合框架計(jì)算簡圖，內(nèi)部分層立柱通過螺栓固定并主要傳遞豎向荷載，忽略其抗彎承載能力，因此結(jié)構(gòu)分析中可簡化為兩端鉸接桿．外圍框架采用剛性或半剛性螺栓連接，梁柱節(jié)點(diǎn)具備抗彎承載能力，在結(jié)構(gòu)理論分析時(shí)可簡化為剛接．

（a）結(jié)構(gòu)變形幾何關(guān)系

（b）復(fù)合框架計(jì)算簡圖

圖2?結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

Fig.2?Schematic diagram of the calculation

復(fù)合框架在承受水平荷載時(shí)梁柱的受力狀態(tài)可通過結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求解，得到框架發(fā)生水平側(cè)移時(shí)框架梁端彎矩1和柱端彎矩2．假定框架貫通梁長度為1，抗彎剛度為1，邊柱長度為2，抗彎剛度2，內(nèi)側(cè)一對鉸接立柱居中設(shè)置，間距為3．框架頂端發(fā)生水平位移為．

圖3?力法求解圖示

Fig.3?Diagram of the force method calculation

2.1.2?矩形鋼管混凝土柱壓彎承載強(qiáng)度計(jì)算

改進(jìn)型框架在承受水平荷載時(shí)會在邊柱產(chǎn)生拉壓的豎向反力，因此受壓側(cè)邊柱則處于壓彎狀態(tài)．將鉸接支撐雙重抗側(cè)框架應(yīng)用于多層住宅或辦公樓時(shí)，其邊柱為控制構(gòu)件尺寸，可采用鋼管混凝土邊柱構(gòu)造．因此在改進(jìn)框架的失效狀態(tài)判斷時(shí)需要考慮到鋼管混凝土邊柱在壓彎受力下的承載力大小．

對于鋼管混凝土構(gòu)件的承載力的計(jì)算方法，國內(nèi)外學(xué)者多年來都開展了深入細(xì)致的研究工作，已有成套計(jì)算方法．矩形鋼管混凝土柱壓彎承載力強(qiáng)度，可通過極限狀態(tài)理論進(jìn)行計(jì)算．

矩形鋼管混凝土柱壓彎承載力可基于全截面壓彎共同作用下全截面進(jìn)入塑性時(shí)的極限平衡狀態(tài)推導(dǎo)出鋼管混凝土壓彎構(gòu)件軸力和彎矩的相關(guān)公式[17]．規(guī)范中為簡化計(jì)算采用偏安全的直線相關(guān)關(guān)系，即

矩形鋼管混凝土軸壓承載力可基于疊加原理[18]進(jìn)行計(jì)算，即

矩形鋼管混凝土柱抗彎承載力也基于極限狀態(tài)理論進(jìn)行計(jì)算．假定矩形鋼管混凝土柱達(dá)到彎曲極限時(shí)，鋼管和受壓區(qū)混凝土分別達(dá)到屈服和抗壓強(qiáng)度極限，受拉區(qū)混凝土退出工作，如圖4所示．

式中為鋼管截面高度．

圖4?截面受力計(jì)算簡圖

2.1.3?鉸接支撐雙重抗側(cè)框架屈服機(jī)制

由式(4)～(6)可知，彈性狀態(tài)內(nèi)邊框柱和水平貫通梁的彎矩和軸力大小均與水平側(cè)移呈線性關(guān)系，因此可基于貫通梁和邊框柱截面強(qiáng)度得到構(gòu)件屈服或形成塑性鉸時(shí)所需要的水平側(cè)移大?。?/p>

當(dāng)水平貫通梁采用H型鋼梁時(shí)，其中水平梁剛度和截面抗彎承載力分別為

當(dāng)邊框柱采用鋼管混凝土柱時(shí)，其抗彎剛度為

2.2?鉸接支撐雙重抗側(cè)框架Pushover模擬驗(yàn)證

首先建立復(fù)合框架模型，驗(yàn)證力法推導(dǎo)的準(zhǔn)確性和性能影響因素．采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行抗側(cè)性能推導(dǎo)時(shí)梁柱構(gòu)件均僅考慮其抗彎剛度，并未考慮構(gòu)件抗拉和剪切剛度影響．因此在復(fù)合框架抗側(cè)分析中考慮理想抗彎桿件模式和真實(shí)桿件模式．理想抗彎桿件模式的Midas分析中，人為調(diào)整構(gòu)件抗拉剛度和剪切剛度截面剛度放大系數(shù)實(shí)現(xiàn)其無窮大，而抗彎剛度能保持其實(shí)際大小，以實(shí)現(xiàn)桿件性能與理論推導(dǎo)一致．真實(shí)桿件模式中梁柱桿件的抗彎剛度、抗拉剛度和剪切剛度均為實(shí)際大?。_展典型框架的Pushover分析，計(jì)算在推覆位移＝15mm時(shí)梁柱構(gòu)件的受力大?。畯?fù)合框架理論計(jì)算與Midas結(jié)果對比如表1所示．

（a）復(fù)合框架模型 （b）鉸接支撐雙重抗側(cè)框架

圖5?改進(jìn)型框架的Midas模型(單位：mm)

Fig.5?Midas models of the improved frame structures(unit：mm)

表1?復(fù)合框架理論計(jì)算與Midas結(jié)果對比

Tab.1?Comparisons between the theoretical calculations and the Midas results

框架中構(gòu)件的屈服和塑性通過定義塑性鉸模擬．對柔性支撐定義軸力鉸，水平貫通梁定義彎矩鉸，鋼管立柱和鋼管混凝土邊柱定義軸力彎矩PMM相關(guān)鉸，如圖5所示．在定義塑性鉸時(shí)，為使Pushover曲線能夠出現(xiàn)下降段，模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服后框架抗側(cè)承載力變化及下降狀態(tài)，梁、柱構(gòu)件的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系采用FEMA骨架曲線定義，使用軟件默認(rèn)的鉸屬性運(yùn)算分析．圖6所示為FEMA鉸的骨架曲線特性．

圖6?FEMA鉸的骨架曲線特性

表2所示為分別采用理論分析方法和Midas中Pushover分析所得到的結(jié)構(gòu)屈服順序結(jié)果和對比．可見理論分析方法所得出的支撐、梁和鋼管混凝土柱屈服順序的結(jié)果與Midas一致，因此在結(jié)構(gòu)初始設(shè)計(jì)階段可采用理論分析方法進(jìn)行框架中梁、柱桿件選型和設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期承載機(jī)制和順序屈服模式．

2.3?鉸接支撐雙重抗側(cè)框架彈塑性抗側(cè)承載機(jī)制

從表2中選擇兩個代表性工況分析鉸接支撐雙重抗側(cè)框架的彈塑性承載和失效過程．兩個工況中框架邊柱均采用200mm×10mm的鋼管混凝土柱，中部鉸接分層柱采用100mm×5mm空心方鋼管，柔性支撐采用寬40mm、厚5mm的鋼板條．工況1中水平貫通梁采用150mm×100mm×5mm×7mm的H型鋼，可實(shí)現(xiàn)支撐→梁端→柱端的理論屈服順序．工況2水平貫通梁采用300mm×150mm×6mm×9mm的H型鋼，其組成框架的理論屈服順序?yàn)橹巍恕憾耍疄榈玫娇蚣軓椝苄猿休d和失效全過程，Pushover分析中計(jì)算到最大節(jié)點(diǎn)水平側(cè)移達(dá)到120mm，即達(dá)到4%的層間位移角變形．計(jì)算完成后提取基底剪力-側(cè)移曲線以分析構(gòu)件不同屈服和構(gòu)件失效模式．

表2?結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服時(shí)的位移

Tab.2?Displacement of a structural member at yield

圖7所示為工況1：理想屈服順序工況，理論分析具有支撐→梁端→柱端的屈服順序．在水平側(cè)移逐漸增大時(shí)，支撐受拉先發(fā)生屈服，基底剪力-位移曲線出現(xiàn)第1個拐點(diǎn)；隨后外圍框架繼續(xù)承載，直至梁端左右梁端屈服，承載曲線產(chǎn)生第2個拐點(diǎn)；梁端屈服導(dǎo)致承載力曲線剛度輕微下降，表明其對結(jié)構(gòu)剛度影響不大．當(dāng)鋼管混凝土邊柱柱腳屈服時(shí)產(chǎn)生第3個拐點(diǎn)，結(jié)構(gòu)剛度明顯降低；之后主要由鋼管混凝土邊柱提供主要抗側(cè)能力，直至一側(cè)邊柱達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，承載力曲線突然下降．

圖8中工況2(非理想屈服順序工況)采用強(qiáng)梁設(shè)計(jì)，基于理論分析其柱腳將先于梁端進(jìn)入塑性．由推覆分析結(jié)果可見，當(dāng)柱腳發(fā)生屈服時(shí)，框架承載力曲線剛度明顯下降，隨后梁端達(dá)到屈服，框架進(jìn)入塑性承載階段．當(dāng)柱腳達(dá)到極限強(qiáng)度失效時(shí)，將使得框架承載力突然下降．相較于工況1，工況2框架的抗側(cè)剛度變化幅度較大，達(dá)到失效前的側(cè)移變形能力偏小，延性較低．

圖7?理想屈服順序工況

圖8?非理想屈服順序工況

3?改進(jìn)型框架構(gòu)造參數(shù)影響分析

改進(jìn)型框架實(shí)際設(shè)計(jì)中內(nèi)部分層立柱與水平貫通梁通過螺栓連接，水平貫通梁與框架邊柱可采用焊接或加強(qiáng)型栓接節(jié)點(diǎn)，或采用栓接形成半剛性節(jié)點(diǎn)．而理論計(jì)算方法中節(jié)點(diǎn)處均進(jìn)行了簡化，即邊框梁柱節(jié)點(diǎn)簡化為剛接，分層柱與貫通梁節(jié)點(diǎn)簡化為鉸接，并且鉸接支撐假定居中設(shè)置．但實(shí)際結(jié)構(gòu)中，不同構(gòu)造方式的螺栓連接均會產(chǎn)生一定節(jié)點(diǎn)抗彎剛度，并且柔性支撐位置也會隨著建筑功能和墻體開洞需求而變化．這類構(gòu)造參數(shù)和節(jié)點(diǎn)剛度對于結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的影響規(guī)律可采用不同構(gòu)造參數(shù)下的Pushover模擬進(jìn)行研究．

參數(shù)化分析中選擇符合預(yù)期屈服順序梁、柱設(shè)計(jì)構(gòu)造組合，即框架邊柱均采用200mm×10mm的鋼管混凝土柱，水平貫通梁采用150mm×100mm×5mm×7mm的H型鋼，中部分層立柱采用100mm×5mm空心方鋼管，柔性支撐采用寬40mm、厚5mm的鋼板條，支撐寬度為1.8m．分別變化支撐位置、分層立柱與水平貫通梁連接節(jié)點(diǎn)剛度、邊框梁柱節(jié)點(diǎn)剛度開展參數(shù)化分析．

3.1?柔性支撐位置

通過改變交叉支撐與鋼管混凝土邊柱之間的距離實(shí)現(xiàn)柔性支撐不同設(shè)置位置的變化，分別模擬支撐距邊柱2.1m、1.8m、1.5m、0.9m工況，如圖9所示．所有模型中分層立柱與水平貫通梁連接節(jié)點(diǎn)為鉸接，邊框梁柱節(jié)點(diǎn)為剛接．分析并對比所得到的基底剪力-側(cè)移關(guān)系曲線和失效模式，如圖10所示．

（a）工況A：支撐距邊柱2.1m??（b）工況B：支撐距邊柱1.8m

（c）工況C：支撐距邊柱1.5m??（d）工況D：支撐距邊柱0.9m

圖9?支撐位置

Fig.9?Brace locations

（a）基底剪力-側(cè)移曲線

（b）支撐距邊柱0.9m(工況D)失效模式

圖10?支撐位置影響

Fig.10?Influences of the brace locations

可以看出，當(dāng)其他條件相同、只改變支撐距離兩端鋼管混凝土柱位置時(shí)，支撐距邊柱2.1m、1.8m和1.5m工況的基底剪力-側(cè)移曲線基本相同，且失效過程均與圖7中屈服順序和失效模式一致．說明支撐距邊柱一定距離時(shí)，改變支撐位置對整個框架的彈塑性承載和失效過程影響較?。?dāng)支撐距邊柱過近時(shí)，其基底剪力-側(cè)移曲線變化較大．當(dāng)支撐距邊柱較近時(shí)，框架初始彈性剛度下降，抗側(cè)承載力水平降低．

圖10(b)中給出工況D下關(guān)鍵構(gòu)件出鉸位置及變化順序(圖中紅框標(biāo)注)．隨著水平側(cè)移逐漸增大，受拉支撐先發(fā)生屈服．隨后梁左端先于梁右端發(fā)生屈服．這與圖7中失效模式有所差異，原因在于此時(shí)左端梁段線剛度較大，相同轉(zhuǎn)動幅度下梁端彎矩更大先達(dá)到屈服，但此時(shí)承載剛度未明顯下降．隨著側(cè)移的不斷加載，左端梁相較于右端梁段先達(dá)到塑性鉸失效．當(dāng)梁右端及鋼管混凝土柱柱腳屈服時(shí)，抗側(cè)承載力下降，較未屈服前承載力下降82.3%．因此設(shè)計(jì)時(shí)交叉支撐不宜距離邊框過近，距邊框柱一定范圍內(nèi)，支撐位置可依據(jù)建筑及功能需求靈活調(diào)整而不影響結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能．

3.2?分層立柱連接節(jié)點(diǎn)剛度

框架內(nèi)部的分層立柱與水平貫通梁節(jié)點(diǎn)在初設(shè)階段可簡化為鉸接節(jié)點(diǎn)，但實(shí)際連接中可通過端板及螺栓與水平貫通梁翼緣連接，為半剛性節(jié)點(diǎn)，如圖1(b)所示．為分析該節(jié)點(diǎn)影響，可在Midas中通過釋放分層立柱端部約束剛度的方式，模擬節(jié)點(diǎn)的不同剛度水平．分別模擬了剛接、75%剛度、50%剛度、25%剛度和鉸接5種工況(圖11中工況a～e)．該分析中所有模型柔性支撐均居中設(shè)置，邊框梁柱節(jié)點(diǎn)為剛接.

所得到的基底剪力-側(cè)移曲線如圖11所示．分層立柱與貫通梁的連接剛度越強(qiáng)，框架整體抗側(cè)剛度和抗側(cè)承載力水平略微增大，表明分層立柱節(jié)點(diǎn)剛度也可提供一定結(jié)構(gòu)剛度．但整體抗側(cè)承載力變化幅度不大，結(jié)構(gòu)整體失效模式不受影響，因此分層立柱節(jié)點(diǎn)對于結(jié)構(gòu)性能影響有限．故考慮施工便捷性，可采用非加勁端板螺栓連接或采用限位鉸接連接，且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，分層立柱可偏安全假定為鉸接．

圖11?分層立柱連接剛度的影響

3.3?邊框梁柱連接剛度

框架梁、柱在理論分析階段假定為剛接節(jié)點(diǎn)，但實(shí)際連接中可采用加強(qiáng)型栓焊混合或全螺栓節(jié)點(diǎn)連接，如圖12所示，前者可實(shí)現(xiàn)剛接性能，后者一般為半剛接．為揭示邊框梁柱連接剛度影響，以指導(dǎo)框架節(jié)點(diǎn)選型和設(shè)計(jì)，可通過釋放水平貫通梁端部約束剛度的方式分析框架節(jié)點(diǎn)剛度對結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能影響．

分別模擬邊框梁柱節(jié)點(diǎn)分別為剛接、75%剛度、50%剛度、25%剛度和鉸接5種工況(圖13(a)中工況a～e)．該分析中支撐均居中設(shè)置，分層立柱與貫通梁為鉸接．

圖13(a)為不同邊框梁柱連接剛度工況下基底剪力-側(cè)移曲線．當(dāng)梁柱連接為剛接或剛度釋放小于50%時(shí)，框架抗側(cè)承載力曲線基本無變化，構(gòu)件屈服失效順序與圖7中承載過程一致，符合預(yù)期屈服失效順序．當(dāng)邊框梁柱剛度釋放50%時(shí)，支撐屈服后框架抗側(cè)剛度略微減小，承載力水平基本無變化，但此時(shí)邊框柱腳先于梁端進(jìn)入屈服，與圖8中失效模式一致.

（a）剛性節(jié)點(diǎn) （b）半剛性節(jié)點(diǎn)

圖12?邊框梁柱連接節(jié)點(diǎn)模式

Fig.12?Frame beam-column connection node

（a）基底剪力-側(cè)移曲線

（b）邊框梁柱25%剛度節(jié)點(diǎn)工況失效模式

（c）邊框梁柱鉸接節(jié)點(diǎn)工況失效模式

圖13?邊框梁柱連接剛度影響

Fig.13 Influences of the beam-to-side column connection stiffness

當(dāng)邊框梁柱連接剛度釋放高于50%，支撐屈服后框架抗側(cè)剛度進(jìn)一步降低．圖13(b)所示為邊框梁柱連接為25%剛度工況的失效模式．隨著側(cè)移的加大，受拉支撐首先發(fā)生屈服，抗側(cè)剛度略微下降．之后鋼管混凝土柱腳發(fā)生屈服，抗側(cè)剛度進(jìn)一步降低，僅為初始剛度的10.9%．當(dāng)柱腳達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，整個框架喪失承載能力．此工況下支撐屈服后主要邊框柱提供主要抗側(cè)性能，框架主要產(chǎn)生邊框柱腳的屈服和失效，并進(jìn)而影響整體框架的彈塑性承載性能．

圖13(c)所示為邊框梁柱采用鉸接節(jié)點(diǎn)時(shí)失效模式．邊框梁柱為鉸接節(jié)點(diǎn)時(shí)整體框架初始抗側(cè)剛度相較于其他工況偏低．支撐屈服后框架塑性剛度和抗側(cè)承載力水平下降較為顯著，此工況下支撐為主要的抗側(cè)承載來源．邊框柱腳屈服時(shí)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度下降91.5%．最后邊框柱腳同時(shí)達(dá)到極限強(qiáng)度，承載曲線發(fā)生突降．

對比結(jié)果可見，邊框梁柱節(jié)點(diǎn)剛度對于框架抗側(cè)時(shí)各部件承載機(jī)制和整體框架的抗側(cè)剛度和承載力水平均有較為顯著影響，邊框梁柱剛度較小或?yàn)殂q接時(shí)貫通梁基本不參與結(jié)構(gòu)抗側(cè)承載．因此邊框梁柱連接剛度不宜過小，節(jié)點(diǎn)抗彎剛度宜控制在75%的梁截面剛度以上．因此可采用焊接、栓焊混合或加強(qiáng)型螺栓連接方式．

4?結(jié)?論

本文在現(xiàn)有分層裝配柔性支撐框架基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的鉸接支撐雙重抗震改進(jìn)型輕鋼框架體系.采用理論分析方法得到改進(jìn)型框架梁、柱、支撐等構(gòu)件初步設(shè)計(jì)方法，并基于Pushover分析改進(jìn)型框架彈塑性抗側(cè)承載性能和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)影響規(guī)律，得到以下結(jié)論．

(1) 所提出的改進(jìn)型框架具有多重抗側(cè)承載機(jī)制，其中柔性支撐提供初始抗側(cè)能力．當(dāng)作為第1道抗震防線的柔性支撐屈服后，支撐外圍框架作為第2道抗震防線提供后續(xù)抗側(cè)和抗震儲備．

(2) 改進(jìn)型框架結(jié)構(gòu)傳力清晰，可基于結(jié)構(gòu)力學(xué)方法預(yù)判結(jié)構(gòu)承載和失效機(jī)制，有效得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以實(shí)現(xiàn)支撐-梁-柱的屈服順序，實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)體系雙重抗震防線穩(wěn)定、延性好等優(yōu)勢．

(3) 改進(jìn)型框架支撐和梁端屈服時(shí)不會引發(fā)結(jié)構(gòu)承載力的突降，邊框柱腳塑性和失效對結(jié)構(gòu)承載力影響較為顯著．柔性支撐與邊柱之間的距離建議大于1m，可使得支撐位置變化基本不影響結(jié)構(gòu)抗側(cè)承載性能．內(nèi)部分層立柱節(jié)點(diǎn)剛度對結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能影響較小，其中鉸接工況下抗側(cè)剛度和承載力相較于剛接工況僅下降2.54%和6.35%，實(shí)際設(shè)計(jì)中可采用全螺栓連接或限位鉸接．邊框梁柱連接剛度將影響外圍框架剛度和結(jié)構(gòu)失效機(jī)制，其鉸接工況下框架承載力和剛度相較于剛接工況分別下降18.68%和14.09%，實(shí)際設(shè)計(jì)中建議采用加勁型螺栓連接．

(4) 內(nèi)部立柱和柔性支撐可藏于墻內(nèi)，可基于屋內(nèi)功能需求靈活變換位置．體系中各節(jié)點(diǎn)均可在保障結(jié)構(gòu)性能條件下采用螺栓連接以實(shí)現(xiàn)全裝配化建造．

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Hinged-Brace Dual-Resistance Frame and the Elastic-Plastic Lateral Force Resistance Analysis

Yu Yujie1，Wei Quanfei1，Wang Xiaoxiang2, 3，Hu Wanying1

(1. School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China；2. Hunan Construction Investment Co.，Ltd.，Changsha 410004，China；3.Hunan Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Changsha 410004，China)

An enhanced hinged-brace dual-resistance light steel frame system was proposed based on the current design of layered assembly brace frame systems. Columns located at the corner of the wall or along the sidewall remain the vertically continuous construction. The interior structure adopts the through-beam layered-column design. Flexible cross braces are set between the internal layered columns to provide the initial lateral structural stiffness. The horizontal through beams are rigidly or semi-rigidly connected to the continuous side columns to form the peripheral frame，providing the subsequent lateral force resistance. This leads to the formation of the second lateral seismic defense. Theoretical analysis was performed to obtain the preliminary design method of beams，columns，and braces in the improved frame. The elastic-plastic lateral force resistance and influences of critical structural factors were analyzed based on Pushover simulations. The structure possesses a clear force transfer mechanism and multiple lateral load resistance mechanisms. The structural design criteria can be effectively obtained based on the structural mechanics method. Given a certain distance from the side column, the position changes of the hinged brace do not affect the lateral load resistance. The connection stiffness of internal layered columns has minimal influence on the structural lateral performance，allowing for the full bolted or hinge joints to be applied. The bending stiffness of the through-beam to the side column connection can impact the structural stiffness of the peripheral frame and further influence the failure mechanism of the entire structure. Stiffened bolted connections were proposed to ensure ??sufficient connection stiffness in practical structural designs. All connections in the improved frame can employ bolted connections to achieve the full assembly construction while retaining satisfactory structural mechanical performance.

hinged-brace dual-resistance frame；assembly construction；lateral force resistance；mechanical analysis；Pushover analysis

10.11784/tdxbz202304025

TU311.41

A

0493-2137(2024)04-0343-12

2023-04-13；

2023-06-09.

余玉潔（1990—??），女，博士，教授.

余玉潔，yujiecsu@csu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52278231)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2022JJ20073)；湖南省科技創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(2022RC1185)；長沙市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(kq2202100).

the National Natural Science Foundation of China(No. 52278231)，the Natural Science Foundation of Hunan Province，China(No. 2022JJ20073)，the Science and Technology Innovation Program of Hunan Province，China(No. 2022RC1185)，the Natural Science Foundation of Changsha City，China(No. kq2202100).

(責(zé)任編輯：金順愛)