CN115408741A - 可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，包括：以传统梁柱刚接的钢框架结构模型为依据，确定竖向荷载作用下框架梁的弹性弯矩分布，确定可更换耗能节点的初步位置；确定可更换耗能节点的屈服弯矩M_y及防屈曲支撑极限承载力，以此设计防屈曲支撑的连接段及其长度；确定可更换耗能节点的变形需求，并由节点变形需求确定防屈曲支撑的屈服段长度下限；确定防屈曲支撑的弹性轴向刚度需求；由防屈曲支撑的屈服轴力、弹性刚度和屈服后刚度确定可更换耗能节点的弯矩‑转角本构关系，能解决可更换耗能节点由于刚度削弱引起的转动刚度不明确及由此引起的结构内力分析困难等问题，能对基于梁上翼缘转动机制的可更换钢框架节点进行抗震设计。

Description

可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法

技术领域

本发明涉及建筑结构抗震领域，具体涉及基于梁上翼缘转动机制的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法。

背景技术

钢结构因其轻质高强以及装配化、绿色化等优点在国内外得到了广泛应用，也是我国建筑工业化大力发展的重要方向。钢框架结构是最基本的抗震钢结构体系之一，但以往震害表明，钢框架梁-柱节点因存在焊接热影响和应力集中而容易发生脆性断裂，而地震中产生的梁端部塑性损伤也为结构的震后修复带来困难。如何建设具有良好抗震性能和震后可恢复性能的抗震韧性结构已成为抗震韧性城市建设的重要内容。其中，可更换钢框架节点的问世为实现结构震后功能的快速恢复提供了可能，其通过在梁柱交界面或钢梁上设置可更换耗能构件形成可更换耗能节点，把结构地震层间变形转换为节点的转角变形，再把转角变形转换为线位移，进而驱动耗能构件变形并耗散地震能量。地震后可根据修复需要，对耗能构件实施更换，而梁柱主体结构保持弹性并继续使用，同时兼顾了结构震时抗震性能和震后可恢复性能的双重目标。

关于节点的变形机制，目前主要有以梁截面形心为转动中心和以梁上翼缘为转动中心的两种变形模式(分别如图1、图2)。如由赵俊贤等在中国授权发明专利CN106320517B中公开的“震后可替换的上端悬挂式钢框架耗能梁柱节点”为以梁上翼缘为转动中心，该节点具有以下优点：

1)梁转动中心上移可在相同的梁相对转角下(如图1、2中的θ_G)放大可更换耗能构件的变形需求(如图1、2中Δ₂＝2Δ₁)，从而增大节点的抗弯刚度和耗能能力；

2)梁转动中心上移可有效释放梁顶楼板设置对节点的转动约束，并减小由于节点转动引起的楼板开裂，有利于提高节点耗能曲线的对称性、稳定性以及楼板的震后可修复性；

3)梁截面形心转动机制所产生的节点开合变形同时存在于梁顶和梁底，其中梁顶由于楼板的存在不便于设置可更换耗能构件，也由于楼板的阻碍限制了该构件震后更换的可实施性；而与其相反，梁上翼缘转动机制可把节点开合变形转移至梁底部，该位置由于不存在楼板阻碍，便于可更换耗能构件的布置和震后更换。

在可更换耗能构件选择上，可采用经小型化处理的金属、摩擦、粘滞、粘弹性等阻尼器。其中，由于金属阻尼器的材料性能稳定，力学性能容易预测，是未来可更换耗能构件的主要发展方向。在耗能原理方面，金属阻尼可更换耗能构件可采用拉压屈服、弯曲屈服、剪切屈服等耗能机制，其中拉压屈服形式具有力学模型简单、轴向刚度大、耗能能力充分等优点，能最大程度地发挥出可更换耗能构件的抗震性能，因此拉压屈服型金属阻尼器在未来可恢复功能结构中将具有广阔的应用场景。

我国建筑抗震设计目前采用两阶段设计方法，即在多遇地震阶段(简称小震)对结构进行弹性内力分析并对构件进行弹性阶段的承载力设计，在罕遇地震阶段(简称大震)对结构进行弹塑性分析并校核各楼层的层间变形。对于基于梁上翼缘转动机制的可更换钢框架节点，由于其在节点变形机制、内力传递方式、耗能机制、可恢复机制等方面的改变，导致此类新型节点的设计流程与我国当前的抗震设计方法不匹配，存在着节点刚度削弱、节点转动刚度和本构模型不明确、节点的竖向内力与地震内力相耦合等突出问题难以解决，严重阻碍了此类新型结构的工程应用。因此，需针对此类节点的独特工作机制，提出一种与我国现有抗震设计思路相一致的可更换耗能钢框架节点两阶段抗震设计方法，对提升单体建筑的抗震韧性并早日实现抗震韧性城市做出贡献。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出以梁上翼缘为转动中心的可更换耗能钢框架节点两阶段抗震设计方法。

为了实现本发明目的，本发明提供的可更换耗能钢框架节点两阶段抗震设计方法，包括以下步骤：

步骤1：确定竖向荷载作用下框架梁的弯矩分布，以竖向荷载作用下钢框架梁的弯矩零点为依据确定可更换耗能节点的初步位置，并允许在初步位置基础上往相邻柱一侧产生预设偏移量α的位置处作为可更换耗能节点的实际位置；

步骤2：确定可更换耗能节点的屈服弯矩M_y，以及防屈曲支撑极限承载力，以此设计防屈曲支撑的连接段及其长度；

步骤3：假定梁柱各段为刚体，根据可更换耗能钢框架节点的结构几何特征，确定结构变形、节点转角、防屈曲支撑变形之间的关系，确定可更换耗能节点的变形需求，并由节点变形需求确定防屈曲支撑的屈服段长度下限；

步骤4：建立可更换耗能节点刚度需求计算的基本假定和分析方法，基于所述基本假定和分析方法确定防屈曲支撑的弹性轴向刚度需求，其中防屈曲支撑的弹性轴向刚度需求值为：

其中，K_req为防屈曲支撑的弹性轴向刚度需求值，E为钢材的弹性模量，A_ave为防屈曲支撑的等效截面面积，l_B为防屈曲支撑的等效长度，I_b为悬臂梁段与中间梁段的截面惯性矩，l₂为近柱侧一端的防屈曲支撑连接段中心至其邻侧拼接口的水平距离，l₃为远离柱侧一端的防屈曲支撑连接段中心至其邻侧拼接口的水平距离，l₄为远离柱侧一端的防屈曲支撑连接段中心至梁中心位置的水平距离，h₁为抗剪连接形心到梁轴线的竖向距离，h₂防屈曲支撑轴线到梁轴线的竖向距离，d为可更换耗能节点处相邻梁段之间的拼接间隙，K_B，E为防屈曲支撑的弹性轴向刚度计算值，K_Be为防屈曲支撑连接段轴向刚度，K_By，E为防屈曲支撑屈服段弹性轴向刚度，β＝0.95～1.05为轴向刚度需求调整系数，l_Be为防屈曲支撑连接段有效长度，l_By为防屈曲支撑屈服段长度，A_Be为防屈曲支撑连接段截面面积，A_By为防屈曲支撑屈服段截面面积。

步骤5：根据剪力与轴力需求，进行抗剪连接设计；

步骤6：对梁端部进行地震损伤控制验算；

步骤7：由防屈曲支撑的屈服轴力、弹性刚度和屈服后刚度确定可更换耗能节点的弯矩-转角本构关系。

进一步地，步骤1中所述预设偏移量α的取值不超过初始位置的20％。

进一步地，步骤1中，当预设偏移量为α时，满足：

d_off＝l_a0-l_ac

d_off≤αl_a0

式中，d_off为可更换耗能节点布置位置的允许偏移量，l_a0为传统梁柱刚接结构的框架梁在竖向荷载作用下的弯矩零点到柱轴线的距离，l_ac为可更换耗能节点的实际布置位置到柱轴线距离。

进一步地，步骤2具体包括以下子步骤：

建立结构模型，在结构模型上施加竖向荷载和水平地震荷载共同作用；

对小震阶段的结构进行竖向和水平荷载共同作用下的弹性内力分析，以小震作用下可更换耗能节点实际布置位置的弯矩设计值M₀为依据确定该节点的屈服弯矩M_y和防屈曲支撑的屈服段截面面积：

M_y＝1.05～1.1M₀

F_By＝0.95～1.05M_y/(h₁+h₂)

A_By＝F_By/f_By

根据防屈曲支撑的设计要求，估算防屈曲支撑其余各段截面面积及极限承载力：

A_Be＝2.5A_By

F_B，max＝ωF_By

式中，F_By为防屈曲支撑的总屈服轴力，h₁+h₂为防屈曲支撑轴线与节点转动中心之间的竖向高度差，F_By为防屈曲支撑屈服段钢材的屈服强度平均值，A_By为防屈曲支撑的屈服段截面总面积，F_B，max为防屈曲支撑的极限承载力，A_Be为防屈曲支撑的连接段截面总面积，ω为防屈曲支撑的屈服段钢材考虑应变硬化和摩擦力综合影响的强化系数；

根据防屈曲支撑的极限承载力确定根据防屈曲支撑的连接段所需螺栓数量，并确定连接段长度l_Be。

进一步地，步骤3中，限制可更换耗能节点的最大变形量不超过3％，即：

Δ_B＝θ_G(h₁+h₂)

d＝1.5Δ_B

其中，θ_G为可更换耗能节点的刚体转角；θ为结构在大震下的层间位移角限值，对框架结构取2％；l_ac为可更换耗能节点到框架柱轴线的距离；l_b为同一根框架梁上所布置的两个可更换耗能节点之间的距离；Δ_B为防屈曲支撑的轴向变形，h₁+h₂为防屈曲支撑轴线与节点转动中心之间的竖向高度差；l_By为防屈曲支撑的屈服段长度；d为可更换耗能节点处相邻梁段之间的拼接间隙。

进一步地，步骤4中所述基本假定和分析方法为：

从梁-柱交界面至地震作用下梁反弯点范围内取出含可更换耗能节点的钢框架梁作为隔离体进行分析，其中梁-柱交界面处视为固接，在梁反弯点处作用有竖向单位力，用于计算钢梁的竖向挠度f_N；

把以梁上翼缘为转动机制的可更换耗能节点的实际构造等效成简化力学模型，忽略梁上翼缘抗剪连接的轴向变形和抗弯刚度在小震弹性阶段的贡献，假定抗剪连接的中点为铰接，其左右侧分别通过竖向刚性臂与钢梁轴线刚性连接，刚性臂之间的水平间距取为梁段间隙，采用等效二力杆作用于防屈曲支撑的屈服段截面轴线，并在防屈曲支撑连接段与梁翼缘连接处设置刚性臂与梁轴线刚性连接，此刚性臂再与等效二力杆铰接，实体梁段均在梁轴线处采用具有一致抗弯刚度的梁单元建模；

建立与含可更换耗能节点钢框架梁具有相同截面、跨度、边界条件和荷载的传统钢框架梁，通过梁反弯点处作用单位力下的竖向挠度相等确定可更换耗能节点的刚度需求。

进一步地，为简化计算，在计算含可更换耗能节点的钢框架梁弹性变形时，仅考虑防屈曲支撑区域和抗剪连接区域范围内的区段变形，令该区段由可更换耗能构件轴向变形引起的梁反弯点竖向挠度与传统钢框架梁在相同区段内的弯矩差值在梁反弯点引起的竖向挠度相等，确定防屈曲支撑的轴向弹性刚度需求。

进一步地，步骤4中，不断调整防屈曲支撑的屈服段长度l_By，从而调整其轴向刚度，使之与需求匹配，并校核使得节点在竖向荷载下的弯矩设计值不超过节点极限抗弯承载力的30％的要求，即满足：

N_u＝1.1F_B，max(h₁+h₂)

其中，M为竖向荷载作用下钢框架梁在可更换耗能节点位置的弯矩值，M_u为可更换耗能节点极限抗弯承载力，h₁+h₂为防屈曲支撑轴线与节点转动中心之间的竖向高度差，F_B，max为防屈曲支撑的极限承载力。

进一步地，步骤6中，考虑竖向荷载和地震作用的共同影响，令可更换耗能钢框架节点处塑性铰完全发展充分，且位于梁-柱交界面的梁端部处于弹性状态：

M_u+(V_u+V_g)l_a≤M_yb

N_u＝1.1F_B，max(h₁+h₂)

V_u＝2M_u/l_b

V_g＝F_g/2

其中，M_u为可更换耗能节点的极限抗弯承载力，V_u为地震作用下由于可更换耗能节点完全发展塑性而产生的梁剪力，V_g为竖向荷载在可更换耗能节点处产生所产生的梁剪力，l_a为可更换耗能节点到相邻梁柱交界面的距离，M_yb为梁-柱交界面处的梁端屈服抗弯承载力，F_B，max为防屈曲支撑的极限承载力，h₁+h₂为防屈曲支撑轴线与节点转动中心之间的竖向高度差，Fg为可更换耗能节点钢框架梁所承担的由竖向荷载引起的竖向力，l_b为中间梁段的长度。

进一步地，步骤7所述弯矩-转角本构关系为：

K_E＝K_B，E(h₁+h₂)²

K_P＝γK_B，P(h₁+h₂)²

M_y＝f_ymA_By(h₁+h₂)

其中，K_E为可更换耗能节点的弹性转动刚度，K_B，E为防屈曲支撑的弹性轴向刚度计算值，h₁为抗剪连接形心到梁轴线的竖向距离，h₂防屈曲支撑轴线到梁轴线的竖向距离，K_P为可更换耗能节点的屈服后转动刚度，K_B，P为防屈曲支撑的屈服后轴向刚度，K_By，P为防屈曲支撑屈服段的屈服后轴向刚度，γ为考虑抗剪连接抗弯承载力贡献的放大系数，K_Be为防屈曲支撑连接段轴向刚度，E_P为防屈曲支撑屈服段钢材的屈服后切线模量，f_ym为为防屈曲支撑芯板屈服段钢材的实测强度平均值，A_By为防屈曲支撑屈服段截面面积。

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

1)提出与传统刚接钢框架梁的等刚度设计原则，确定可更换耗能节点的弹性转动刚度需求和可更换耗能构件的弹性轴向刚度需求，令可更换钢框架结构与相同梁柱截面的传统钢框架结构保持相同的弹性刚度特性，保证两种结构具有一致的弹性动力特性和弹性内力，以便两种结构在第一阶段抗震设计共用相同的结构分析模型，解决可更换耗能节点由于刚度削弱引起的转动刚度不明确以及由此引起的结构内力分析困难等问题；

2)提出可更换耗能节点的弯矩-转角本构关系简化预测方法，明确该节点的弹性转动刚度、屈服弯矩、屈服后刚度、抗弯承载力等关键力学参数的计算方法，如此设置，可采用常规分析软件中针对传统结构定义的集中塑性铰方式，仅需输入可更换耗能节点的弯矩-转角力学参数后，便可开展可更换钢框架结构的第二阶段弹塑性抗震分析。

附图说明

图1为以梁截面型心为转动中心的节点变形模式示意图。

图2为以梁上翼缘为转动中心的节点变形模式示意图。

图3(a)为可更换耗能钢框架节点爆炸示意图。

图3(b)为可更换耗能钢框架节点组装后示意图。

图4为从整体结构中取出隔离体分析的示意图。

图5为可更换耗能钢框架节点的力学简图。

图6为可更换钢框架梁变形示意图。

图7为传统钢框架梁变形示意图。

图8为传统框架梁与可更换框架梁弯矩差值示意图。

图9为竖向荷载下梁反弯点示意图。

图10可更换耗能节点实际布置位置弯矩示意图。

图11防屈曲支撑内芯截面(一字型截面)示意图。

图12可更换耗能节点框架其结构-节点变形关系示意图。

图13竖向荷载作用下可更换耗能节点区域弯矩示意图。

图14本发明确定的可更换耗能节点弯矩-转角本构关系示意图。

图15本发明其中一个实施例设计流程示意图。

图16本发明其中一个实施例示意图。

图17本发明其中一个实施例防屈曲支撑内芯示意图。

图18本发明其中一个实施例的可更换耗能节点弯矩-转角关系的理论值与计算机仿真值对比示意图。

图19本发明其中一个实施例与采用传统梁柱焊接节点的组合体弹性抗侧刚度对比图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体工程的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

本发明实施例在可更换耗能钢框架节点工作原理基础上，进一步提出符合我国抗震设计思路的可更换钢框架节点两阶段抗震设计方法。此类节点以梁上翼缘作为转动中心，在梁底部设置防屈曲支撑(拉压屈服型金属阻尼器)作为可更换耗能构件。如图3，给出了此类节点的一个示例。

为便于计算可更换耗能节点和可更换耗能构件的刚度需求，本发明提出如图5所示的可更换钢框架梁力学简图，并采用以下基本假定和分析方法：

1.从梁-柱交界面至地震作用下梁反弯点(假定为梁长度方向的中点)范围内取出含可更换耗能节点的钢框架作为隔离体进行分析，其中梁-柱交界面处视为固接，在梁反弯点处作用有竖向单位力，用于计算钢梁的竖向挠度f_N；

2.把以梁上翼缘为转动机制的可更换耗能节点的实际构造等效成简化力学模型，忽略梁上翼缘抗剪连接的轴向变形和抗弯刚度在小震弹性阶段的贡献，假定抗剪连接的中点为铰接，其左右侧分别通过竖向刚性臂(图5中的IC、JD)与钢梁轴线刚性连接，刚性臂之间的水平间距取为梁段间隙，采用等效二力杆(图5中的GH)作用于防屈曲支撑的屈服段截面轴线，并在防屈曲支撑连接段与梁翼缘连接处设置刚性臂(图5中的BG、EH)与梁轴线刚性连接，此刚性臂再与等效二力杆铰接，实体梁段均在梁轴线处采用具有一致抗弯刚度的梁单元建模。抗剪件的轴向刚度远大于防屈曲支撑刚度且可认为无穷大，通过把刚性臂移至梁段拼接口处，可以大大简化可更换耗能节点的计算模型。

3.建立与含可更换耗能节点钢框架梁具有相同截面、跨度、边界条件和荷载的传统钢框架梁(如图7所示)，通过梁反弯点处作用单位力下的竖向挠度相等(即f_N＝f_NT见图6、图7)确定可更换耗能节点的刚度需求，为简化计算，无需计算整个钢梁长度范围内弯矩引起的梁端竖向挠度，在计算含可更换耗能节点的钢框架梁弹性变形时，仅考虑防屈曲支撑区域和抗剪连接区域范围内(即图5中GH范围内)的区段变形，令该区段由可更换耗能构件轴向变形引起的梁反弯点竖向挠度与传统钢框架梁在相同区段内(见图7中BE段)的弯矩差值(见图8的阴影部分)在梁反弯点引起的竖向挠度相等，确定防屈曲支撑的轴向弹性刚度需求，以此刚度需求建立可更换钢框架节点的两阶段抗震设计基础。

本发明提出的可更换钢框架节点两阶段抗震设计方法说明如下：

阶段一：本阶段主要进行含可更换耗能节点的钢梁与传统钢梁之间的等刚度设计，主要具体包括1)可更换耗能节点的位置确定，2)节点的屈服弯矩需求，3)节点的变形需求，并以上述需求为约束条件确定4)防屈曲支撑的弹性刚度需求。

步骤1：确定可更换耗能节点位置。结构构件布置，在PKPM和YJK等结构设计软件中按照常规梁柱刚接建立结构三维模型，计算竖向荷载作用下各框架梁的弹性内力，以竖向荷载作用下钢框架梁的弯矩零点为依据确定可更换耗能节点的初步位置。

本步骤中，计算竖向荷载作用下框架梁的弹性内力，此时水平地震荷载不参与计算，目的是令可更换耗能节点的工作性能与竖向荷载无关，因此布置在了竖向荷载作用下的弯矩零点位置，在弯矩零点位置后，竖向荷载不会在可更换耗能节点中产生弯矩内力，因此防屈曲支撑此时也不产生轴力，进而其工作性能与竖向荷载基本无关。

本发明中，以竖向荷载作用下钢框架梁的弯矩零点为依据确定可更换耗能节点的初步位置，并允许在此位置基础上往相邻柱一侧产生α的偏移量。如图9所示，则满足

d_off＝l_a0-l_ac

d_off≤αl_a0

式中，d_off为可更换耗能节点布置位置的允许偏移量，l_a0为传统梁柱刚接结构的框架梁在竖向荷载作用下的弯矩零点到柱轴线的距离，l_ac为可更换耗能节点的实际布置位置到柱轴线距离。

在本发明的其中一些实施例中，偏移量α不超过初始位置的20％。当该偏移量不超过初始位置的20％时，可保证节点性能基本不由竖向内力控制而主要取决于地震内力，且梁端弯矩需求可得到较大程度的降低，实现了竖向内力解耦与梁端损伤控制的双重目标协同，为充分发挥节点在大震下的弹塑性变形能力并保证钢梁左右节点具有相似的抗震性能奠定了重要基础。

步骤2：确定可更换耗能节点的屈服弯矩M_y，以及防屈曲支撑极限承载力，以此设计防屈曲支撑的连接段及其长度。

在本发明的其中一些实施例中，步骤2具体包括以下子步骤：

步骤2.1：在PKPM和YJK等结构设计软件中按照常规梁柱刚接建立结构模型，该结构模型与步骤1的结构模型相同，但施加在结构上的荷载类型不同，步骤1中施加在结构模型上的只有竖向荷载作用，而此处在结构模型上施加竖向荷载和水平地震荷载共同作用。

步骤2.2：对小震阶段的结构进行竖向和水平荷载共同作用下的弹性内力分析，以小震作用下可更换耗能节点实际布置位置的弯矩设计值M₀为依据确定该节点的屈服弯矩M_y和防屈曲支撑的屈服段截面面积：

M_y＝1.05～1.1M₀

F_By＝0.95～1.05M_y/(h₁+h₂)

A_By＝F_By/f_By

其中，可更换耗能节点的屈服弯矩取为地震和竖向荷载作用下节点弯矩设计值的1.05～1.1倍，可以在等刚度的同时也考虑节点在小震下的弹性承载力要求，可以解决可更换节点刚度和强度不协调的问题；

根据防屈曲支撑的设计要求，估算防屈曲支撑其余各段截面面积及极限承载力：

A_Be＝2.5A_By

F_B，max＝ωF_By

式中，F_By为防屈曲支撑的总屈服轴力，h₁+h₂为防屈曲支撑轴线与节点转动中心之间的竖向高度差(见图5)，f_By为防屈曲支撑屈服段钢材的屈服强度平均值，A_By为防屈曲支撑的屈服段截面总面积(见图11)，F_B，nax为防屈曲支撑的极限承载力，A_Be为防屈曲支撑的连接段截面总面积(见图11)，ω为防屈曲支撑的屈服段钢材考虑应变硬化和摩擦力综合影响的强化系数；

步骤2.3：根据防屈曲支撑的极限承载力确定根据防屈曲支撑的连接段所需螺栓数量，并确定连接段长度l_Be(见图11)。

步骤3：假定梁柱各段为刚体，根据可更换耗能钢框架节点(如图12所示)的结构几何特征，确定结构变形、节点转角、防屈曲支撑变形之间的关系，确定可更换耗能节点的变形需求，并由节点变形需求确定防屈曲支撑的屈服段长度下限。

在本发明的其中一些实施例中，为保证防屈曲支撑具有足够的变形能力和耗能能力，应控制在预期结构变形下的防屈曲支撑屈服段轴向应变不超过3％。当防屈曲支撑的轴向应变控制在3％以内时可获得较好的抗震性能和低周疲劳性能，不容易因为变形过大而导致其在地震中发生断，由于地震是一个连续时间过程，防屈曲支撑既要承受地震中产生的最大变形，也要能在这个地震过程中持续工作不能发生断裂。因此，为保证其不断裂，限制其最大变形量不超过3％，即：

Δ_B＝θ_G(h₁+h₂)

d＝1.5Δ_B

其中，θ_G为可更换耗能节点的刚体转角(见图12)，θ为结构在大震下的层间位移角限值，对框架结构取2％，l_ac为可更换耗能节点到框架柱轴线的距离(见图12)，l_b为同一根框架梁上所布置的两个可更换耗能节点之间的距离(见图12)，Δ_B为防屈曲支撑的轴向变形，l_By为防屈曲支撑的屈服段长度(见图11)，d为可更换耗能节点处相邻梁段之间的拼接间隙(见图5)。

步骤4：根据前述可更换耗能节点刚度需求计算的基本假定和分析方法，确定防屈曲支撑的弹性轴向刚度需求。(计算模型见图5，防屈曲支撑芯板示意图见图11)

其中，K_req为防屈曲支撑的弹性轴向刚度需求值，E为钢材的弹性模量，A_ave为防屈曲支撑的等效截面面积，l_B为防屈曲支撑的等效长度，I_b为悬臂梁段与中间梁段的截面惯性矩，l₂为近柱侧一端的防屈曲支撑连接段中心至其邻侧拼接口的水平距离，l₃为远离柱侧一端的防屈曲支撑连接段中心至其邻侧拼接口的水平距离，l₄为远离柱侧一端的防屈曲支撑连接段中心至梁中心位置的水平距离，h₁为抗剪连接形心到梁轴线的竖向距离，h₂防屈曲支撑轴线到梁轴线的竖向距离，d为可更换耗能节点处相邻梁段之间的拼接间隙，K_B，E为防屈曲支撑的弹性轴向刚度计算值，K_Be为防屈曲支撑连接段轴向刚度，K_By，E为防屈曲支撑屈服段弹性轴向刚度，β＝0.95～1.05为轴向刚度需求调整系数，l_Be为防屈曲支撑连接段有效长度，l_By为防屈曲支撑屈服段长度，A_Be为防屈曲支撑连接段截面面积，A_By为防屈曲支撑屈服段截面面积。

在满足步骤1-4的各项指标的条件下，不断调整防屈曲支撑的屈服段长度l_By，从而调整其轴向刚度，使之与防屈曲支撑的弹性轴向刚度需求匹配，并校核使得节点在竖向荷载下的弯矩设计值不超过节点极限抗弯承载力的30％的要求，即满足：

M_u＝1.1F_B，max(h₁+h₂)

其中，M为竖向荷载作用下钢框架梁在可更换耗能节点位置的弯矩值(见图13)，M_，u为可更换耗能节点的极限抗弯承载力。

阶段二：此阶段主要包含大震阶段含可更换耗能节点的钢框架梁地震损伤控制设计和可更换耗能节点的弯矩-转角本构模型两方面内容，前者用于把钢框架梁的塑性铰位置控制在可更换耗能节点处，后者用于开展可更换钢框架结构的大震弹塑性分析。

步骤5：根据剪力与轴力需求，进行抗剪连接设计，包括设置有抗剪板。

在本发明的其中一些实施例中，如图3(a)所示，可更换钢框架节点包括：悬臂梁段1(左梁段)与中间梁段2(右梁段)之间彼此断开并留有合适宽度的间隙，将断开处定义为断口3，靠近拼接位置处的左右梁顶各焊接有一块抗剪板4(与梁腹板共面)，由角钢5与左右梁段的上翼缘、抗剪板彼此搭接并采用螺栓或焊缝连接，进而在梁上翼缘形成抗剪连接和转动中心，在梁底部通过防屈曲支撑的左右端分别与左右梁段的下翼缘连接。其中，防屈曲支撑6包括芯板61和位于芯板61外侧的约束件62。

步骤6：对梁端部进行地震损伤控制验算。

在本发明的其中一些实施例中，图12展示了在一榀框架内，对称加设可更换耗能钢框架节点，考虑竖向荷载和地震作用的共同影响，令可更换耗能钢框架节点处塑性铰完全发展充分，且位于梁-柱交界面的梁端部处于弹性状态：

M_u+(V_u+V_g)l_a≤M_yb

M_u＝1.1F_B，max(h₁+h₂)

V_u＝2N_u/l_b

V_g＝F_g/2

其中，N_u为可更换耗能节点的极限抗弯承载力，V_u为地震作用下由于可更换耗能节点完全发展塑性而产生的梁剪力，V_g为竖向荷载在可更换耗能节点处产生所产生的梁剪力(把中间梁段等效为简支梁计算的梁剪力)，l_a为可更换耗能节点到相邻梁柱交界面的距离，M_yb为梁-柱交界面处的梁端屈服抗弯承载力，F_B，max为防屈曲支撑的极限承载力，h₁+h₂为防屈曲支撑轴线与节点转动中心之间的竖向高度差(见5)，F_g为可更换耗能节点钢框架梁所承担的由竖向荷载引起的竖向力(以框架梁轴线长度范围内的竖向荷载计算)，l_b为中间梁段的长度(见图12)。

步骤7：按常规对可更换耗能钢框架节点进行强柱弱梁和节点域验算。

步骤8：确定可更换耗能钢框架节点的弯矩-转角本构关系。

在本发明的其中一些实施例中，同时考虑抗剪件和防屈曲支撑屈服后的弹塑性工作性能，由防屈曲支撑的屈服轴力、弹性刚度和屈服后刚度可确定可更换耗能节点的弯矩-转角本构关系(见图14)：

K_E＝K_B，E(h₁+h₂)²

K_P＝γK_B，P(h₁+h₂)²

M_y＝f_ymA_By(h₁+h₂)

其中，K_E为可更换耗能节点的弹性转动刚度，K_P为可更换耗能节点的屈服后转动刚度，K_B，P为防屈曲支撑的屈服后轴向刚度，K_By，P为防屈曲支撑屈服段的屈服后轴向刚度，γ为考虑抗剪连接抗弯承载力贡献的放大系数，取值为1.1，E_P为防屈曲支撑屈服段钢材的屈服后切线模量，可取为弹性模量的2％-3％，优先取值3％，f_ym为为防屈曲支撑芯板屈服段钢材的实测强度平均值，《高层民用建筑钢结构技术规程》列出了该参数的取值。

在本发明其中一个实施例中，提供了一个具体的实例，如下：

对一榀钢框架加设可更换耗能节点，钢框架采用H型钢梁和箱形柱，梁柱截面及材料为：

梁：采用Q345钢材，截面为HN500×200×16×10

柱：采用Q345钢材，截面为□370×370×16×16

梁柱长度为：

梁：梁长为6000mm(以柱轴线间距计算)

柱：柱高为3000mm(以上层柱中点和下层柱中点之间的竖向距离计算)

梁柱节点采用翼缘焊接刚性连接。

如图16所示，可更换耗能节点布置在距离梁柱交界面900mm处，悬臂梁段与中间梁段之间的间隙为30mm，节点转动中心到防屈曲支撑轴线的竖向距离h₁+h₂＝490mm，防屈曲支撑的内芯采用角钢，详图见图17。

如图17所示，由阶段一的步骤可求出防屈曲支撑的弹性轴向刚度：

K_B，E＝166.99KN/mm

由阶段二之步骤可求出防屈曲支撑的屈服后轴向刚度为：

K_B，P＝5.08KN/mm

进一步的，可由阶段二之步骤求出该实施例可更换耗能节点弹性转动刚度为：

K_E＝40094.30KN·m

以及塑性铰发生后的屈服后转动刚度为：

K_P＝1219.71KN·m

图18中实线为本实施例的计算机仿真算例得出的可更换耗能节点弯矩-转角关系图，虚线为由本发明推导计算出的符合该实施例的可更换耗能节点弯矩-转角关系。从图中可以看出，二者基本吻合，可见本发明可实现更换耗能节点弯矩-转角本构关系的简化预测，验证了本发明的有效性。

图19中，虚线为使用传统节点(即梁柱刚性连接)的梁柱组合体水平力-位移关系计算机仿真曲线；实线为使用本发明确定的可更换耗能节点的梁柱组合体水平力-位移关系计算机仿真曲线图。从图中可以看出，二者基本吻合，可见本发明可实现与传统刚接钢框架梁的等刚度设计目标，验证了本发明的有效性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应当了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定竖向荷载作用下框架梁的弯矩分布，以竖向荷载作用下钢框架梁的弯矩零点为依据确定可更换耗能节点的初步位置，并允许在初步位置基础上往相邻柱一侧产生预设偏移量α的位置处作为可更换耗能节点的实际位置；

步骤2：确定可更换耗能节点的屈服弯矩M_y，以及防屈曲支撑极限承载力，以此设计防屈曲支撑的连接段及其长度；

步骤3：假定梁柱各段为刚体，根据可更换耗能钢框架节点的结构几何特征，确定结构变形、节点转角、防屈曲支撑变形之间的关系，确定可更换耗能节点的变形需求，并由节点变形需求确定防屈曲支撑的屈服段长度下限；

步骤4：建立可更换耗能节点刚度需求计算的基本假定和分析方法，基于所述基本假定和分析方法确定防屈曲支撑的弹性轴向刚度需求，其中防屈曲支撑的弹性轴向刚度需求值为：

其中，K_req为防屈曲支撑的弹性轴向刚度需求值，E为钢材的弹性模量，A_ave为防屈曲支撑的等效截面面积，l_B为防屈曲支撑的等效长度，I_b为悬臂梁段与中间梁段的截面惯性矩，l₂为近柱侧一端的防屈曲支撑连接段中心至其邻侧拼接口的水平距离，l₃为远离柱侧一端的防屈曲支撑连接段中心至其邻侧拼接口的水平距离，l₄为远离柱侧一端的防屈曲支撑连接段中心至梁中心位置的水平距离，h₁为抗剪连接形心到梁轴线的竖向距离，h₂防屈曲支撑轴线到梁轴线的竖向距离，d为可更换耗能节点处相邻梁段之间的拼接间隙，K_B，E为防屈曲支撑的弹性轴向刚度计算值，K_Be为防屈曲支撑连接段轴向刚度，K_By，E为防屈曲支撑屈服段弹性轴向刚度，β为轴向刚度需求调整系数，l_Be为防屈曲支撑连接段有效长度，l_By为防屈曲支撑屈服段长度，A_Be为防屈曲支撑连接段截面面积，A_By为防屈曲支撑屈服段截面面积；

步骤5：根据剪力与轴力需求，进行抗剪连接设计；

步骤6：对梁端部进行地震损伤控制验算；

步骤7：由防屈曲支撑的屈服轴力、弹性刚度和屈服后刚度确定可更换耗能节点的弯矩-转角本构关系。

2.根据权利要求1所述的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，其特征在于，步骤1中所述预设偏移量α的取值不超过初始位置的20％。

3.根据权利要求2所述的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，其特征在于，步骤1中，当预设偏移量为α时，满足：

d_off＝l_a0-l_ac

d_off≤αl_a0

式中，d_off为可更换耗能节点布置位置的允许偏移量，l_a0为传统梁柱刚接结构的框架梁在竖向荷载作用下的弯矩零点到柱轴线的距离，l_ac为可更换耗能节点的实际布置位置到柱轴线距离。

4.根据权利要求1所述的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，其特征在于，步骤2具体包括以下子步骤：

建立结构模型，在结构模型上施加竖向荷载和水平地震荷载共同作用；

对小震阶段的结构进行竖向和水平荷载共同作用下的弹性内力分析，以小震作用下可更换耗能节点实际布置位置的弯矩设计值M₀为依据确定该节点的屈服弯矩M_y和防屈曲支撑的屈服段截面面积：

M_y＝1.05～1.1M₀

F_By＝0.95～1.05M_y/(h₁+h₂)

A_By＝F_By/f_By

根据防屈曲支撑的设计要求，估算防屈曲支撑其余各段截面面积及极限承载力：

A_Be＝2.5A_By

F_B，max＝ωF_By

式中，F_By为防屈曲支撑的总屈服轴力，h₁+h₂为防屈曲支撑轴线与节点转动中心之间的竖向高度差，f_By为防屈曲支撑屈服段钢材的屈服强度平均值，A_By为防屈曲支撑的屈服段截面总面积，F_B，max为防屈曲支撑的极限承载力，A_Be为防屈曲支撑的连接段截面总面积，ω为防屈曲支撑的屈服段钢材考虑应变硬化和摩擦力综合影响的强化系数；

根据防屈曲支撑的极限承载力确定根据防屈曲支撑的连接段所需螺栓数量，并确定连接段长度l_Be。

5.根据权利要求1所述的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，其特征在于，步骤3中，限制可更换耗能节点的最大变形量不超过3％，即：

Δ_B＝θ_G(h₁+h₂)

d＝1.5Δ_B

其中，θ_G为可更换耗能节点的刚体转角；θ为结构在大震下的层间位移角限值；l_ac为可更换耗能节点到框架柱轴线的距离；l_b为同一根框架梁上所布置的两个可更换耗能节点之间的距离；Δ_B为防屈曲支撑的轴向变形；h₁+h₂为防屈曲支撑轴线与节点转动中心之间的竖向高度差；l_By为防屈曲支撑的屈服段长度；d为可更换耗能节点处相邻梁段之间的拼接间隙。

6.根据权利要求1所述的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，其特征在于，步骤4中所述基本假定和分析方法为：

从梁-柱交界面至地震作用下梁反弯点范围内取出含可更换耗能节点的钢框架梁作为隔离体进行分析，其中梁-柱交界面处视为固接，在梁反弯点处作用有竖向单位力，用于计算钢梁的竖向挠度f_N；

把以梁上翼缘为转动机制的可更换耗能节点的实际构造等效成简化力学模型，忽略梁上翼缘抗剪连接的轴向变形和抗弯刚度在小震弹性阶段的贡献，假定抗剪连接的中点为铰接，其左右侧分别通过竖向刚性臂与钢梁轴线刚性连接，刚性臂之间的水平间距取为梁段间隙，采用等效二力杆作用于防屈曲支撑的屈服段截面轴线，并在防屈曲支撑连接段与梁翼缘连接处设置刚性臂与梁轴线刚性连接，此刚性臂再与等效二力杆铰接，实体梁段均在梁轴线处采用具有一致抗弯刚度的梁单元建模；

建立与含可更换耗能节点钢框架梁具有相同截面、跨度、边界条件和荷载的传统钢框架梁，通过梁反弯点处作用单位力下的竖向挠度相等确定可更换耗能节点的刚度需求。

7.根据权利要求6所述的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，其特征在于，为简化计算，在计算含可更换耗能节点的钢框架梁弹性变形时，仅考虑防屈曲支撑区域和抗剪连接区域范围内的区段变形，令该区段由可更换耗能构件轴向变形引起的梁反弯点竖向挠度与传统钢框架梁在相同区段内的弯矩差值在梁反弯点引起的竖向挠度相等，确定防屈曲支撑的轴向弹性刚度需求。

8.根据权利要求1所述的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，其特征在于，步骤4中，不断调整防屈曲支撑的屈服段长度l_By，从而调整其轴向刚度，使之与需求匹配，并校核使得节点在竖向荷载下的弯矩设计值不超过节点极限抗弯承载力的30％的要求，即满足：

N_u＝1.1F_B，max(h₁+h₂)

其中，M为竖向荷载作用下钢框架梁在可更换耗能节点位置的弯矩值，N_u为可更换耗能节点极限抗弯承载力，h₁+h₂为防屈曲支撑轴线与节点转动中心之间的竖向高度差，F_B，max为防屈曲支撑的极限承载力。

9.根据权利要求1所述的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，其特征在于，步骤6中，考虑竖向荷载和地震作用的共同影响，令可更换耗能钢框架节点处塑性铰完全发展充分，且位于梁-柱交界面的梁端部处于弹性状态：

M_u+(V_u+V_g)l_a≤M_yb

M_u＝1.1F_B，max(h₁+h₂)

V_u＝2N_u/l_b

V_g＝F_g/2

其中，M_u为可更换耗能节点的极限抗弯承载力，V_u为地震作用下由于可更换耗能节点完全发展塑性而产生的梁剪力，V_g为竖向荷载在可更换耗能节点处产生所产生的梁剪力，l_a为可更换耗能节点到相邻梁柱交界面的距离，M_yb为梁-柱交界面处的梁端屈服抗弯承载力，F_B，max为防屈曲支撑的极限承载力，h₁+h₂为防屈曲支撑轴线与节点转动中心之间的竖向高度差，F_g为可更换耗能节点钢框架梁所承担的由竖向荷载引起的竖向力，l_b为中间梁段的长度。

10.根据权利要求1-9任一所述的可更换耗能钢框架节点的两阶段抗震设计方法，其特征在于，步骤7所述弯矩-转角本构关系为：

K_E＝K_B，E(h₁+h₂)²

K_P＝γK_B，P(h₁+h₂)²

M_y＝f_ymA_By(h₁+h₂)

其中，K_E为可更换耗能节点的弹性转动刚度，K_B，E为防屈曲支撑的弹性轴向刚度计算值，h₁为节点转动中心到梁轴线的竖向距离，h₂防屈曲支撑轴线到梁轴线的竖向距离，K_P为可更换耗能节点的屈服后转动刚度，K_B，P为防屈曲支撑的屈服后轴向刚度，K_By，P为防屈曲支撑屈服段的屈服后轴向刚度，γ为考虑抗剪连接抗弯承载力贡献的放大系数，K_Be为防屈曲支撑连接段轴向刚度，E_P为防屈曲支撑屈服段钢材的屈服后切线模量，f_ym为为防屈曲支撑芯板屈服段钢材的实测强度平均值，A_By为防屈曲支撑屈服段截面面积。

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