拉链柱式中心支撑钢框架结构抗震性能与设计

Based on the conventional chevron braced steel frame system, an innovative structural system, so-called zipper frames, has been quickly developed in recent years, in which a vertical member (zipper strut) is added at the brace-to-beam intersections of chevron braced steel frames. Now, comparatively little research has been performed on the seismic behavior of the zipper frames and no reasonable and practicable design procedure was proposed. This project conducts an analysis of the factors affecting the seismic behavior of zipper frames, including the zipper strut, braced column and brace design methods, and develops a preliminary design procedure. The preliminary design procedure is verified by the quasi-static test and shaking table test on the scale model of zipper frames. Based on a comprehensive consideration of both test and previous analysis results, the preliminary design procedure is refined. The influence of different beam-to-column connections and dual system design methods on the seismic behavior of zipper frames is investigated. The suggestions on the application range of zipper frames with simple beam-to-column connections in earthquake regions and the reasonable design method of the moment frame for dual system are given. Problems and solutions of this project are of great significance for improving the seismic design theory and promoting the application of the zipper frames, and some relevant conclusions also provide reference significance for the seismic design of conventional braced steel frames.

拉链柱式中心支撑钢框架结构是基于传统的人字形中心支撑钢框架结构基础上发展起来的一种新型结构体系，拉链柱即是连接每个支撑与被撑梁交点的竖向受力构件。目前，国内外有关此类体系抗震性能的研究还较少，也没有提出一套合理实用的结构设计方法。本项目首先对拉链柱式中心支撑钢框架结构中基本构件（包括拉链柱、支撑跨柱、支撑）的设计方法进行研究并提出初步的设计建议。基于结构缩尺模型的拟静力试验和振动台试验，对新提出的设计建议进行验证。综合试验及前期研究成果，对设计建议进行修正。探讨不同的梁柱连接、双重体系设计方法对拉链柱式中心支撑钢框架结构抗震性能的影响，给出梁柱铰接的此结构体系在地震区应用范围及双重体系中抗弯框架设计方法的合理化建议。本研究项目的提出及解决对完善拉链柱式中心支撑钢框架结构的抗震设计理论及推广应用具有重要意义，相关研究成果对传统的中心支撑钢框架结构的抗震设计也具有借鉴意义。

目前有关拉链柱式中心支撑钢框架结构抗震性能研究较少，国内外相关规范对此类体系抗震设计尚无明确条文，基于此，本项目对拉链柱式中心支撑钢框架结构的抗震性能开展了研究。. 考虑到罕遇地震下因支撑失稳在结构各层产生的竖向不平衡力一般不会同时达到最大值，以及被撑梁会传递一部分竖向不平衡力，提出了一种修正的悬挂拉链柱式结构体系（简写为RZBF体系）。对2个3层RZBF试验模型进行了静力推覆试验，研究了其在水平荷载下的极限承载能力、破坏机制以及各结构构件上的传力模式等。完成了一个3层单榀单跨1:4缩尺比例的RZBF模型在24个地震工况下的振动台试验，得到了结构的动力特性、位移、加速度响应以及各结构构件的受力状态等。静力推覆试验及振动台试验发现结构破坏机制合理，各构件传力过程与设计初衷基本一致。即使8度抗震设防时梁柱按铰接设计，RZBF结构也可具有较好的抗震性能。静力推覆试验及振动台试验的数值模拟结果与试验结果基本吻合，说明所建立的数值模型较合理。. 设计了3、6、10、12、15、18层梁柱铰接RZBF结构算例，并与梁柱铰接的悬挂拉链柱式中心支撑钢框架结构体系（简写为SZBF体系）算例的自振特性、用钢量、多遇及罕遇地震下的动力响应等指标进行了比较。总体上，RZBF算例顶层支撑、拉链柱、支撑跨柱等截面利用率更高，抗震性能更优。这进一步表明，只要设计合理，梁柱铰接的RZBF体系可以在8度抗震设防区应用。. 基于删掉支撑的抗弯框架按任一层能独立承担结构层剪力25%（Ci算例）或基底剪力的25%（Ji算例）两种思路，设计了两类3、6、10、12、15、18层RZBF双重体系算例。两类算例多遇及罕遇地震下的动力响应分析结果表明，一旦支撑失效且失效时间较早，Ji算例明显体现出了较优的抗震性能。建议RZBF双重体系中抗弯框架的调整加强，宜按照删掉支撑的抗弯框架任一层能独立承担结构基底剪力的25%来进行。. 本项目研究成果可为完善拉链柱式中心支撑钢框架结构体系在我国的工程实践、相关规范制定提供参考。