RCS和RC空間框架的Pushover對比分析

何 芮 （閩西職業技術學院，福建 龍巖 364021）

0 前言

鋼梁-混凝土柱（RCS）框架和普通的鋼筋混凝土（RC）框架相比，具有更加優越的性能，近些年受到了越來越多的關注[1-3]。諸多的試驗和仿真模擬表明，梁和柱分別采用不同的材料能更好地發揮出自身的優勢。雖然從上個世紀80年代開始，海內外就已經對RCS空間框架結構的抗震性能做了很多研究工作[4,5]，但缺乏它處于地震高烈度區的研究結果。本文使用有限元軟件ETABS，分別對層數不同的3組RC空間框架和RCS空間框架做了多遇地震和罕遇地震作用下的靜力彈塑性（Pushover）研究[6,7]，重點對比分析了這兩種空間框架在剛度、強度、穩定性和延性等方面的性能。

1 模型概況

利用ETABS軟件，建立3組RC空間框架及RCS空間框架模型，分別命名RC1和RCS1、RC2和RCS1、RC3和RCS3，框架的平面布置圖見圖1。模型的層高均取3.3m；第1組層數為三層，第2組層數是五層，第3組層數是八層；梁、柱截面尺寸見表1。同種框架選用一樣的材料，現澆板的板厚取值120mm，主要材料的強度見表2。C40混凝土質量密度為2550 kg/m3，彈性模量取為32500；鋼材質量密度為7850 kg/m3，彈性模量取為20600。

設計資料：屋面和樓面的恒載取值1.0kN/m2（除去樓板自重），活載取值2.0kN/m2；假定工程位于抗震設防烈度7度區（0.10g，第一組），抗震等級三級，特征周期0.35s，場地類別是Ⅱ類；基本風壓0.45kN/m2，風荷載體型系數μs=1.3，地面粗糙度C類；環境類別為一類，框架結構的阻尼比取0.05。

圖1 結構平面圖（mm）

梁柱截面尺寸 表1

主要材料的強度 表2

2 多遇地震Pushover分析

通過程序（ETABS）地震反應譜分析、設計、校核以后，做出結構模型在受到多遇地震作用時的靜力彈塑性分析。經過查抗震規范可知特征周期值0.35s，水平地震影響系數的最大值是0.08。3組模型在多遇地震下的樓層位移、層間位移及層間位移角分別見表3、表 4、表5。

RC1與RCS1框架樓層位移和層間位移（角） 表3

RC2與RCS2框架樓層位移和層間位移（角） 表4

RC3與RCS3框架樓層位移和層間位移（角） 表5

分析表3～表5可得：①RC1框架最大層間位移角的值是1/1257rad，RCS1框架最大層間位移角的值是 1/755rad，RC2框架最大層間位移角的值是1/1205rad，RCS2框架最大層間位移角的值是1/685rad，RC3框架最大層間位移角的值是1/1189rad，RCS3框架最大層間位移角的值是1/597rad，均比彈性層間位移角的限值1/550更小，符合規范規定；②RCS框架與RC框架相比，前者的層間位移更大，原因在于3個RCS模型在設計和分析過程中選取的型鋼梁的剛度比混凝土梁的剛度要小，因此在將來的研究過程中，要加強研究組合梁。

3 罕遇地震Pushover分析

3.1 能力譜分析

當框架受到罕遇地震作用時，進入到彈塑性狀態的概率較大，以下運用靜力彈塑性的分析方法研究模型。

設防烈度7度區，水平地震影響系數的最大值取0.50，阻尼比0.05，特征周期值Tg=0.35s。TRC1=0.5s，TRCS1=0.725s；TRC2=0.702s，TRCS2=1.173s；TRC3=1.067s，TRCS3=1.742s。Tg＜TRC1≤5Tg，Tg＜TRCS1≤5Tg，Tg＜TRC2≤5Tg，Tg＜TRCS2≤5Tg，Tg＜TRC3≤5Tg，Tg＜TRCS3≤5Tg。利用ETABS程序中采用的ACT40轉化為中國規范中的反應譜來確定反應譜參數CA和CV，求出CA和CV的值見表6。3組模型在到達性能點時候的能力譜曲線見圖 2～ 圖 4。△roof=0.041m，由于△roof=0.041m＜×9.9=0.198m（1/50為抗震規范當中給出的彈塑性層間位移角的限值）；RC2框架結構的性能點Sa=0.214，Sd=0.040經過轉換，可得 V=9277kN，△roof=0.067m＜×16.5=

模型 RC1 RCS1 RC2 RCS2 RC3 RCS3 0.207 0.215 0.214 0.226 0.224 0.235 0.181 0.188 0.188 0.198 0.196 0.206

圖2 RC1、RCS1能力譜曲線

圖3 RC2、RCS2能力譜曲線

圖4 RC3、RCS3能力譜曲線

分析以上3組能力譜曲線可知，受到罕遇地震作用的時候，RCS1、RCS2、RCS3框架均沒有達到彈塑性階段，仍處于彈性階段；RC1、RC2、RC3框架結構均已處于彈塑性階段。說明相比于RC框架模型，RCS框架模型擁有更強的抵御地震作用的能力。

RC1框架的性能點 Sa=0.192，Sd=0.0316，經過ADRS格式譜加速度公式的轉換，可得V=9316kN，0.330；RC3 框架結構的性能點 Sa=0.066，Sd=0.083，經過轉換，可得V=8977kN，△roof=0.109m＜×26.4=0.528m。因此可知，RC1、RC2、RC3 框架結構的頂點位移均滿足彈塑性極限值的要求，并符合“大震不倒”的規定。

3.2 基底剪力和頂層位移分析

3組模型的基底剪力和頂層位移之間的關系曲線（Pushover能力曲線）如下圖5～圖7。

圖5 第1組模型Pushover能力曲線

圖6 第2組模型Pushover能力曲線

圖7 第3組模型Pushover能力曲線

由上面3組模型的Pushover能力曲線看出，RC框架模型和RCS框架模型的能力曲線均為平滑的曲線，經歷了彈性階段、彈塑性階段以及塑性階段，最終破壞。在結構處于彈性階段，且頂層位移相同的條件下，RC框架模型的基底剪力值更大。達到彈塑性階段以后，RC框架和RCS框架開始產生塑性鉸，結構的整體剛度明顯下降。伴隨監測點位移增加，RCS框架的變形迅速，在塑性階段，模型基底剪力的絕對值漸漸達到穩定；而RC框架在塑性階段時，基底剪力的絕對值先上升，之后便下降。與RCS框架結構相對比，RC框架結構的屈服點與極限點所對應的基底剪力值僅達到它的1/2左右。因此可判定，RCS框架的極限水平承載能力更高，可以承受得了更大的地震荷載。

另外，由Pushover能力曲線還可看出，RC框架結構在形成機構時便結束了運算，達不到模型預先設置的監測位移值，而RCS框架架構是在達到模型預先設定的監測位移值后才結束運算。通過計算模型的延性，可知RCS框架的延性比RC框架更好。因此可判定，RCS框架抵抗變形的能力更強，位移延性也更好。

3.3 剛度退化

3組模型的剛度退化曲線如下圖8～圖10。

圖8 第1組模型剛度退化曲線

圖9 第2組模型剛度退化曲線

圖10 第3組模型剛度退化曲線

由以上3組模型的剛度退化曲線可知，初期RCS框架結構的剛度明顯小于RC框架結構。究其原因，是由于軟件模擬的限制，模型在分析和設計過程當中，并不是按照組合梁設計，而是按照型鋼梁來設計。如果在試驗過程中采用組合梁設計、分析，RCS框架的初期剛度會顯著增大。然后在受到罕遇地震作用的時候，3組模型均到達塑性變形階段。比較3組模型的剛度退化曲線，可知RC框架模型的曲線更陡，剛度退化的比較快；而RCS框架模型的曲線比較平緩，剛度退化較慢，并且RC框架模型比RCS框架模型在后期的剛度值更小。RC框架結構的剛度退化過快，很容易發生框架的急速破壞甚至會出現整體倒塌。因此可判定，RC框架結構的柔度更大，RCS框架結構的剛度更大，使RCS框架結構發生單位變形所需要的荷載值也更大，更不易出現倒塌破壞。

4 結論

通過多遇和罕遇地震作用的分析，可得到以下結論。

①3組模型中，RCS框架結構與RC框架結構相比，在梁高降低150mm的前提下，仍可抵抗更強的地震作用，有更好的性能。說明施工中采用鋼梁-混凝土柱組合結構的框架，可以增加建筑的空間凈高，更適合用于大跨度建筑中。

②受到罕遇地震作用時，RC框架結構很快便進入到彈塑性階段，RCS框架結構達到屈服階段的時間點顯著更晚，并且RCS框架的屈服強度與極限強度所對應的基底剪力絕對值明顯比RC框架更大，說明RCS框架能夠抵抗烈度更大的地震作用，擁有更強的極限承載能力。

③RCS框架結構的位移延性和剛度更大，使RCS框架結構發生單位變形所需要的荷載值也更大，更不易出現倒塌破壞。