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Y型偏心支撑钢框架受力性能有限元分析

姜作杰;章梓茂

【摘要】建立了四种Y型偏心支撑钢框架有限元模型,对平面模型框架和三种空间

模型框架进行了单向加载和循环加载试验,并对比分析了模型框架的屈服强度、极

限承载力、侧向刚度、延性和耗能能力等方面的受力性能差异,得到的结果为工程

设计提供了参考.

【期刊名称】《山西建筑》

【年(卷),期】2014(040)030

【总页数】3页(P49-51)

【关键词】Y型偏心支撑;空间框架;有限元;受力性能

【作者】姜作杰;章梓茂

【作者单位】呼伦贝尔学院建筑工程学院,内蒙古海拉尔021008;北京交通大学土

木建筑工程学院,北京100044

【正文语种】中文

【中图分类】TU311

偏心支撑钢框架结构是主要应用于抗震设计的一种结构形式，其具有较大的弹性刚

度和良好的抗震性能。近年来，国内外学者对偏心支撑钢框架进行了大量的试验和

数值分析，得到了具有实际意义的结果，很多结论在工程方面得到了广泛应用，但

多数的研究都是利用平面模型进行的。为了更加接近建筑结构实际的受力状态，利

用ANSYS11.0工程软件建立了三种不同平面外支撑情况的空间Y型偏心支撑钢框

架，与平面Y型偏心支撑钢框架进行了对比分析。四种模型框架分别是平面Y型

框架(见图1a))、普通空间Y型框架(见图1b))、侧向直撑空间Y型框架(见图1c))

和侧向斜撑空间Y型框架(见图1d))，分析时考虑材料非线性性能，分析方法采用

有限元法。研究四种模型框架的整体受力性能，通过数值模拟，分析三层钢框架在

单向荷载和循环荷载情况下行为特征，重点分析了Y型偏心支撑钢框架的屈服强

度、极限承载力、延性、刚度和耗能能力等。

1.1试件的几何尺寸

根据前人对Y型偏心支撑钢框架的研究成果，按照典型剪切屈服型模型来确定模

型框架及各构件的几何尺寸[1，2]。其中，模型框架层高设计为3.6m，跨度为6

m，空间框架进深取4m，设计3层；梁、柱和支撑均采用H型钢，梁截面采用

H350×250×9×14，柱截面采用H450×300×11×18，支撑采用

300×200×8×12，Y型偏心支撑框架耗能段截面采用H500×200×10×16，耗能

段高取500mm，所有结点均假设为理想的刚性连接形式。

1.2有限元单元的选取及网格划分

Y型偏心支撑钢框架在罕遇地震作用下耗能梁段腹板首先屈服进入塑性，这种耗能

段的塑性变形是Y型偏心支撑钢框架耗能的主要方式，这样耗能段将会产生很大

的塑性变形，为了研究更为详细准确，模型框架的网格划分采用三维八结点实体单

元Solid45，这种实体单元支持材料塑性、徐变、应力硬化、大应变和大变形，网

格划分采用自由划分方式，这样能划分出比较连续的网格，单元节点的力和力矩也

能够很好地传递[3]。

1.3定义材料参数

模型框架中各构件的材质均采用Q235钢，焊条采用E43型焊条。钢材的弹性模

量为E=2.06×105MPa，切线模量为Et=0.02E，泊松比μ=0.3。模型框架在单向

荷载作用时采用服从Von-Mises屈服准则的多线性随动强化本构模型。考虑到钢

材在循环荷载作用下没有明显的屈服平台，在计算循环荷载作用下的响应时，参照

EI-Tawil等人[4]的方法，取极限荷载点与屈服点连线的材料斜率作为强化模量，

采用考虑应变强化和带有下降段的三折线模型，以考虑在循环荷载作用下钢材的

Bauschinger效应。根据试验统计资料，钢材性能参数如表1所示。

1.4边界条件、加载制度和破坏准则

1)边界条件。为了使模型框架的受力状态更接近实际工程结构的工作情况，假定模

型框架柱脚与地面为理想刚接，并在柱顶施加了0.4Ny(Ny为柱全截面屈服时所能

承受的压力)的轴力。(见图2)。另外由于水平集中荷载作用在柱顶翼缘板上，为避

免发生应力集中或局部变形过大，将顶层梁端部位置柱侧面的节点沿水平荷载的施

加方向的自由度UX耦合在一起，如图3所示。

2)加载制度。进行结构静力分析时，参照GBJ101-96建筑抗震试验方法规程[5]

中的有关规定，在梁端以集中力的形式对Y型偏心支撑框架施加单向水平荷载，

加载方式如图4所示。根据单向荷载下的荷载位移曲线计算结构的塑性位移Δy，

采用“通用屈服弯矩法”(G.Y.M.M)[6]来确定结构的屈服点。循环加载时按照如下

加载方式：Δy/2，Δy，2Δy，3Δy，4Δy，5