装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震分析.pdf

1、 学校代号 10532 学 号 P130100042 分 类 号 TU391 密 级 公开 工程硕士学位论文 装配式斜支撑加强节点型 钢框架结构抗震分析 学位申请人姓名 周湘江 培养单位 土木工程学院 导师姓名及职称 舒兴平教授 周一平高级工程师 学科专业 建筑与土木工程 研究方向 钢结构基本理论及应用 论 文 提 交 日 期 2018 年 6 月 3 日 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震分析 II 摘 要 随着我国经济社会的高速发展，建筑业已经成为了国民经济的支柱产业。改革开放 40 年后，人口、资源、环境、技术等要素都发生了深刻的变化，建筑业的转型升级越来越迫切，住宅产业化正是建筑业转

2、型的重要方向，装配式建筑迎来了巨大的发展机遇。装配式钢结构建筑是一类重要的的产业化建筑，相对其他装配式建筑更加符合可持续发展的要求。经过多年的发展，装配式斜支撑加强节点型钢框架结构（也称为 BSB 结构）已经进行了大量的试验研究，获得了大量的研究成果，有了显著的进步，但在斜支撑的最优布置、基于性能对该结构的控制荷载的研究及该结构拓展应用范围等方面还需进一步深化。本文从以下几个方面对装配式斜支撑加强节点型钢框架结构的性能进行了研究分析：（1）简要介绍装配式斜支撑加强节点型钢框架（BSB 框架）结构。（2）对比研究 BSB 框架、支撑框架与刚接框架的受力与变形特点，得出 BSB框架节点的受力与变形

3、特点及 BSB 框架的受力与变形特点。研究斜支撑的不同布置方式，得出斜支撑的最佳布置数量与最优布置位置。（3）拟定 30 层 BSB 结构建筑模型进行各种工况受力与变形分析，得出其主要控制荷载。（4）选取合适的水平地震加速度时程，研究 30 层模型在地震加速度时程作用下的变形、受力与时间的关系，取得时程的最大值。与 30 层模拟地震振动台试验结果进行比较，验证分析与试验的相符性。（5）应用 BSB 框架解决实际问题，介绍实际案例，拓宽 BSB 结构的应用范围。关键词：钢框架；地震反应谱；斜支撑；节点；时程分析；装配式；控制荷载 工程硕士学位论文 III Abstract With the ra

4、pid development of Chinas economy and society，the construction industry has become a pillar industry of the national economy.After 40 years of reform and opening up，the factors such as population，resources，environment and technology have experienced great changes.The transformation and upgrading of

5、the construction industry is becoming more and more urgent.The industrialization of housing is an important direction of the transformation of the construction industry，and the assembly architecture has a great opportunity for development.Fabricated steel structure is a kind of important industrial

6、building.Compared with other fabricated buildings，it is more consistent with the requirements of sustainable development.After years of development，a large number of experimental studies have been carried out on the assembled slanted braced steel frame structure(also known as BSB structure).A large

7、number of research results have been obtained，and significant progress has been made.However，the optimal layout of the Diagonal Bracing，the study of the control load on the structure based on the performance and the application of the structure are extended.The scope and other aspects need to be fur

8、ther expanded.In this paper，the performance of fabricated steel Frame Structure with diagonal bracing joints is studied and analyzed from the following aspects.(1)a brief introduction is given to the fabricated steel frame structure with diagonal bracing joints(BSB frame structure).(2)comparing the

9、stress and deformation characteristics of the BSB frame，the supporting frame and the rigid frame，the characteristics of force and deformation on nodes and those on eliments of BSB frame are obtained.The different arrangement modes of the inclined braces are studied，and the optimum arrangement quanti

10、ty and optimal placement position of the inclined support are obtained.(3)30-storey BSB structure building model is developed to analyze the stress and deformation of various working conditions，and the main control load is obtained.(4)select the appropriate horizontal seismic acceleration time histo

11、ry，study the relationship between deformation and time，force and time of 30-storey model under the acceleration time history of the earthquake to obtain the maximum of time history.Compared with the results of earthquake wave simulation test cating on 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震分析 IV 30-storey model by shaki

12、ng table，the consistency between the analysis and the test is verified.(5)apply BSB framework to solve practical problems，introduce actual cases，and widen the application scope of BSB structure.Key Words:Prefabricated;Diagonal bracing joints;Steel frame;Time history analysis;Earthquake response spec

13、trum;Control load 工程硕士学位论文 V 目 录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 I 摘要 II Abstract III 第 1 章 绪论 1 1.1 主要发达国家住宅产业化简介 1 1.1.1 西欧住宅产业化简介 1 1.1.2 北欧住宅产业化简介 2 1.1.3 北美住宅产业化简介 2 1.1.4 日本住宅产业化简介 3 1.1.5 国内装配式建筑情况简介 3 1.2 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构的研究历程 4 1.3 研究思路 5 第 2 章 斜支撑加强节点型钢框架的结构特点 7 2.1 结构体系介绍 7 2.1.1 斜支撑节点加强型钢框架结构体系与建筑

14、体系的关系 7 2.1.2 斜支撑加强节点钢框架结构体系构成 9 2.2 斜支撑加强节点钢框架结构的性能特点 10 2.2.1 斜支撑加强型节点的刚性特点 10 2.2.2 加强型节点平面框架的受力及变形特点 10 2.3 斜支撑布置改变的分析 11 2.3.1 单个斜支撑在节点不同位置的变形分析 11 2.3.2 多个斜支撑不同布置的变形分析 12 2.3.3 斜支撑在框架不同布置的变形分析 14 2.4 小结 15 第 3 章 静力与反应谱分析 16 3.1 反应谱法原理 16 3.2 有限元模型的建立 18 3.2.1 主要结构数据 22 3.2.2 主要荷载数据 22 3.2.3 有限

15、元模型的建立 22 3.3 模态分析 22 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震分析 VI 3.4 整体计算分析结果 27 3.4.1 抗震 8 度设防反应谱分析结果 27 3.4.2 风荷载计算结果 27 3.4.3 构件最大组合应力 27 3.5 小结 32 第 4 章 动力时程分析 33 4.1 抗震设计动力分析理论 33 4.1.1 动力平衡方程的建立 33 4.1.2 阻尼参数的选取与阻尼矩阵的建立 35 4.1.3 结构的基本动力特性计算 36 4.1.4 逐步法求解结构的动力反应 37 4.1.5 材料非线性 38 4.2 加速度时程曲线的选择 40 4.2.1 加速度时程曲线的

16、持续时间 40 4.2.2 加速度时程曲线的频谱特性 42 4.3 弹性时程分析结果 44 4.3.1 基底总剪力计算结果 44 4.3.2 位移计算结果 46 4.3.3 应力计算结果 50 4.4 振动台试验与有限元计算结果的比较 51 4.4.1 周期与总质量 51 4.4.2 模型破坏情况 52 4.4.3 模型的位移反应 54 4.5 小结 55 第 5 章 典型案例 56 5.1 塔式酒店简介 56 5.2 长沙国际会展中心配套酒店简介 59 5.2.1 项目背景及场地 59 5.2.2 建筑特征 59 5.2.3 典型建筑平面 60 5.2.4 设计荷载 60 5.2.5 主要设

17、计条件 60 5.2.6 抗侧力体系 61 5.2.7 经济型酒店结构弹性分析数据 62 5.2.8 四星级酒店结构弹性分析数据 62 工程硕士学位论文 VII 5.3 小结 63 结论 64 参考文献 66 致谢 69 附录 A（攻读学位期间所发表的学术论文）70 工程硕士学位论文 1第 1 章 绪 论 我们的祖先用原始的木料，石料等切割后拼装成住宅。公元前 3500 年埃及人先精确预制石块，再装配而成金字塔。我国古代木制榫卯结构是一种精确的装配结构。随着人类社会工业化的发展，深刻的影响了我们的建造方式。从铆钉连接的艾菲耳铁塔到各种桥梁、高楼、站场，预制的构件越来越大，现场装配能力越来越强，

18、如高强度螺丝连接的桥梁、大型机场、车站的装配式屋盖。新型建筑工业化本质是采用信息技术控制的智能化制作，转变为大产量的定制方式，定购采用菜单模式1。装配式钢结构是首先预制部品及部件，运到工地后，再进行装配而成的建筑。是建造方式的重大变革。有利确保质量安全水平，有利于节约资源、同时会很大程度的减少污染、并且会提高劳动生产率。创新装配式建筑设计，推行结构、设备、部品部件、装配装修建筑一体化设计。促进专业化、标准化的部件、部品生产。研发装配式的施工设备和施工技术。推进装配式建筑与装饰、结构、协同施工装配式的建筑2。装配式钢结构是一种重要的产业化建筑，产业化建筑率先在工业发达国家产生，兴起，随着部分发展

19、中国家经济腾飞，产业化的建筑也在这些国家发展起来。1.1 主要发达国家住宅产业化简介 1.1.1 西欧住宅产业化简介 以英国、法国、德国、意大利等为代表，出现了多种形式的建筑工业化产品。法国，二战后为解决居民的房荒问题，用工业化的方法在市郊兴建了大量功能单一的住宅区。50 年代、60 年代，第一代建筑工业化期间，发展了装配式大板建筑和工具模板现浇方式的建筑。70 年代，第二代建筑工业化期间，探索尺寸协调规则，建立“构造体系”，发展了具有互换性的定型构件，并编制了构件目录，形成了积木式体系，以混凝土建筑体系为主，包括钢结构和木结构共计 25 种工业化建筑体系。80 年代，推行构件与施工分离的方式

20、，编制了“构件逻辑系统”，形成了一批通用的商品建筑构件和零件。总建筑面 3.85 万平方米的鲁昂 Grand Marie居住区，由 25 栋 5 层住宅组成，是典型的工业化钢结构建筑，属于钢框架结构体系，抗侧力体系由与层高一致的大型预件形成3。德国建筑工业化建造技术分别是预制混凝土建造体系、预制钢结构建造体系和预制木结构建造体系。预制钢结构体系有预制高层钢结构建造体系和预制多层装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震性能分析 2钢结构建造体系4。新意大利钢铁公司和热那亚大学联合研发的 BSAIS 建筑体系是一种模数化、定型化的钢框架支撑结构体系，适用建筑高度 8 层。BSAIS 构件均在工厂制作完

21、成，统一标准的螺栓连接节点，现场无任何焊接作业，楼板现浇3。英国轻钢结构住宅结构体系主要主要有 3 种，竖向承重墙立柱在楼板处连续的 Balloon 式框架，墙立柱在楼板处断开的 Platform 式框架及由冷弯薄壁 C 型钢组成的盒子（Cassette）结构，前 2 种结构体系主要由墙内的立柱承重，Cassette结构主要由盒子承重。根据拼装结构单元的大小分为 Stick 结构、Panel 结构及完全模块化的 Modular 结构5。1.1.2 北欧住宅产业化简介 2O世纪 4O年代，瑞典就开始研究建筑模数协调的问题；5O年代开始大力推动建筑工业化，开发了预制大型板的建筑体系；6O年代瑞典工

22、业标准(SIS)纳入了规格化部件，形成通用体系，统一规则，实现了部件的互换性。其中独户住宅占总量的 80%，90%以上采用工业化方法建造，目前 8O以上新住宅用通用部件。丹麦率先将模数法制化，建立设计的通用体系和产品目录6。芬兰主要以单体别墅和联排别墅及城市公寓为主，芬兰近年建造的别墅有木结构和轻钢结构 2 种形式，多采用轻钢龙骨框架体系，该体系所采用的 Termo 龙骨中间开了槽孔，减少冷桥作用，Termo 龙骨为主要结构部件，厚度通常为 12mm，C 型用于竖向构件，U 型用于地梁和顶部水平框架，双 C 形成的工字截面用于门、窗洞的过梁。构预制件部分采用铆钉连接，现场连接以 Termo 龙

23、骨节点及自攻螺钉为主5。配套的钢结构构件也越来越多7。北欧装配式建筑通常不高，由于发展初期就注重模数协同的工作，建筑构件系列很完善，工厂化程度很高。1.1.3 北美住宅产业化简介 集装箱建筑体系。集装箱是一种标准化的装载运输货物的容器。有多种规格和型式，标准集装柜(1A)为 40 英尺。加高柜(1AAA)高度可达 28968。集装箱通常有 8 个角件，箱体角上连接上下角件的为集装箱立柱，水平方向的角件用横梁连接在一起，共同形成集装箱的框架，框架内部满焊波型板。整体具有很好的稳定性、很高的强度和非常好的刚度，承载能力强，1A 箱可达 30.4t。角件的使用便于连接与紧固，集装箱可形成很好的装配式

24、结构。模数化集装箱建筑体系由John M.DiMartino 最先提出，1991 年海湾战争期间大规模用于军用临时建筑，随后欧、美、大洋洲等国家和地区开始较大范围的应用9。美国装配式混凝土建筑。二战后美国装配式混凝土建筑在发达国家（美国、欧洲、日本）兴起，不断发展。美国将预制构件与预应力混凝土技术结合，开发出单 T 板，双 T 板，广泛应用。形成了多种装配式结构体系。编制了系统的技术工程硕士学位论文 3手册，促进了装配式混凝土技术的发展，保证了建筑质量安全10。北美轻钢住宅体系。北美轻钢住宅体系通常由楼面，墙体及屋顶等组成，主要用于低层独栋或联排别墅。用于中层住宅时，一般为 6 层或 6 层以

25、下，竖向承重结构的底层轻钢龙骨厚度达 2.6mm，上部递减。抗侧力体系采用龙骨架上用 X轻钢拉条作为斜向支撑。轻钢龙骨结构也用于高层住宅的内外填充墙，隔墙、幕墙等各种墙体及屋架1113。1.1.4 日本住宅产业化简介 日本近代以前主要是木结构房屋，50 年代开始大规模试验性生产木结构房屋，未达到合理价格，被混凝土住宅替代。预制混凝土以 PC 框架-墙板体系和 PC框架体系为主14。木结构住宅向二乘四结构体系转变，比例不大。日本 50 年代开始发展混凝土预制结构，6O年代大力发展混凝土装配式框架结构，70 年代达到高峰，主要应用与公寓。虽然日本混凝土装配式建筑的标准体系完善，工艺先进，综合技术水

26、平高，但经过多年的发展，及 9O年代日本经济的泡沫的破裂，混凝土工业化住宅逐步衰退。现在工业化住宅以钢结构为主。大和房屋 1959 年开发了轻钢结构装配式儿童学习用房，迅速推广。60 年代到 21 世纪不断开发出多样化的单栋工业化住宅和集合型工业化住宅。众多企业进入该行业，形成了多种工业化住宅体系，如大和房屋的剪力墙板-架构组合结构体系，积水房屋的板框式结构体系，PANA 松下房屋的框架-支撑剪力板组合结构体系，旭化成房屋的架构-支撑结构体系等。建筑产业涉及众多工业行业，参与企业众多，模数化是协调各类部品的关键措施。日本木结构与钢结构住宅在模数化技术上走了不同的道路形成了不同的结果。日本的木结

27、构建筑的二乘四木建筑工法，将设计模数与生产体系公开，逐步统一了木结构的模数。由于钢结构住宅参与的众多企业制定了各自的设计体系，模数定为 100cm、91cm、90cm、60cm，由于技术保密原因，其他企业难以参与进来，每个企业独自建立生产线，进行了巨大的投资，目前已经不能统一15。1.1.5 国内装配式建筑情况简介 我国各种类型的装配式建筑均有较大发展，有装配式竹结构、装配式木结构、装配式混凝土结构和装配式钢结构等，目前以装配式混凝土结构与装配式钢结构为主。装配式混凝土结构起源于欧美。我国引进后，经过多年的发展，特别是近几年各级政府的大力推动，发展非常迅速，研制并验证了多种连接技术，编制了装配

28、式结构的标准，经过多次修订，2014 年发布了装配式混凝土结构技术规程。有关结构设计的关键技术主要包括：（1）等同现浇混凝土结构的装配式结构整体性能设计；（2）预制构件受力钢筋连接技术；（3）装配整体式框架结构设计；（4）装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震性能分析 4装配整体式剪力墙结构设计。目前各省市有众多企业参与装配式混凝土结构的生产、安装。比如北京榆构有限公司、万科、远大住工等。钢筋约束浆锚搭接连接接头和采用钢筋套筒灌浆连接技术的接头，都是组合件，有严格的要求，宜由有资质的供应商配套供应，并需验证了接头的可靠性和安全性后。同时要加强过程监管，以保证接头的安全和耐久性能。预制与现浇现结合

29、的技术，达到等同现浇混凝土的要求10。有较高的品质管理成本，同一个部件需 2 次施工，成本较高。装配式钢结构形成了多种体系，有低层的轻钢住宅体系，也有多高层的钢框架住宅体系如杭萧的钢框架支撑结构住宅体系、矩形混凝土钢管柱结构。同时国内也进行了大量的研究，产生许多成果，如马克俭院士研究的装配式空间钢网格盒式建筑16，李国强、陆烨研究的钢结构束柱体系17,18，叶继红团队研究的多层轻钢结构住宅体系19，等等。1.2 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构的研究历程 2009 年，远大发明了装配式斜支撑加强节点型钢框架结构(简称 BSB 结构)。2010 年，建成上海世博会远大企业馆。2011 年，中国建

30、筑科学研究院对远大 30 层可持续建筑进行了抗震性能振动台试验，结果表明 30 层可持续建筑试验模型在 7 度、8 度、9 度多遇地震下，主体结构未见明显损坏，在 9 度罕遇(0.6g)后，整体结构没有倒塌，也发现一些薄弱环节，提出需改进节点形式，使之符合“强柱弱梁”、“强连接、弱构件”的设计原则等建议20。2011 年2012 年，舒兴平、卢倍嵘、袁智深、张再华、贺冉团队进行了 BSB节点的试验研究，表明 BSB 节点的主要破坏型式是梁构件。2012 年2013 年，张爱林、刘学春等团队对 BSB 结构体系进行了试验研究分析，结构体系、构造、构件满足按照 8 度抗震设防设计以及 9 度大震不

31、倒的要求，极限承载力达到设计荷载的 2 倍左右，有较大安全储备；框架整体承载力满足最不利荷载组合要求；破坏位置在主梁弦杆和腹杆处，满足柱强于梁，节点强于构件的设计要求，整体结构满足设计要求21。2014 年，肖时杰、杨勇等研究了 BSB 结构在顺风、横风作用下的风振舒适度，提出了改善舒适度的减振方法22,23。2015 年，杨建军、闵剑、张松洪研究了 BSB 结构钢柱的承载力及柱柱节点的抗剪性能24。2015 年，舒兴平、毛家喜、袁智深、卢倍嵘研究了 BSB 结构的抗连续倒塌性能25。2015 年，舒兴平、刘三玲、姚尧研究了 BSB 结构的温差对施工的影响，发工程硕士学位论文 5现不能忽视日照

32、温度作用对建筑施工的影响26。2015 年，舒兴平、刘泽龙、张文献、卢倍嵘、姚尧对 BSB 结构进行了静力弹塑性分析和动力弹塑性分析，证明该结构满足“强柱弱梁”的抗震设防要求，具备良好的整体抗震性能27,28。2016 年，舒兴平、王光超、袁智深、卢倍嵘分析了 BSB 结构抗连续倒塌性能的影响，发现斜支撑会改变框架传力路径，梁中部腹杆最先破坏，从而保护了梁柱的节点，符合“节点强于构件”的设计要求；斜支撑的存在，明显减小了失效处的竖向位移；在动力非线性分析时，斜支撑还会减小振荡29。1.3 研究思路 钢结构装配的连接方式主要有铆接、焊接和螺栓连接。其中螺栓连接的现场工作相对简单，易于实现工厂化。

33、一个连接具有 3 个基本属性：（1）抵抗弯矩的能力，连接可分为全强度、部分强度和名义铰接(不能抵抗弯矩)3 种；（2）按转动刚度分为刚性、半刚性和名义铰接(完全没有转动刚度)3 种；（3）节点的转动能力，即节点的转动能力与延性30。延性是确保节点抗震性能的一个关键指标。各国的钢结构规范均对节点的设计与构造给出了详细的要求3133。如文献32给出了 2 种非常好的装配式节点设计，Kaiser bolted bracket connection(KBB)和ConXL 抗弯螺栓连接接头的详细设计，见图 1.1 和图 1.2。图 1.1 KBB connection 图 1.2 Assembled C

34、onXL moment connection 钢结构设计应达到“轻、快、好、省”的目标34。连接节点的设计是钢结构设计重要的一环35。钢接构的连接设计需符合强连接弱构件的原则，如何以简洁的方式实现强节点的要求，是装配式结构研究的一个难点。本文以配式斜支撑加强节点型钢框架结构(BSB)为研究对象，进行如下研究：（1）对比研究 BSB 框架、支撑框架与刚接框架的受力与变形特点，得出 BSB节点的受力与变形特点及 BSB 框架的受力与变形特点。研究斜支撑的不同布置方式，得出斜支撑的最佳布置数量与最优布置位置。（2）拟定 30 层的建筑模型进行各种工况的受力与变形分析，得出其主要控制荷载。装配式斜支撑

35、加强节点型钢框架结构抗震性能分析 6（3）选取合适的水平地震加速度时程，研究 30 层模型在地震加速度时程作用下的变形、受力与时间的关系，取得时程的最大值。与 30 层模拟地震振动台试验结果进行比较，验证分析与试验的相符性。（5）应用 BSB 结构体系解决实际问题，介绍实际案例。本论文期望得到下列成果(主要创新点)：（1）研究斜支撑的不同布置方式得出斜支撑最佳布置数量与最优布置位置。（2）对 BSB 结构模型进行各种工况的受力与变形分析，得出主要控制荷载。（3）实际案例中首次扩展 BSB 结构的使用范围，形成 BSB 斜支撑+偏心支撑框架的混合结构模式，形成多重抗侧力体系。工程硕士学位论文 7

36、第 2 章 斜支撑加强节点型钢框架的结构特点 2.1 结构体系介绍 2.1.1 斜支撑节点加强型钢框架结构体系与建筑体系的关系 项目设计通常先进行建筑设计，再进行结构设计、给排水设计、暖通空调设计、电气设计、室内装修设计等，这些设计内容通常由不同团队进行，在施工阶段也按不同的专业进行，甚至分包给不同的安装公司。装配式建筑由于大量在工厂预制，许多部品需提前预制到结构中，各个专业要求综合考虑，有机整合。为此，打通各专业的界限，综合统筹，既要满足各个专业的要求，也要与上下游的工作通畅，左右横向作业协同。参考机械产品设计的思考模式而分为基础、风水电、外墙窗、内墙门等部分，消防内容分散于各子项，各个子项

37、依存在结构上，围绕建筑结构合成整体。风水电主要含有采暖、制冷、通风、空气净化、给水、排水、供电、控制及设备等项目，外墙窗主要指外部装修，内墙门主要指内部装修。本文研究的钢构与各部分的关系见图 2.1 图 2.1 BSB 结构建筑各部分关系图 按图 2.1 的思考模式，按模块化的思路，经过较长时间的摸索与试验，形成了可建体系，根据部件的安装属性，该体系部件主要由板与柱组成，通常斜撑与立柱做成一体，楼面、天花板、建筑水平管线等预制在楼板中，管路预置见图 2.2。楼板周边布置有梁，框架梁相接处安装有柱座(柱节点)，可以称之为板柱体系。楼板同时楼板还兼做，内墙门，外墙窗、室内装修材料及立柱的装货平台，

38、采用汽车整板的运往建筑安装现场。运输模式见图 2.3。装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震性能分析 8从安装角度来看，该体系主要由板与柱组成，属于板柱体系。受力的核心部件为带撑的立柱，简称撑柱，见图 2.4。图 2.2 BSB 结构建筑预制的管路系统 图 2.3 BSB 结构建筑的运输 a）节点加强型斜撑柱 b）多撑节点 图 2.4 BSB 结构的撑柱 工程硕士学位论文 92.1.2 斜支撑加强节点钢框架结构体系构成 斜支撑加强节点钢框架结构体系基本单元，见图 2.5，由立柱、斜撑、框架梁组成，在立柱和框架梁间增加斜撑构件，多个斜撑构件围绕梁柱节点，通过外围进行力的传递，对节点起到加强作用，形

39、成加强型的节点。立柱可以采用圆管、方管、矩形管或者槽钢工字钢等型材。立柱与立柱通常采用方形法兰连接，框架梁有蜂窝梁、冷弯型材、轧制型材或桁架等形式，斜撑采用槽钢、圆管、方管等形式，由于梁上的 2 根斜撑均从两端向立柱支撑，恰好留出了中间的通道及门的位置，也预留了窗户的空间。33003300390039003900390060m2 AAA a）平面与立面布置 b）带撑的柱 c）斜支撑加强节点型钢框架结构实景(桁架梁形式)图 2.5 BSB 结构体系基本单元及其平面布置 通常情况下，结构层高为 3.3 米，立柱与立柱的间距为 3.9 米。每边 3 根立柱(角上立柱共用)，加上立柱与框架梁件的斜撑，

40、包围形成 7.8 米7.8 米的网状方盒结构。基本单元的面积为 60.8 平方米。基本单元平面布置见图 2.636。装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震性能分析 102.2 斜支撑加强节点钢框架结构的性能特点 2.2.1 斜支撑加强型节点的刚性特点 斜支撑加强节点钢框架结构的梁柱节点中，斜支撑的存在使梁、柱弯矩的最大值移到了节点区域外，从而加强了节点。同时，斜支撑还减少了构件的计算长度。斜支撑加强节点钢框架结构梁柱节点单元的刚度大于同条件下框架刚接节点单元的刚度。斜支撑加强节点钢框架结构可实现强节点弱构件的设计原则36。2.2.2 加强型节点平面框架的受力及变形特点 1.基本单元框架的抗侧刚度

41、 建立如图 2.6 所示框架单元模型进行对比计算分析，同条件下水平抗侧刚度：中心支撑框架斜支撑加强节点框架刚性节点框架。斜支撑加强节点框架为刚性节点框架的 4.27 倍。a）斜支撑加强节点框架 b）中心支撑框架 c）刚性节点框架 图 2.6 BSB 基本框架单元的变形 2.平面框架水平荷载下的受力及变形特点 建立如图 2.7 所示 10 层平面框架模型进行对比计算分析，位移见图 2.8，同条件下顶点位移：刚性节点框架为斜支撑加强节点框架的 5.33 倍，中心支撑框架为斜支撑加强节点框架的 2.03 倍。位移关系表明：斜支撑加强节点框架的刚度比通常中心支撑框架大，从抗侧刚度的角度看，斜支撑加强节

42、点型钢框架结构可适用于高层。工程硕士学位论文 11 a）斜支撑加强 b）中心支撑框架 c）刚性节点框架 图 2.7 BSB 平面框架的变形 0246810层0102030位移 mm6.4 13.034.1abc 图 2.8 BSB 平面框架 位移图 总体而然，采用斜支撑加强节点的钢框架使得轴力和弯矩分布均匀。从水平方向和高度方向看，均形成较均匀受力的结构，有利于构件分散承担水平力。框架整体刚度大，有利于整体结构的抗震性能36。2.3 斜支撑布置改变的分析 2.3.1 单个斜支撑在节点不同位置的变形分析 考虑单个斜撑在节点不同位置对节点的影响，建立如图 2.9 节点模型，柱底刚接，梁端施加垂直于

43、平面顺时针的弯矩 105NM，节点变形情况如下：a）A=0 b）A=0.39 c）A=0.78 d）A=1.17 e）A=1.56 Y=0.02868 Y=0.02591 Y=0.02103 Y=0.01538 Y=0.00985 图 2.9 斜支撑在节点不同位置变形情况 注：A 为斜撑与梁节点到柱梁节点的距离，A=0 表示无斜撑，Y 为梁端竖直方向的变形。从图 2.10 可看出随着斜撑与梁节点到柱梁节点距离的增加梁端竖直方向的变形变小，位移比 Y0/Y0.39=1.11、Y0/Y1.56=2.91。斜撑到梁柱节点距离越大，刚度增加越明显。装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震性能分析 12 图

44、 2.10 梁端竖直方向变形与斜支撑位置关系曲线 以 A=1.17 来查看构件在纯弯矩下的受力情况，其剪力、轴力、弯矩见图 2.11。a）剪力 b）轴力 c）弯矩 图 2.11 A=1.17 各构件在纯弯矩作用下剪力、轴力、弯矩分布 由图 2.11 可得：（1）节点外的构件均无剪力，节点内的梁有向上的剪力，柱有向左的剪力，斜撑有向右的剪力。（2）节点外的构件均无轴力，节点内的梁有受拉的轴力，柱有受拉的轴力，斜撑有受压的轴力。（3）节点外柱梁与施加的弯矩一致，节点内梁柱弯矩基本成线性变化到 0，靠近梁柱节点处出现反弯点，梁柱节点处的弯矩很小，基本可忽略，斜撑的弯矩很小。其他位置的斜撑受力情况类似

45、，斜撑弯矩小，基本属于轴力构件，梁柱节点处弯矩小，基本可忽略。2.3.2 多个斜支撑不同布置的变形分析 考虑采用多个不同位置斜撑加强节点，探究其对节点的影响，建立如图 2.12模型，柱底刚接，梁端施加垂直于平面顺时针的弯矩 105NM，变形情况如下：工程硕士学位论文 13 a）单撑 L b）L+S c）L+M d）L+M+S Y=0.015378 Y=0.015027 Y=0.015050 Y=0.014875 图 2.12 多斜支撑情况变形分析 图 2.13 梁端竖直方向变形与多斜支撑布置的关系 见图 2.13，以最大变形相对偏差来衡量即：（YL-YL+M+S）/YL+M+S=3.27%，大

46、撑内部增加斜撑对节点刚度的影响可忽略。从轴力的角度来看（图 2.14），对于双撑 L+S 大撑（L）作用最明显，小撑(S)作用次之，对于双撑 L+M+S 大撑（L）作用最明显，小撑(S)作用次之，中撑(M)作用最小。a）L+S b）L+M+S 图 2.14 多斜支撑情况轴力分布 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震性能分析 14从弯矩的角度来看（图 2.15），双撑和三撑与单撑相比，梁、柱弯矩仅在节点内有微小改变，在节点外没有改变，斜撑上弯矩都很小。a）单斜撑 L b）L+M c）L+M+S 图 2.15 多斜支撑情况弯矩分布 根据以上分析，多斜撑对节点的加强作用不明显，在实际应用中采用单斜撑

47、加强节点即可。2.3.3 斜支撑在框架不同布置的变形分析 考虑斜撑在不同位置对框架的影响，建立如图 2.16 单榀框架模型，框架底部 2 柱刚接，在左柱顶施加向右的水平力 100KN，框架变形情况如下。a）A=0 b）A=0.39 c）A=0.78 d）A=1.17 e）A=1.56 X=0.017448 X=0.014073 X=0.008439 X=0.004083 X=0.001737 图 2.16 水平力作用下斜支撑在框架不同位置的变形 注：A 为斜撑与梁节点到柱梁节点的距离，A=0 表示无斜撑，X 为框架水平方向的变形。图 2.17 水平力作用下框架变形与斜撑位置的关系曲线 从图 2

48、.17 可看出随着斜撑与梁节点到柱梁节点距离的增加框架水平方向的工程硕士学位论文 15变形变小，位移比 X0/X1.17=4.27、X0/X1.56=10.04。斜撑到梁柱节点距离越大，框架抗侧刚度增加越明显。实际应用中考虑到通道及门、窗的开洞，斜撑按 A=1.17 来布置是比较合适的。2.4 小结 装配式斜支撑加强节点型钢框架结构具有下列特点：（1）斜支撑加强节点钢框架结构体现了强节点弱构件的设计原则。（2）斜支撑加强节点的钢框架使得轴力和弯矩分布均匀，形成较均匀受力的结构，有利于构件分散承担水平力。（3）斜支撑加强节点的钢框架整体刚度大，有利于整体结构的抗震性能。（4）多个斜撑对结构刚度增

49、加不明显，通常条件下，没有必要采用多撑结构。（5）实际应用中考虑到通道及门、窗的开洞，斜撑按距柱端 1.17m 左右来布置是比较合适。装配式斜支撑加强节点型钢框架结构抗震性能分析 16 第 3 章 静力与反应谱分析 3.1 反应谱法原理 反应谱是一种线性分析方法，将动力分析简化为拟动力问题，分析量小，只需进行部分低阶振型的计算分析，可以得到较为满意的结果，结构工程师易于掌握。目前抗震计算的主要方法还是反应谱法，应用最广泛，对于地震响应分析，各国的抗震规范中都把反应谱法作为基本分析方法37。反应谱方法，位移用 表示，由粘滞阻尼体系在一般动力荷载下的反应计算的 Duhamel 积分可得到体系在 t

50、 时刻的地震反应 01()()sin()exp()dtgv tvtt=&（3-1）一般阻尼不大时，D，T2/对上式求导，得到相对速度时间历程 001()()cos()exp()d ()sin()exp()dtgtgv tvttvtt=&（3-2）求得绝对加速度时间历程 200()(21)()sin()exp()d 2()cos()exp()dtgtgv tvttvtt=&（3-3）（3-1）、（3-2）、（3-3）式得到的反应绝对值的最大值就得到位移反应谱、相对速度反应谱、加速度反应谱，记为 Sd(，)位移反应谱 Sv(，)速度反应谱 Sa(，)加速度反应谱 均为圆频率与阻尼比的函数 定义伪速