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钢框架隅撑位置优化设计

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年4月上作者：李深

[导读] 通过ANSYS有限元软件对某建筑单层结构进行模拟加载，观察结构的破坏过程，对隅撑位置进行优化，分析优化前后的侧向刚度和滞回曲线。研究结果表明：隅撑作为结构的耗能构件率先屈服进入塑性阶段，通过塑性变形来耗散能量，以此保护结构主体构件梁和柱，从而避免结构过早的破坏。

河北建筑工程学院李深

摘要：通过ANSYS有限元软件对某建筑单层结构进行模拟加载，观察结构的破坏过程，对隅撑位置进行优化，分析优化前后的侧向刚度和滞回曲线。研究结果表明：隅撑作为结构的耗能构件率先屈服进入塑性阶段，通过塑性变形来耗散能量，以此保护结构主体构件梁和柱，从而避免结构过早的破坏。优化后结构侧向刚度略微增大，均比纯框架结构大5倍以上，符合规范中对无侧移支撑框架侧向刚度的要求，并且滞回曲线更为饱满，优化后塑性应变能提高了大约10%左右，而且极限值略微增加，耗能性能更好。
关键词：隅撑；位置优化；塑性应变能
        0引言
        纯钢框架结构虽然其延性性能较好，但是其侧向刚度不足，在地震作用下过早的发生大变形不能充分发挥各构件的性能，框架--支撑结构应运而出，它们耗能能力强，为结构提供一个“保险丝”[1]。隅撑支撑钢框架体系，作为一种新型的消能框架支撑体系，具有延性好、抗侧移刚度大、震后容易修复等优点[2]。苏大伟[3]采用MTS电液伺服加载系统及其控制软件对缩尺比例为1/3的两层隅撑钢框架结构模型进行模拟低周反复荷载试验，研究这种隅撑钢框架结构形式的抗震性能。但是当前的研究只是讨论隅撑位置对结构侧向刚度的影响，通过枚举法进行对比，因此对结构进行优化具有重要的研究意义。
        本文在国内外已有研究的基础上，针对隅撑的安装位置进行了讨论，采用ANSYS有限元软件对其进行优化分析，得到优化结果，对比结构滞回曲线和侧向刚度验证优化的正确性。
        1模型建立
        本文以徐超[4]试验模型的原型为例进行位置优化，采用ANSYS软件进行模拟，进行有限元分析，原型结构为钢框架结构，总计有七层，层高均为4m，整个结构总高度为28m，平面尺寸6m×6m，梁柱均采用Q235钢，梁截面类型为H型钢HN400×200×8×13，柱的截面类型为H型钢HW400×400×18×18，楼板厚度为120mm，混凝土强度等级为C25。

        2结构优化
        2.1建立优化模型
        2.1.1设计变量（DV）

        2.2具体优化过程
        以初始数据作为优化的初始序列进行优化，设定为零阶方法，在零阶方法优化的结果中选取最优解进行一阶优化。目标函数随着迭代次数的增加呈减小的趋势，各参数在合理范围内随优化次数增加逐渐收敛于最优点。
       2.3结果分析
        通过零阶方法和一阶方法对结构进行优化后计算，计算结果如下表：

其中：Sig1、Sig2——分别为梁柱支撑中的最大值、最小值的绝对值
        从表中可以看出，经过优化计算后梁柱支撑的最大和最小正应力趋于相等，优化前梁端已经发生了少许的塑性应变，优化后梁柱支撑完全处于弹性状态，减缓塑性应变的发生，并且优化后塑性应变能提高了大约10%左右，说明了优化是有效的，提升了结构的安全性，具有一定的实用价值。
        2.3.1侧向刚度优化前后对照
        对比优化前后结构的侧向刚度，优化后模型侧向刚度有所增加，加隅撑后侧向刚度均比纯框架结构大5倍以上，符合规范中对无侧移支撑框架侧向刚度的要求。

        2.3.2 滞回曲线优化前后对照
        通过对比优化前后结构的滞回曲线，可以发现优化后的曲线更为饱满，而且极限值略微增加，耗能性能更好。
        3结语
        通过以上的模拟和分析，可知：
        优化后框架与优化前相比，侧向刚度略微增大，均比纯框架结构大5倍以上，符合规范中对无侧移支撑框架侧向刚度的要求。通过对比优化前后结构的滞回曲线，可以发现优化后的曲线更为饱满，优化后塑性应变能提高了大约10%左右，而且极限值略微增加，耗能性能更好。
参考文献
[1]黄金桥等.新型抗震体系隅撑支撑框架结构研究[J].四川建筑科学研究,2011,37(3),146-150
[2]张云等.支撑对结构动力性能影响的研究综述[C].天津大学、天津市钢结构学会.第十六届全国现代结构工程学术研讨会论文集.2016.
[3]苏大伟.低周反复荷载作用下隅撑钢框架结构的性能研究[D].陕西:西安建筑科技大学,2010.?
[4]徐超.隅撑支撑钢框架结构抗震性能分析[D]. 内蒙古:内蒙古工业大学,2013.