預制裝配式RCS組合框架結構動力時程分析

陳士軍 刁子坤 宋惠峰 郭維明

(1.江蘇美城建筑規劃設計院有限公司，江蘇 淮安 223005； 2.南通藍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—混凝土柱組合結構(RCS)的應用。RCS組合結構充分發揮鋼材、混凝土這兩種不同材料的優點，同時采用預制裝配式RCS組合結構會加快施工速度，有助于建筑工業化發展，促進綠色建筑的實現，減少能源消耗[1-4]。

Northridge地震后，根據震后災害調查發現：與剛性連接節點相比，半剛性節點具有更好的延性、耗能能力和穩定的滯回性能[5,6]。因此，半剛性連接的RCS組合框架結構更方便地滿足在梁端出鉸以消散地震能量,避免因節點失效引起結構倒塌[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混合框架結構模型及附加BRB的半剛性連接RCS混合框架結構，對這些模型進行時程分析對比，研究了半剛性節點對RCS組合框架結構抗震性能的影響以及BRB對RCS混合結構框架的抗震性能作用。

1 有限元模型建立

設計典型分析模型，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，設計使用年限50年，設防烈度7度(0.15g)，場地類別Ⅱ類。采用C30等級混凝土柱，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M20高強螺栓，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以及屈服指數為10。

2 多遇地震下時程分析結果

在ETABS模型中輸入兩天天然地震波，分別為TH120TG035(TH1)和TH1TG035(簡稱TH2)，并根據規范進行修正加速度峰值，在ETABS荷載工況內設定模態阻尼參數時需要輸入結構第一、二自震周期，則通過PKPM模態計算的周期和阻尼比回代到ETABS模型中。

根據小震時程分析計算結果進行分析，圖2為在多遇地震作用下的結構頂點側移時程曲線。從圖2中可知：半剛性連接框架的頂點側移普遍大于剛性連接框架，附加BRB的RCS框架頂點位移小于未布置BRB的框架，未設BRB的RCS組合框架的定點位移側移情況較為明顯，說明附加BRB能夠有效減小半剛性連接框架的頂點側移，保證結構在地震作用下的安全。

天然波地震作用下結構底部剪力時程曲線如圖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組合框架側向位移，解決了半剛性連接RCS組合框架由于剛度不足而導致結構側移增大的問題。

根據地震波作用下，獲得各樓層層間位移角數據，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小于半剛性連接RCS組合框架，且滿足規范限制要求，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。

3 大震彈塑性時程分析

根據相應規范，在ETABS模型中對地震波的峰值加速度進行修正，設置多線程求解器，進行時程計算，根據計算結果分析可知罕遇地震作用下RCS組合框架的地震響應，圖6為罕遇地震作用下結構的頂點側移時程曲線圖。從圖6中可知：罕遇地震作用下RCS組合框架的頂點位移最大為半剛性連接，其次為剛性連接，最小頂點位移為帶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，表明半剛性連接節點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，其底部剪力與原結構的底部剪力相比較，情況相反。由此可知：BRB在大震情況下已進入塑性屈服階段，為結構提供剛度有限，同時BRB大震耗能減小了對框架所受的地震力，起到保護原結構的作用。

圖8為不同地震波下RCS組合框架結構的樓層側向位移曲線圖。從圖8中可知：在TH2波作用下，半剛性連接RCS組合框架的樓層側移都小于剛性連接框架，附加BRB的RCS組合結構側向位移最小，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。

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大致是一致的，且都滿足規范中的限制要求。RCS組合框架的半剛性連接節點僅降低結構整體剛度，致使框架層間剛度較弱，位移較大，但對整體RCS組合框架力學性能及破壞形態影響有限。

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，降低結構側向地震力，保護原結構。在罕遇地震作用下，塑性鉸出現的位置出現在半剛性連接的組合框架結構的中間層的梁端，而帶BRB的半剛性連接RCS組合框架在大震中均未出現塑性鉸，表明框架受BRB保護。

4 結語

本文通過etabs對RCS組合結構進行彈塑性分析得出以下結論：

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

2)半剛性連接削弱了RCS混合結構框架的整體剛度，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)半剛性連接節點降低結構整體剛度，導致結構變柔，但對RCS組合框架的破壞形態影響不大。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混合結構框架的地震響應，增加結構抗震能力。