陳士軍 刁子坤 宋惠峰 郭維明

(1.江蘇美城建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 淮安 223005； 2.南通藍(lán)科減震科技有限公司，江蘇 南通 226017)

0 引言

最近幾十年，美國、日本等國高度重視鋼梁—混凝土柱組合結(jié)構(gòu)(RCS)的應(yīng)用。RCS組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮鋼材、混凝土這兩種不同材料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用預(yù)制裝配式RCS組合結(jié)構(gòu)會(huì)加快施工速度，有助于建筑工業(yè)化發(fā)展，促進(jìn)綠色建筑的實(shí)現(xiàn)，減少能源消耗[1-4]。

Northridge地震后，根據(jù)震后災(zāi)害調(diào)查發(fā)現(xiàn)：與剛性連接節(jié)點(diǎn)相比，半剛性節(jié)點(diǎn)具有更好的延性、耗能能力和穩(wěn)定的滯回性能[5,6]。因此，半剛性連接的RCS組合框架結(jié)構(gòu)更方便地滿足在梁端出鉸以消散地震能量,避免因節(jié)點(diǎn)失效引起結(jié)構(gòu)倒塌[7,8]。本文利用非線性有限元軟件ETBAS，建立6層半剛性、剛性RCS混合框架結(jié)構(gòu)模型及附加BRB的半剛性連接RCS混合框架結(jié)構(gòu)，對(duì)這些模型進(jìn)行時(shí)程分析對(duì)比，研究了半剛性節(jié)點(diǎn)對(duì)RCS組合框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響以及BRB對(duì)RCS混合結(jié)構(gòu)框架的抗震性能作用。

1 有限元模型建立

設(shè)計(jì)典型分析模型，建立6層梁柱剛性連接RCS組合框架、6層半剛性連接RCS組合框架及附加BRB半剛性連接RCS組合框架，設(shè)計(jì)使用年限50年，設(shè)防烈度7度(0.15g)，場(chǎng)地類別Ⅱ類。采用C30等級(jí)混凝土柱，1層～3層采用450 mm×450 mm截面，4層～6層采用400 mm×400 mm，采用Q235的工字型鋼梁，鋼梁采用HN200×100×6×8，10.9級(jí)M20高強(qiáng)螺栓，孔徑為21.5 mm。梁線恒荷載為10 kN/mm，線活荷載為10 kN/mm，有限元模型建立如圖1所示。

本文選擇Plastic(Wen)單元模擬BRB，并定義BRB的等效截面為100 mm×100 mm，線剛度為289 kN·mm、屈服承載力為2 000 kN、屈服后剛度比為0.05以及屈服指數(shù)為10。

2 多遇地震下時(shí)程分析結(jié)果

在ETABS模型中輸入兩天天然地震波，分別為TH120TG035(TH1)和TH1TG035(簡(jiǎn)稱TH2)，并根據(jù)規(guī)范進(jìn)行修正加速度峰值，在ETABS荷載工況內(nèi)設(shè)定模態(tài)阻尼參數(shù)時(shí)需要輸入結(jié)構(gòu)第一、二自震周期，則通過PKPM模態(tài)計(jì)算的周期和阻尼比回代到ETABS模型中。

根據(jù)小震時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，圖2為在多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)側(cè)移時(shí)程曲線。從圖2中可知：半剛性連接框架的頂點(diǎn)側(cè)移普遍大于剛性連接框架，附加BRB的RCS框架頂點(diǎn)位移小于未布置BRB的框架，未設(shè)BRB的RCS組合框架的定點(diǎn)位移側(cè)移情況較為明顯，說明附加BRB能夠有效減小半剛性連接框架的頂點(diǎn)側(cè)移，保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全。

天然波地震作用下結(jié)構(gòu)底部剪力時(shí)程曲線如圖3所示。從圖3中可知：剛性連接RCS組合框架的底部剪力基本都大于半剛性連接。帶BRB的半剛性連接RCS組合框架由于BRB在多遇地震情況下并未屈服，提供側(cè)向剛度，故而基底剪力較大。

天然波地震作用下RCS組合框架各樓層最大側(cè)位移如圖4所示。從圖4中可知：多遇地震作用下RCS組合框架的各樓層的最大側(cè)移為半剛性連接，其次剛性連接，而帶BRB的半剛性連接RCS組合框架的各層最大側(cè)移最小。說明添加了BRB能夠有效減小半剛性連接RCS組合框架側(cè)向位移，解決了半剛性連接RCS組合框架由于剛度不足而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)移增大的問題。

根據(jù)地震波作用下，獲得各樓層層間位移角數(shù)據(jù)，繪制層間位移角如圖5所示。從圖5中可知：剛性連接的RCS組合框架的層間位移角均小于半剛性連接，且滿足規(guī)范限制要求。附加BRB的半剛性連接RCS組合框架的最大層間位移角遠(yuǎn)小于半剛性連接RCS組合框架，且滿足規(guī)范限制要求，則說明附加BRB可有效改善半剛性連接RCS組合框架的鞭梢效應(yīng)。

3 大震彈塑性時(shí)程分析

根據(jù)相應(yīng)規(guī)范，在ETABS模型中對(duì)地震波的峰值加速度進(jìn)行修正，設(shè)置多線程求解器，進(jìn)行時(shí)程計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析可知罕遇地震作用下RCS組合框架的地震響應(yīng)，圖6為罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)側(cè)移時(shí)程曲線圖。從圖6中可知：罕遇地震作用下RCS組合框架的頂點(diǎn)位移最大為半剛性連接，其次為剛性連接，最小頂點(diǎn)位移為帶BRB半剛性連接RCS組合框架。

罕遇地震作用下RCS組合框架的底部剪力時(shí)程曲線如圖7所示。從圖7中可知：整體來看，罕遇地震作用下的底部剪力最大為剛性連接，其次為半剛性連接，最小為帶BRB的半剛性連接RCS組合框架，表明半剛性連接節(jié)點(diǎn)降低了框架的整體剛度，而帶BRB半剛性連接的RCS組合框架在多遇地震和罕遇地震作用下，其底部剪力與原結(jié)構(gòu)的底部剪力相比較，情況相反。由此可知：BRB在大震情況下已進(jìn)入塑性屈服階段，為結(jié)構(gòu)提供剛度有限，同時(shí)BRB大震耗能減小了對(duì)框架所受的地震力，起到保護(hù)原結(jié)構(gòu)的作用。

圖8為不同地震波下RCS組合框架結(jié)構(gòu)的樓層側(cè)向位移曲線圖。從圖8中可知：在TH2波作用下，半剛性連接RCS組合框架的樓層側(cè)移都小于剛性連接框架，附加BRB的RCS組合結(jié)構(gòu)側(cè)向位移最小，說明BRB能夠有效控制半剛性連接RCS組合框架在地震作用下的位移響應(yīng)。

罕遇地震作用下RCS組合框架各樓層的最大層間位移角如圖9所示。從圖9中可知：總體上，半剛性連接RCS組合框架各樓層的最大層間位移角大于剛性連接，層間位移角的曲線的走勢(shì)大致是一致的，且都滿足規(guī)范中的限制要求。RCS組合框架的半剛性連接節(jié)點(diǎn)僅降低結(jié)構(gòu)整體剛度，致使框架層間剛度較弱，位移較大，但對(duì)整體RCS組合框架力學(xué)性能及破壞形態(tài)影響有限。

罕遇地震下，屈曲約束支撐的滯回曲線如圖10所示。RCS組合框架中布置的BRB在大震情況下都屈服耗能，耗能效果較好，降低結(jié)構(gòu)側(cè)向地震力，保護(hù)原結(jié)構(gòu)。在罕遇地震作用下，塑性鉸出現(xiàn)的位置出現(xiàn)在半剛性連接的組合框架結(jié)構(gòu)的中間層的梁端，而帶BRB的半剛性連接RCS組合框架在大震中均未出現(xiàn)塑性鉸，表明框架受BRB保護(hù)。

4 結(jié)語

本文通過etabs對(duì)RCS組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析得出以下結(jié)論：

1)小震情況下，BRB不屈服為結(jié)構(gòu)提供剛度，大震下屈服耗能，降低結(jié)構(gòu)地震力作用，因此裝配式框架—BRB結(jié)構(gòu)體系較好。

2)半剛性連接削弱了RCS混合結(jié)構(gòu)框架的整體剛度，其層間位移角大于剛性連接，各層剪力小于剛性連接，但半剛性連接RCS組合框架的抗震性能較好。

3)半剛性連接節(jié)點(diǎn)降低結(jié)構(gòu)整體剛度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變?nèi)?，但?duì)RCS組合框架的破壞形態(tài)影響不大。且可通過附加BRB增加多遇地震情況下的整體剛度，并在旱遇地震情況下通過滯回耗能有效減小半剛性連接RCS混合結(jié)構(gòu)框架的地震響應(yīng)，增加結(jié)構(gòu)抗震能力。