王秀麗，趙 杰

（蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州730050）

中心支撐框架系統(tǒng)和偏心支撐框架系統(tǒng)在傳統(tǒng)的減震設(shè)計方法中減震性能有一定的可靠性［1］，但是在強震作用下結(jié)構(gòu)中的耗能機制會產(chǎn)生屈曲現(xiàn)象，在框架中加入防屈曲耗能支撐［2－7］，即buckling－restrained brace，簡稱BRB，可以克服傳統(tǒng)支撐受壓屈曲破壞的缺點。高層鋼框架中的梁柱節(jié)點作為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，起著傳遞結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力和協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)變形的作用。目前對于帶支撐的框架梁柱節(jié)點的研究已有很多［8－9］，在此基礎(chǔ)上對帶BRB的高層鋼框架梁柱節(jié)點的研究是很有必要的。

文章運用ABAQUS有限元軟件，對比分析帶BRB的框架梁柱節(jié)點和帶普通支撐的框架梁柱節(jié)點的抗震性能。針對帶BRB的框架梁柱節(jié)點，通過變換支撐內(nèi)芯的屈服強度，節(jié)點板的大小、厚度以及節(jié)點板上面外加勁肋的長度來觀察這些參數(shù)對節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律。

1 節(jié)點有限元模型

1.1 算例設(shè)計

以一榀3跨10層的鋼支撐框架結(jié)構(gòu)為例，跨度為8m，層高為3.9m，框架柱底部與基礎(chǔ)嵌固，框架平面圖、立面圖和三維立體圖如圖1所示。建筑所在場地的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.2 g，水平地震影響系數(shù)最大值為0.16，Ⅲ類場地土，設(shè)計地震分組為第一組。樓面恒荷載和活荷載標準值分別為6.0kN／m2和3.0kN／m2?？蚣芰翰捎煤附親型鋼梁，柱子為箱形截面柱，梁柱之間采用剛性連接，支撐焊接在節(jié)點板上，BRB采用內(nèi)芯為十字型鋼板外包鋼管混凝土?？蚣芰汉椭那姸葹?45MPa，支撐內(nèi)芯的屈服強度為235MPa。

1.2 數(shù)值模型

圖1 算例示意圖

取框架2層中間跨梁、柱和支撐節(jié)點單獨進行有限元分析。節(jié)點板與梁、柱翼緣均采用坡口對接焊縫連接，梁腹板與柱翼緣也采用焊縫連接。鋼材是理想的彈塑性材料，對鋼材的計算模型采用Von Mises屈服準則和雙線段隨動強化準則，材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。混凝土采用Von Mises屈服準則和多線段隨動強化準則［10］，單軸峰值壓應(yīng)力為30MPa，峰值壓應(yīng)變?yōu)?.002，彈性模量為30 000 MPa，泊松比為0.2。整個模型采用C3D8I（八節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)模式）單元。

箱型柱截面尺寸：660mm×660mm×32mm；柱高7 800mm。

H型梁截面尺寸：600mm×300mm×10mm×20mm；梁長4 000mm。

節(jié)點板尺寸：400mm×400mm；厚度為20mm。

BRB截面尺寸：十字型內(nèi)芯高度×厚度＝80mm×10mm，寬厚比b／t＝8，總長3 587mm，外觀尺寸為270mm×270mm，鋼管長3 387mm，厚度為5mm，內(nèi)芯與混凝土之間預(yù)留2mm的間隙。

1.3 邊界條件及加載方式

為了更真實地模擬梁柱節(jié)點的受力變化，有限元模型采用實體單元建模，在劃分網(wǎng)格時采用結(jié)構(gòu)化（structure）網(wǎng)格劃分技術(shù)。由于在實體單元中X、Y、Z三個方向的轉(zhuǎn)動是無效的，所以對柱子的上下端以及梁的懸臂端均約束X、Y、Z三個方向的平移。屈曲約束支撐外包的混凝土和鋼管兩端也進行三個方向上的平移約束。

在分析中對模型施加往復(fù)位移荷載，位移大小進行變幅控制，加載位置均在支撐的懸臂端。

圖2 梁柱節(jié)點有限元模型

2 節(jié)點有限元分析結(jié)果

2.1 對比分析

對帶BRB的梁柱節(jié)點和帶普通支撐（去掉外面包裹的鋼管和混凝土）的梁柱節(jié)點進行循環(huán)荷載下的抗震性能對比分析，位移加載方式如圖3所示。

從圖3中可看出帶BRB節(jié)點的滯回曲線比帶普通支撐節(jié)點的滯回曲線明顯要飽滿許多，而且曲線更穩(wěn)定，說明BRB具有良好的耗能能力，能夠提高節(jié)點的抗震性能，繼而對整個結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性都有所提高。而帶普通支撐的節(jié)點，支撐在受壓時出現(xiàn)了明顯的強度和剛度退化現(xiàn)象，且在荷載加載過程中支撐發(fā)生了屈曲變形，相對帶BRB的節(jié)點，抗震性能顯然不如前者好，所以在支撐外面設(shè)置鋼管和混凝土可對限制支撐變形起到一定的作用。

2.2 參數(shù)分析

針對帶BRB的框架梁柱節(jié)點，通過變換支撐內(nèi)芯的屈服強度以及節(jié)點板的大小、厚度和節(jié)點板上面外加勁肋的長度來觀察這些參數(shù)對節(jié)點抗震性能的影響。

2.2.1 內(nèi)芯屈服強度的影響 選取屈曲約束支撐內(nèi)芯分別為LY100、LY160、LY190、LY225四種低屈服點鋼［11］進行節(jié)點滯回性能的對比，分析結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線都很穩(wěn)定、飽滿，均表現(xiàn)出良好的耗能能力，都沒有出現(xiàn)強度和剛度退化的現(xiàn)象。圖（a）中滯回環(huán)由小變大比較分明，且在4種滯回環(huán)中飽滿程度最大，根據(jù)能量耗散系數(shù)計算公式［12］可算出內(nèi)芯為LY100時耗散系數(shù)最大，且相比LY225時耗能能力要提高7%。說明內(nèi)芯為LY100時節(jié)點耗能性能最好，LY100在4種低屈服點鋼中屈服強度最低，當(dāng)有荷載作用時支撐內(nèi)芯能夠較早地屈服來吸收地震荷載所帶來的能量，從圖（a）第一個環(huán)就可看出在承載力相對較小時曲線即發(fā)生拐彎。

圖3 節(jié)點滯回曲線

2.2.2 節(jié)點板大小的影響 選取節(jié)點板尺寸分別為300mm×300mm，400mm×400mm，500mm×500mm和600mm×600mm的節(jié)點模型進行循環(huán)荷載下的抗震性能對比分析，分析結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可看出（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線均穩(wěn)定飽滿，沒有出現(xiàn)強度和剛度退化的現(xiàn)象，說明都有一定的耗能能力，隨著節(jié)點板尺寸的增大，滯回環(huán)的面積有所增大。節(jié)點板為500mm×500mm時計算出節(jié)點耗散系數(shù)在四者中最大，比節(jié)點板為300mm×300mm時節(jié)點耗能性能要提高1.3%，但當(dāng)節(jié)點板尺寸變?yōu)?00mm×600mm時耗散系數(shù)反而沒有增加，不成線性比例增長，說明增大節(jié)點板的尺寸能夠提高BRB的耗能能力，進而提高節(jié)點的抗震性能，但是過大的節(jié)點板可能導(dǎo)致節(jié)點板自身先會發(fā)生面外失穩(wěn)［13－14］，從而影響支撐的耗能能力。

2.2.3 節(jié)點板厚度的影響 選取節(jié)點板的厚度分別為12、16、20和24mm的節(jié)點模型進行抗震性能的對比分析，分析結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線都很穩(wěn)定飽滿，沒有出現(xiàn)強度和剛度退化的現(xiàn)象，隨著節(jié)點板厚度的增加滯回環(huán)的面積逐漸增大，耗散系數(shù)也隨之增大，節(jié)點板厚度從12、16、20到24mm，相應(yīng)的節(jié)點耗能性能依次增長1.3%，0.5%和0.8%。說明節(jié)點板厚度的增加也能提高BRB的耗能性能，進而提高節(jié)點的抗震能力。因節(jié)點板與梁和柱均焊接，故可把節(jié)點板對框架梁柱節(jié)點的作用看作是對梁柱節(jié)點區(qū)域的加掖，隨著節(jié)點板厚度的增加，這種加掖作用就在增強。

圖4 支撐內(nèi)芯在不同屈服強度下節(jié)點的滯回曲線

2.2.4 面外加勁肋長度的影響 選取面外加勁肋長度分別為150、200、250、300mm的節(jié)點模型進行抗震性能的對比分析，分析結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線都很穩(wěn)定飽滿，說明加勁肋在四種不同長度的情況下BRB均有一定的耗能能力，隨著節(jié)點板上面外加勁肋的增長，滯回環(huán)面積明顯增大，且面外加勁肋為300mm時節(jié)點的耗散系數(shù)最大，節(jié)點的耗能能力依次增長了1%、0.5%和1%，表明加勁肋的長度對支撐的耗能性能有一定的影響，且加勁肋越長支撐的耗能能力越強。究其原因，加勁肋的增長可增強節(jié)點板的穩(wěn)定承載力［15］，減小節(jié)點板發(fā)生面外失穩(wěn)的可能性，繼而提高整個節(jié)點的抗震性能。

圖5 不同節(jié)點板大小下節(jié)點的滯回曲線

3 結(jié) 論

利用ABAQUS軟件分別對帶有BRB的鋼框架梁柱節(jié)點和帶普通支撐的框架梁柱節(jié)點進行了非線性有限元分析，對比兩種支撐加入框架中對節(jié)點抗震性能的不同影響，以及針對帶有BRB的鋼框架梁柱節(jié)點進行參數(shù)分析，討論參數(shù)變換對節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）BRB在外包鋼管和混凝土的約束下耗能能力明顯比沒有約束作用下的普通支撐耗能能力強，相對應(yīng)的帶有BRB的鋼框架梁柱節(jié)點要比帶普通支撐的梁柱節(jié)點的抗震性能好。

2）BRB的耗能性能隨著支撐內(nèi)芯屈服強度的降低而提高，內(nèi)芯屈服強度越低，支撐的耗能性能就越好，且內(nèi)芯為LY100比LY225時節(jié)點耗能能力要提高7%。在實際工程中可根據(jù)荷載情況優(yōu)先考慮內(nèi)芯屈服強度低的屈曲約束支撐，對于LY225這種具有一定強度的低屈服點鋼材在承受大的地震作用時可能更有優(yōu)勢。

圖6 不同節(jié)點板厚度下節(jié)點的滯回曲線

3）節(jié)點板的大小對BRB的耗能能力有一定的影響，隨著節(jié)點板的增大支撐的耗能性能有所提高，節(jié)點板為500mm×500mm時計算出節(jié)點的耗散系數(shù)在四者中最大，比節(jié)點板為300mm×300mm時節(jié)點耗能性能要提高1.3%，但節(jié)點板尺寸變?yōu)?00mm×600mm時耗散系數(shù)反而沒有增加，不成線性增長，因為節(jié)點板尺寸過大，梁柱對其直角嵌固邊的約束力降低，會導(dǎo)致自身先發(fā)生面外失穩(wěn)，進而影響整個節(jié)點的抗震性能。

4）節(jié)點板的厚度也會影響B(tài)RB的耗能能力，隨著節(jié)點板厚度的逐漸增大支撐的耗能性能有很明顯的提高，節(jié)點板厚度從12、16、20到24mm，節(jié)點的耗能性能依次增長1.3%、0.5%和0.8%。此時節(jié)點板相當(dāng)于是對節(jié)點起到加掖的作用，加掖作用越強，節(jié)點承載力及抗震性能越高。

5）節(jié)點板面外加勁肋的長度對BRB的耗能性能也有影響，隨著加勁肋的增長，支撐的耗能性能也會有明顯的提高，且面外加勁肋為300mm時節(jié)點的耗散系數(shù)最大，節(jié)點的耗能能力依次增長了1%、0.5%和1%，因為加勁肋對節(jié)點板來說起到提高節(jié)點板穩(wěn)定性的作用，當(dāng)節(jié)點板較薄時，其平面外抗彎剛度較小，而加勁肋板的設(shè)置大大增加了節(jié)點板整體的平面外剛度。與此同時，加勁肋越長節(jié)點板的穩(wěn)定承載力就越高，進而整個節(jié)點的抗震性能也會提高。

圖7 不同面外加勁肋長度下節(jié)點的滯回曲線

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