1??项目概况
武汉市蔡甸区奓山街某一栋两单元的在建住宅楼，建筑面积约2.3万m 2 。两单元间设置变形缝，每单元平面尺寸为34.2?m×18.0?m。建筑地上26层，地下1层，地上部分层高3.0?m，房屋高度78.4?m。按业主要求，该项目按装配式钢结构建筑设计。
项目主体结构设计使用年限为50年。所在地基本风压为0.35?kN/m 2 ，地面粗糙度为B类；基本雪压为0.50?kN/m 2 ；基本气温最高值和最低值分别为37℃、–5℃；项目抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅱ类。项目主体结构的安全等级为二级，建筑抗震设防类别为标准设防类。按GB?50011—2010《建筑抗震设计规范》，钢结构抗震等级为四级，地基基础设计等级为甲级，建筑耐火等级为一级。
项目主体结构采用钢框架–偏心支撑结构。各结构构件分别采用矩形钢管混凝土柱、H形钢梁、矩形钢管支撑、可重复利用底模的钢筋桁架楼承板。标准层结构布置如图1所示。
图2??消能梁段与支撑连接处暗置侧向支撑轴测示意
消能梁作为整体结构的“保险丝”，应稳定可控地进入屈服耗能状态。比较了有组合楼板的耗能梁段和无组合楼板的耗能梁段，试验表明在较小的循环荷载下组合作用增加刚度；组合楼板出现较大破坏时，组合耗能梁段的抗剪强度比耗能梁段大1?%~13?%，抗弯能力大1?%~25?%；两者整体滞回性能相似； 楼板的破坏主要集中在耗能梁段上，耗能梁段外的楼板破坏较小。
为减小消能梁上楼板对消能梁性能的影响，本项目取消了消能梁上翼缘与楼板间的拉结栓钉。
在消能梁屈服后，对应部位的楼板或两者间的连接亦将发生局部破坏。通过加强与该消能梁邻接的框架梁上的栓钉，保证邻接区域楼板可作为邻接梁上翼缘的侧向支撑。对未设置可靠侧向支撑的消能梁下翼缘处，当偏心支撑因制造误差等原因对消能梁下翼缘产生面外的推力时，未约束的下翼缘将会产生扭转变形，进而产生连锁的非预期破坏，导致耗能梁段不能发挥预期的耗能作用。
在消能梁段与支撑连接处的上下翼缘间设置肋板及盖板，在消能梁段端部上翼缘顶面焊接一段槽钢连接件，在楼板对应位置设置一道垂直消能梁的暗梁，并且暗梁纵筋与槽钢焊接，由此形成暗置的消能梁侧向支撑。
此暗置侧向支撑阻止消能梁下翼缘的面外扭转变形，也适应了住宅等类型建筑的室内空间效果要求。 利用ABAQUS软件建立相关区域实体有限元模型进行应力分析。钢构件和板件单元采用六面体单元C3D8R，混凝土部分采用四面体单元C3D4。钢结构应力–应变关系采用双线性模型，强化段弹性模量取0.01 E 。楼板混凝土材料为C30，采用GB?50010—2010《混凝土结构设计规范》附录C中的应力–应变关系模型。
钢梁、钢管柱、斜撑、槽钢间为全熔透焊接，采用tie约束。钢梁、槽钢与混凝土间采用面与面接触，接触面间法向采用ABAQUS硬接触，接触面间可以完全传递界面压力；接触面间切向接触采用摩擦模型，考虑栓钉作用本次分析钢与混凝土间接触面摩擦系数取0.45。模型边界条件为约束柱底、柱顶及楼板前后两个端面的三向平动自由度。在斜撑靠近下翼缘位置施加按《高钢规》第8.8.8条计算的40?kN水平力。
加载点附近的梁下翼缘处的最大应力为15.6?MPa，最大侧向变形为0.471?mm，产生1.18e–3?rad扭转。为考虑消能梁屈服后对应部位的楼板局部破坏的情况，在上述模型的基础上删去消能梁区域的楼板。分析结果表明，两模型的变形和应力分布基本一致。楼板局部失效模型加载点附近的梁下翼缘处的应力为16.7?MPa，该处侧向变形为0.481?mm，产生1.20e–3?rad的扭转。在规范规定的侧向荷载作用下，楼板局部失效模型较完好，楼板模型计算的变形和应力均略有增大。该模拟分析结果表明，消能梁对应局部楼板破坏后，暗置侧向支撑的作用未受到明显影响。
3??暗置侧向支撑模拟对比
为明确前述暗置侧向支撑构造的作用，在以上楼板局部失效有限元模型的基础上，删去楼板内的暗置槽钢及暗梁钢筋。
分析结果表明，两个模型的变形和应力分布显著不同。未设置暗置支撑模型加载点附近的梁下翼缘处的应力为60.57?MPa，该处侧向变形为3.91?mm，产生1.89e–2?rad的扭转；消能梁上翼缘产生3.61?mm的弱轴平面的弯曲变形。两者结果对比表明，以上暗置侧向支撑构造能为消能梁提供良好的扭转约束，能发挥预期的支撑作用。
4??暗置侧向支撑试验验证
4.1??试验方案
为进一步验证暗置侧向支撑对于消能梁扭转变形的约束作用及支撑作用，进行了原位加载验证试验。
以消能梁端两侧柱作为加载反力支撑点，加载梁采用H300×300×10×14。采用穿心液压千斤顶进行加载，加载点设置在消能梁与支撑连接处的梁下翼缘。
按《高钢规》第8.8.8条计算，本工程消能梁段下翼缘需承担40?kN侧向水平荷载。本试验最大加载等级为规范计算值的120?%，即48?kN。本试验加载方案采用分级加载，以规范计算值的20?%为一个加载级，20?%~80?%每一级持荷时间不少于5?min，80?%以后每10?%为一个加载级，每一级持荷时间不少于10?min。
变形测量点w4–1~w4–4测量混凝土板的竖向变形，变形测量点w3–1~w3–4测量消能梁的侧向变形；变形测量采用精度为0.01?mm的机电百分表。应变测量采用贴附于混凝土（钢）结构构件表面的电阻应变片。
测点2–1~2–12在钢梁另一侧与1–1~1–12对称布置；测点w4–3、w4–4在钢梁另一侧与w4–2、w4–1对称布置。
4.2??测试结果
在试验加载过程中，3组试验均未观测到相关部位明显的宏观变形，均未观测到构件的裂纹。限于篇幅，第二组试验在各加载等级下所测量的位移如图 3所示，第二组试验在各加载等级下所测量的应变如图4、图5所示。
图5??各加载等级下楼板的应变测量值
各组试验变形和应变分布形态基本一致，如消能梁产生了微小的扭转变形、暗置支撑处楼板产生了局部弯曲等。由试验数据可知，第二组试验加载等级为120?%时，应变测试结果最大值为2~6测点处的160.0?με，加载等级为120?%时，位移最大值为w3–3测点处的0.73?mm。此时w3–1测点处的位移为0.20?mm，即消能梁该处截面产生了0.20?mm的弱轴平面的弯曲变形、产生了1.33e–3?rad的扭转变形。
从图3~图5可以看出，试验加载起始阶段刚度较大，后期刚度稍有减小，呈两段折线形状。以w3–3处的截面扭转计算，加载等级80?%前截面扭转刚度为4.02e–5?rad/kN，加载等级80?%至加载等级120?%间截面扭转刚度为3.38e–5?rad/kN，第二阶段扭转刚度为第一阶段扭转刚度的84.1?%。推测原因为开始加载阶段，钢梁和混凝土楼板间的粘结强度在发挥作用，随着钢梁和混凝土楼板间的粘结失效，相关荷载转移到混凝土板内的暗置型钢和连接栓钉。从测试数据分析，相关区域总体上基本处于线弹性阶段，性能较稳定。
4.3??数据分析及结论
3组试验加载等级为100?%时的变形实测值、应变实测值与有限元模拟的计算值对比，分别见表1、表2。
表1??试验实测位移与有限元计算结果对比 0.01?mm
从表1、表2可看出，在规定的消能梁下翼缘侧向荷载的作用下，各组试验变形和应变分布形态基本一致，如消能梁产生了微小的扭转变形、暗置支撑处楼板局部产生了微小的弯曲变形等，暗置支撑相关构件整体变形较小，基本处于线弹性变形阶段，性能稳定。
试验实测值和有限元模拟值的对比表明，两者变形形态基本一致，但变形及应变结果在数值上有一定误差，推测原因为有限元模型边界条件与实际工程存在差异。
以上数据表明，暗置侧向支撑对消能梁的扭转变形起到了约束作用，能够对消能梁发挥预期的侧向支撑作用。
5??结论
（1）在中低烈度抗震设防区的钢框架–偏心支撑结构中，当因建筑空间效果要求而不能在消能梁段设置常规侧向支撑时，可通过在消能梁段端部设置型钢连接件、楼板暗梁等，形成消能梁上下翼缘的暗置侧向支撑。
（2）钢框架–偏心支撑结构中，消能梁段之上的楼板对消能梁性能有一定影响，两者宜采用较弱的连接构造，与消能梁邻接的框架梁宜加强其与楼板间的连接构造。
（3）有限元模拟和现场静载试验表明，文中暗置侧向支撑对消能梁的扭转变形起到了约束作用，能对消能梁发挥预期的侧向支撑作用。
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