偏心支撐抗側(cè)力體系分析的論文
摘要：采用ANSYS大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件，研究了偏心支撐抗側(cè)力框架在水平荷載作用下的性能，重點(diǎn)放在具有建筑布置優(yōu)勢的大偏心支撐框架。通過有限元理論計(jì)算，將理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,總結(jié)了耗能梁長度、高跨比對(duì)偏心支撐體系強(qiáng)度，剛度，滯回性能的影響。
關(guān)鍵詞：偏心支撐抗側(cè)力體系水平力作用有限元
1前言
偏心支撐體系兼顧了純框架結(jié)構(gòu)與框架中心支撐體系的優(yōu)點(diǎn)。在正常使用階段，它具有較大的剛度，結(jié)構(gòu)側(cè)移較��；在大地震作用下，利用耗能梁段的塑性變形吸收能量，具有很好的耗能效果。偏心支撐抗側(cè)力體系適用于抗震設(shè)防烈度為8、9度的，4層～12層的多層鋼結(jié)構(gòu)住宅。本文采用試驗(yàn)與有限元分析的方法，研究了偏心支撐抗側(cè)力框架在水平荷載作用下的性能，重點(diǎn)放在具有建筑布置優(yōu)勢的大偏心支撐框架。
2計(jì)算模型
試驗(yàn)研究了兩榀耗能梁長度e不同的K形偏心支撐框架，在水平循環(huán)往復(fù)荷載作用下的破壞過程。每榀框架具有相同的梁柱截面尺寸、加載位置和約束條件。分析采用目前非線性分析中常用的VonMises等向強(qiáng)化準(zhǔn)則，材料本構(gòu)關(guān)系取理想彈塑性模型，初始彈性模量取2E5MPa，材料屈服強(qiáng)度為306MPa。
有限元分析以試驗(yàn)框架為分析原型，采用兩種計(jì)算模型：塑性梁單元平面模型，塑性殼單元空間模型。平面模型采用塑性梁單元BEAM23。由于試驗(yàn)框架柱高度小，必須考慮柱腳加勁肋對(duì)框架柱的平面內(nèi)水平方向的約束作用。塑性殼單元空間模型。偏心支撐采用塑性直管單元PIPE20；框架梁柱，地梁采用收斂性較好的塑性殼單元SHELL181�？臻g模型中，用8個(gè)加勁肋模擬了地梁對(duì)試驗(yàn)框架的.約束作用，同樣考慮了柱腳加勁肋對(duì)框架柱平面內(nèi)的約束作用。
3理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的比較
將其中一榀試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定的試驗(yàn)框架，彈性階段的試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算進(jìn)行比較。
3.1彈性階段荷載－位移曲線的比較
彈性階段試驗(yàn)框架理論值與試驗(yàn)值的比較：
(1)試驗(yàn)值與理論分析結(jié)果接近。塑性殼單元模型與試驗(yàn)結(jié)果十分吻合，誤差均在5％以內(nèi)；塑性梁單元模型誤差在10％左右。
(2)理論值略小于試驗(yàn)值，這是由于理論分析出于建模方便的考慮忽略了偏心支撐與框架梁節(jié)點(diǎn)板以及部分加勁肋的作用。
彈性階段理論值與試驗(yàn)值的比較.測點(diǎn)1應(yīng)力比較
3.2彈性階段的應(yīng)力比較
彈性階段理論值與試驗(yàn)值的比較：
(1)由于現(xiàn)場試驗(yàn)條件、試件加工、試驗(yàn)手段等外部的原因，試驗(yàn)記錄的應(yīng)力－位移曲線呈不穩(wěn)定上升狀態(tài)；而理論分析忽略了外部條件的影響，應(yīng)力－位移曲線平滑、穩(wěn)定。
(2)試驗(yàn)值與理論值基本吻合。塑性殼單元模型與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在10％以內(nèi)；塑性梁單元模型誤差也在20％以內(nèi)。
4偏心支撐框架的性能研究
通過試驗(yàn)與理論的對(duì)比可知，理論結(jié)果與試驗(yàn)值接近。我們可以采用有限元工具，進(jìn)一步研究耗能梁長度、框架的高跨比等因素對(duì)偏心支撐的性能以及滯回耗能的影響。
4.1單向水平荷載作用下的偏心支撐框架的性能
分析采用和試驗(yàn)框架相同的塑性殼單元模型，主要研究耗能梁長度、高跨比對(duì)偏心支撐結(jié)構(gòu)彈性階段以及進(jìn)入塑性破壞的影響。
為了使結(jié)構(gòu)的非線性分析，得到獲得一個(gè)好的解，本文在水平力單向加載過程采用以下措施：(1)采用自動(dòng)時(shí)間步長控制子步數(shù)：試驗(yàn)結(jié)構(gòu)是從線性變化到非線性，激活自動(dòng)時(shí)間步長，可以根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)的非線性部分變化時(shí)間步長，獲得精度和代價(jià)之間的良好平衡；(2)使用二分法：無論何時(shí)打開自動(dòng)時(shí)間步長，二分法都會(huì)被自動(dòng)激活二分法提供了一種對(duì)收斂失敗自動(dòng)矯正的方法。只要平衡迭代收斂失敗，二分法將把時(shí)間步長分為兩半，然后從最后收斂的子步自動(dòng)重啟動(dòng)。如果已二分的時(shí)間步再次收斂失敗，二分法將再次分割時(shí)間步長，然后再啟動(dòng)。持續(xù)這一過程直到獲得收斂或達(dá)到指定的最小時(shí)間步長;（3）使用小的時(shí)間步長；（4）對(duì)于材料的非線性分析，用水平位移代替水平力，結(jié)構(gòu)的收斂性較好；（5）增加網(wǎng)格密度。
(1)偏心支撐彈性階段的剛度：耗能梁的長度決定偏心支撐彈性階段的剛度，高跨比對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度影響很小。隨著耗能梁長度的增加，彈性階段的剛度基本上呈直線段下降。對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為，e/L(耗能梁的長度/框架的跨度)每增加0.1，彈性階段的剛度約減少20％。這一結(jié)論對(duì)于結(jié)構(gòu)方案選擇的判斷是有用的。
(2)總體來說，高跨比小、耗能梁短的偏心支撐結(jié)構(gòu)具有更高的水平極限承載能力。對(duì)于0.5>e/L>0.3的彎曲型耗能梁－偏心支撐框架,高跨比對(duì)結(jié)構(gòu)的極限水平荷載的影響很小，主要由耗能梁的長度決定；對(duì)于民用結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為，e/L每增加0.1，結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的水平極限承載力減少10％。
4.2循環(huán)水平荷載作用下的偏心支撐框架的性能
本節(jié)分別采用塑性梁單元、塑性殼單元計(jì)算分析了試驗(yàn)框架在循環(huán)水平荷載作用下的塑性滯回性能。施加水平位移為循環(huán)荷載。
由于循環(huán)加載不易收斂，以下措施可以加強(qiáng)塑性梁單元模型的收斂：（1）減少每個(gè)荷載步的子步數(shù)；（2）自動(dòng)劃分步長（Autots，on）；（3）自動(dòng)劃分單元格（smrt）；（4）由于循環(huán)迭代次數(shù)多，默認(rèn)的輸出文件數(shù)不能夠滿足輸出的要求，利用config命令增加輸出文件總數(shù)。以下措施可以加強(qiáng)塑性殼單元模型收斂：（1）自動(dòng)劃分單元網(wǎng)格（smrt）；（2）降低收斂準(zhǔn)則；（3）增加荷載步的最大子步數(shù)。
試驗(yàn)框架的塑性梁單元模型滯回曲線，試驗(yàn)框架塑性殼單元模型滯回曲線�？芍�
(1)兩種模型的滯回耗能計(jì)算值十分吻合，相差在5％以內(nèi)；
(2)相對(duì)于塑性殼單元模型，塑性梁單元模型計(jì)算速度快、計(jì)算結(jié)果與塑性殼單元模型接近。因此，采用塑性梁單元模型研究偏心支撐框架在循環(huán)荷載作用下的塑性滯回耗能性能。
e/L>0.2的偏心支撐框架累積滯回耗能的比較�？芍�
(1)偏心支撐框架滯回曲線飽滿，說明這種結(jié)構(gòu)具有很好的滯回性能。
(2)對(duì)于偏心支撐框架，高跨比大、耗能梁長度短的結(jié)構(gòu)具有更好的塑性滯回耗能效果。
5.結(jié)論
5.1計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，計(jì)算模型是正確的，計(jì)算結(jié)果是可信的。
5.2對(duì)于e/L>0.3的彎曲型耗能梁－偏心支撐框架，耗能梁的長度是決定偏心支撐結(jié)構(gòu)彈性階段剛度、極限水平承載力。
5.3對(duì)于偏心支撐框架，高跨比大、耗能梁長度短的結(jié)構(gòu)具有更好的塑性滯回耗能效果。
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