蒋思成 于安林

1 概述

Y型偏心支撑钢框架结构体系，由于耗能梁段与框架横梁相互独立，除具有一般偏心支撑体系的共性外，还具有其独特的优点[1]:

1)Y型偏心支撑耗能段的变形主要产生在水平方向，竖向分量很小，不会对框架横梁及楼盖造成严重损害;2)Y型偏心支撑的耗能段与框架横梁相互独立，耗能段的设计与框架横梁的设计彼此间的制约因素减少，可通过改变耗能段的截面尺寸和长度来优化整体结构的抗震性能;3)Y型偏心支撑的耗能段只受剪力和弯矩作用，没有轴向力作用(两根支撑的竖向分力相互抵消);4)Y型偏心支撑结构的震后修复工作相对容易，由于结构的残留塑性变形主要集中在耗能段，仅须将耗能段更换，就可使结构基本恢复到震前状态;5)Y型偏心支撑不仅可用于钢框架结构，也可用于钢筋混凝土框架结构中，同时还可用于对已建成的钢结构和钢筋混凝土框架结构进行抗震加固;6)Y型偏心支撑结构，耗能梁段不论处于弹性工作阶段还是弹塑性工作阶段，结构的整体刚度(特别是竖向刚度)不会发生大的变化。

2 Y型钢支撑的国内研究现状与发展

1)1990年，西安建筑科技大学于安林教授，采用1978年在日本观察到的038仙台波，运用伪动力试验方法，分析了3榀单跨3层的EK型、Y型和K型的大型1/5缩尺试验模型三种形式的结构在地震荷载作用下的时程曲线、恢复力特性、支撑局部的塑性变形对整体结构的影响及支撑部分的耗能效果。通过试验结果可以看出，由于EK型及Y型支撑的受剪板首先发生剪切屈服，有效地阻止了支撑杆件的屈曲，而在整个试验过程中，结构的承载力并没有降低。

2)1999年，西安建筑科技大学张斌对Y型偏交支撑框架进行了弹塑性静力及动力分析，选择耗能段的屈服强度、屈服位移、支撑与耗能段的刚度比、Y型支撑与纯框架的刚度比作为影响参数，研究了这些参数的变化对结构抗震性能的影响，得到以下结论[2]:a.Y型支撑钢框架具有较高的弹性刚度，在风载及中小烈度地震作用下，结构侧向刚度较大，满足正常使用要求，在强烈地震作用下耗能段受剪屈服，结构刚度减小，具有较大的变形能力，满足耗能要求，且结构塑性变形主要集中在耗能段杆件，有效地防止了支撑杆件的屈曲;b.Y型支撑中支撑与耗能段刚度之比B/SL对减小结构弹塑性地震反应效果不理想，设计 Y型支撑时，B/SL=2.0较为适宜，且支撑应有足够强度保证耗能段剪切屈服的发生;c.Y型支撑的刚度与纯框架刚度之比 Y/F对改善结构抗震性能有一定效果，其合理取值受地震作用强度、持续时间及场地条件等因素影响，建议取值范围为 3.0～5.0。

3)2001年，西安建筑科技大学贾子文为研究Y型支撑耗能梁段在低周循环荷载作用下的耗能性能，建立了耗能梁段模型。采用非线性壳体有限元，引入混合强化的材料本构关系，对剪切屈服型耗能梁段在循环荷载作用下的滞回性能进行了分析。通过计算，得出影响能量耗散的因素及变化规律，提出设计Y型支撑剪切屈服型耗能梁段的建议和对策[3]:a.为了防止支撑杆件的屈曲先于耗能段腹板的屈服，应使得耗能段的抗剪承载力小于支撑杆件的稳定承载力;b.为使耗能段的作用充分发挥，即获得饱满且稳定的耗能段滞回曲线，建议耗能段腹板的高厚比不大于30。

4)2003年，西安建筑科技大学赵宝成、顾强采用曲壳单元和梁单元相结合的非线性有限元分析模型，自编计算程序，系统地分析了耗能梁段的长度、结构的高跨比、耗能梁段的截面、支撑截面大小、耗能梁段腹板厚度、耗能梁段加劲肋间距、耗能梁段加劲肋厚度、耗能梁段翼缘厚度等因素对Y型偏心支撑钢框架耗能性能的影响，主要得到以下结论[4]:a.Y型偏心支撑钢框架耗能梁段腹板受力比翼缘和加劲肋都大，耗能梁段的破坏都是由于腹板超过了极限强度;b.耗能梁段长度的改变影响Y型偏心支撑钢框架的刚度和耗能能力，耗能梁段长度越短，结构的刚度越大，耗能梁段太长或者太短，对于结构的耗能都不利，耗能梁段长度太短，容易导致耗能梁段的腹板达到极限强度，耗能梁段太长，其他构件容易进入塑性;c.随着结构高跨比的减小，结构的弹性刚度呈现出先增加后减小的趋势，结构的塑性刚度逐步减小;高跨比太大或者太小，结构的耗能能力都会降低，如果从耗能的角度考虑，高跨比在0.3～0.7之间比较合适;d.耗能梁段的截面越大，Y型偏心支撑钢框架的刚度越大。耗能梁段的截面太大或者太小都会降低结构的耗能能力，耗能梁段截面大小与梁的截面接近时结构的耗能能力比较强;e.耗能梁段加劲肋间距在《高钢规程》规定的范围内改变对Y型偏心支撑钢框架的刚度和耗能性能影响很小;f.在《高钢规程》规定的范围内，耗能梁段加劲肋厚度的改变基本不影响Y型偏心支撑钢框架的刚度和耗能能力;g.由于偏心支撑钢框架耗能梁段的腹板中存在很大应力，耗能梁段是否破坏与腹板的厚度密切相关，腹板厚度的改变对结构的刚度和耗能能力影响比较大，腹板的厚度在满足《高钢规程》规定的基础上应该选择高厚比尽可能大的腹板，这对结构耗能比较有利;h.支撑的截面大小对结构的刚度和耗能性能都有影响，支撑的截面小，结构的弹性刚度小;i.在《高钢规程》规定的范围内，耗能梁段翼缘厚度的改变对Y型偏心支撑钢框架的刚度和耗能能力影响不大。

5)2007年，苏州科技学院赵小敏采用梁单元和壳单元相结合的非线性有限元分析模型，对Y型偏心支撑钢框架进行弹塑性时程分析，研究耗能梁段的长度和腹板高厚比的变化对结构抗震性能的影响，主要得到以下结论[5]:a.耗能梁段长度的改变影响Y型偏心支撑钢框架的抗震能力，过长或过短都会增大结构构件的内力，不利于结构的抗震，通过分析比较，建议取0.9k～1.2k(k为耗能梁段塑性抗弯承载力Mp与抗剪承载力Vp之比);b.通过分析，耗能梁段腹板高厚比的变化对Y型偏心支撑钢框架的抗震性能影响不大，建议取在40～55之间。

6)2008年，苏州科技学院李仁达运用有限元分析软件ANSYS10.0进行分析计算，研究了Y型偏心支撑钢框架低周往复荷载作用下的滞回性能，探讨了滞回性能与耗能段腹板高度、厚度及高厚比等参数之间的变化关系，初步得到以下主要结论[6]:a.Y型偏心支撑钢框架在地震作用下具有很好的抗震耗能能力，主要由耗能梁段发展塑性变形吸收地震能量，框架的其他部分一般处在弹性阶段工作，结构具有较高的抗侧刚度，地震响应较小，能很好地满足抗震要求，是很好的抗震结构体系，在高烈度区宜优先选用。b.Y型偏心支撑框架耗能梁段截面高度的变化对框架刚度和耗能能力影响很大，截面较高则框架刚度较大，但是高度尺寸若太大则其他构件较容易发生破坏，对结构耗能不利。经分析，建议高度取为1.2倍～1.7倍横梁高度。c.Y型偏心支撑框架耗能梁段腹板厚度的改变对框架的刚度和耗能能力有很大的影响，随着耗能梁段腹板厚度的增加，框架的刚度逐渐增大，耗能能力也逐渐增强。d.在耗能段抗剪承载力不变(耗能段截面面积不变)的情况下，改变高厚比对结构耗能影响不大。虽然高厚比较大的板耗能稍好，但应力较大，容易屈服，相对容易破坏。经分析，建议高厚比取为30～45。

7)2009年3月，苏州科技学院杨禹丞为研究RC框架内填Y型钢支撑结构的整体受力性能，对2榀采用不同耗能梁段长度的内填Y型钢支撑RC框架及1榀传统RC框架结构进行1/3比例模型的循环加载试验。试验结果表明[7]:a.RC框架内填Y型钢支撑结构相对传统RC框架结构，承载力提高了3倍左右，抗侧刚度提高了2倍左右，但延性有所降低。b.RC框架内填Y型钢支撑结构的整体性能与耗能梁段的长度有关，增加耗能梁段的长度，结构的承载力和刚度均减小，但延性增加。

3 结语

文中介绍了Y型钢支撑的国内研究现状与发展过程。由于其具有诸多的优点，可广泛应用于各类建筑结构中，具有广阔的发展前景。工程实践表明，推广该类结构符合我国的基本建设国情，符合建筑结构技术发展方向。尽管Y型钢支撑结构体系近年来在我国已取得了较大的发展，但是，如何更好地发挥其在工程结构中的优势，还需要加大对其研究的投入，且有必要对其尽快制定一部完整的设计规程。

[1] 于安林.EK型、Y型支撑的抗震性能试验研究[J].西安冶金建筑学院学报，1990，22(3):253-260.

[2] 张 斌.Y型支撑钢框架抗震性能研究[D].西安:西安建筑科技大学，1999.

[3] 贾子文.Y型支撑钢框架耗能段滞回性能研究[J].西安建筑科技大学学报，2001，133(4):12.

[4] 赵宝成.偏心支撑钢框架在循环荷载下的破坏机理和抗震设计对策[D].西安:西安建筑科技大学博士学位论文，2003.

[5] 赵小敏.Y型偏心支撑钢框架的动力性能研究[D].苏州:苏州科技学院硕士学位论文，2007.

[6] 李仁达.考虑耗能段腹板高厚比变化时Y型偏心支撑钢框架在循环荷载作用下的滞回性能研究[D].苏州:苏州科技学院硕士学位论文，2008.

[7] 杨禹丞.循环荷载作用下RC框架内填Y型钢支撑结构的试验研究[D].苏州:苏州科技学院硕士学位论文，2008.