裝配式RCS組合節點減震框架結構地震響應研究*

劉朋 何昕雷 張文婷 王麗梅 程選生

1.中鐵21局集團有限公司第二工程公司 蘭州730000

2.福建農林大學金山學院 福州350001

3.蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心 730050

4.蘭州理工大學 甘肅省土木工程防災減災重點實驗室 730050

引言

目前，國內外學者對傳統RCS組合結構和組合節點的受力性能、抗震性能以及阻尼器的設置應用進行了大量的研究。王修軍等［1］針對裝配式梁柱外環板高強螺栓連接節點抗震性能開展了擬靜力加載試驗。秦珂［2］對帶節點板角鋼連接梁柱節點的受力性能進行試驗分析和有限元數值模擬。Kuramoto和Nishiyama［3］測試了RCS組合結構梁柱節點的結構性能和應力傳遞機理。李自林等［4］對方形鋼管混凝土柱—H型鋼梁全螺栓隔板貫通連接節點進行反復加載試驗。劉陽等［5］研究發現節點鋼板桶和加勁腹板提高了節點的抗剪能力。貢雪健［6］研究發現使用復合箍筋可有效提高節點承載能力和延性。Fargier-Gabaldón等［7］對連接節點進行試驗研究發現RCS結構具有很好的剛度退化率和耗能能力。Cheng和Chen［8］對有無樓板情況下RCS框架結構節點進行試驗。Alizadeh等［9］對自改進RCS連接結構的節點力學特性進行研究，結果表明：此類結構具有很好的延性。Bugeja等［10］對鋼筋混凝土柱+復合鋼梁組合結構體系進行試驗研究，Parra-Montesinos等［11］研究表明：RCS結構可適用于高地震危險區域，結構強度保持良好。Amadio等［12］研究發現設置黏彈性支撐可有效地提高此類組合結構的耗能能力。王豐磊［13］提出了設置放大型阻尼器的高耗能混凝土梁柱節點構造方法。吳從曉等［14］提出了一種將扇形鉛黏彈性阻尼器與預制裝配式混凝土框架相結合的方法。朱家旺［15］對裝有H形金屬阻尼器的梁柱新型節點進行建模研究。李天程［16］研究表明：減震加固效果顯著，耗能能力較好，但延性稍差。閆維明等［17］研制出了一種可將小變形放大從而實現耗能的轉動式鉛剪切阻尼器。徐昕［18］研究發現，裝有阻尼器結構的層間位移角和頂點加速度等指標均減小很多，結構耗能能力良好。劉猛［19］對設置了新型轉動式鉛阻尼器的預應力裝配式混凝土框架節點進行有限元分析和試驗對比分析。

綜上可知，目前國內外學者對傳統的RCS組合結構的受力性能和抗震性能進行了一定的研究，也取得許多重要成果，但目前對于安裝阻尼器的裝配式RCS組合框架結構地震響應分析研究較少，因此本文對各裝配式RCS組合節點連接的框架結構地震響應及減震效果進行分析研究，為今后裝配式RCS組合節點及結構的抗震設計提供一些參考依據。

1 扇形鉛黏彈性阻尼器參數及布置

根據文獻［2］中扇形鉛黏彈性阻尼器的信息，參考設計一個阻尼器對其在RCS組合結構中的減震效果進行研究，其參數見表1和表2。

表1 阻尼器材料參數Tab.1 Material parameters of damper

表2 阻尼器力學參數Tab.2 Damper mechanical parameters

利用Combin39單元的非線性，通過輸入阻尼器的本構關系模擬其耗能性能，阻尼器在框架結構中的布置如圖1所示。框架結構層高為3.3m，每跨跨度為6m，柱子為0.6m×0.6m，梁為HM440×300×11×18的型鋼。混凝土等級為C40，彈性模量為3.25×104MPa，泊松比為0.2，密度為2500kg/m3；梁采用Q235級鋼材，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。

圖1 阻尼器布置Fig.1 Damper arrangement

2 RCS減震框架結構的地震響應

分別通過El-Centro波、Kobe波和Imperial波獲得結構頂點位移、層間位移角、最大基底剪力，從而獲得不同減震節點的裝配式RCS組合節點對框架結構的減震效果，節點參數見表3。

表3 節點尺寸參數Tab.3 Node size parameter

2.1 地震波

選取了El-Centro地震波（持時20s）、Kobe地震波（持時30s）以及Imperial波（持時30s）等三條實際強震記錄對RCS組合框架結構進行分析。按照規范要求對三條地震波的峰值加速度進行調幅，按照8度常遇地震要求將三條地震波的加速度峰值均調整為2m/s2，調幅后各加速的時程曲線如圖2所示。

圖2 加速度時程曲線Fig.2 Acceleration time history curve

2.2 El-Centro波下RCS減震框架結構的地震響應

1.頂點位移

獲得不同減震節點結構在El-Centro地震波作用下的結構頂點位移峰值見表4。

表4 El-Centro波下頂點位移峰值Tab.4 Peak displacement under El-Centro

由表4可知，布置阻尼器后普通剛接框架頂點的位移峰值相較于未布置阻尼器時減小9.87%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4連接框架結構頂點位移峰值較未加阻尼器之前分別減小46.05%、47.17%、49.22%以及50.04%。

2.層間位移角

獲得不同減震節點結構在El-Centro地震波作用下的結構層間位移角曲線如圖3所示，最大層間位移角見表5。

由表5可知，布置阻尼器后普通剛接框架最大層間位移角相較于未布置阻尼器時減小9.17%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4連接框架結構最大層間位移角較未加阻尼器之前分別減小42.13%、43.21%、45.12%以及45.89%。

圖3 El-Centro波下層間位移角Fig.3 Interlayer displacement angle under El-Centro

表5 El-Centro波下最大層間位移角Tab.5 Maximum interlayer displacement angle under El-Centro

3.最大基底剪力

獲得不同減震節點結構在El-Centro地震波作用下的結構層間剪力曲線如圖4所示，最大基底剪力如表6所示。

圖4 El-Centro波下層間剪力Fig.4 Interlayer shear force under El-Centro

表6 El-Centro波下最大基底剪力Tab.6 Base shear force under El-Centro

由表6可知，布置阻尼器后普通剛接框架最大基底剪力相較于未布置阻尼器時減小0.13%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4連接框架結構最大基底剪力較未加阻尼器之前分別減小8.07%、8.35%、8.81%以及8.97%。

2.3 Kobe波下RCS減震框架結構的地震響應

1.頂點位移

獲得不同減震節點結構在Kobe地震波作用下的結構頂點位移峰值見表7。

表7 Kobe波頂點位移峰值Tab.7 Peak displacement under Kobe wave

由表7可知，布置阻尼器后普通剛接框架頂點位移峰值相較于未布置阻尼器時減小9.43%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4連接框架結構頂點位移峰值較未加阻尼器之前分別減小39.19%、40.16%、41.87%以及42.52%。

2.層間位移角

獲得不同減震節點結構在Kobe地震波作用下的結構層間位移角曲線如圖5所示，最大層間位移角見表8。

圖5 Kobe波下層間位移角Fig.5 Interlayer displacement angle under Kobe wave

表8 Kobe波最大層間位移角Tab.8 Maximum interlayer displacement angle under Kobe wave

由表8可知，布置阻尼器后普通剛接框架最大層間位移角相較于未布置阻尼器時減小8.78%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4連接框架結構的最大層間位移角較未加阻尼器之前分別減小35.14%、35.99%、37.53%以及38.15%。

3.最大基底剪力

獲得不同減震節點結構在Kobe地震波作用下的結構層間剪力曲線如圖6所示，最大基底剪力見表9。

圖6 Kobe波下層間剪力Fig.6 Interlayer shear force under Kobe wave

表9 Kobe波下最大基底剪力Tab.9 Base shear force under Kobe wave

由表9可知，布置阻尼器后普通剛接框架最大基底剪力相較于未布置阻尼器時減小-0.85%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4連接框架結構最大基底剪力較未加阻尼器之前分別減小-2.35%、-2.35%、-2.35%以及-2.36%。2.4 Imperial波下RCS減震框架結構的地震響應

1.頂點位移

獲得不同減震節點結構在Imperial地震波作用下的結構頂點位移峰值見表10。

表10 Imperial波下頂點位移峰值Tab.10 Peak displacement under Imperial wave

由表10可知，布置阻尼器后普通剛接框架頂點位移峰值相較于未布置阻尼器時減小9.16%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4連接框架結構頂點位移峰值較未加阻尼器之前分別減小36.69%、37.34%、38.49%以及38.92%。

2.層間位移角

獲得不同減震節點結構在Imperial地震波作用下的結構層間位移角曲線如圖7所示，最大層間位移角見表11。

圖7 Imperial波下層間位移角Fig.7 Interlayer displacement angle under Imperial wave

表11 Imperial波下最大層間位移角Tab.11 Maximum interlayer displacement angle under Imperial wave

由表11可知，布置阻尼器后普通剛接框架最大層間位移角相較于未布置阻尼器時減小8.52%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4連接框架結構最大層間位移角較未加阻尼器之前分別減小31.94%、32.58%、33.57%以及34.05%。

3.最大基底剪力

獲得不同減震節點結構在Imperial地震波作用下的結構層間剪力曲線如圖8所示，最大基底剪力見表12。

由表12可知，布置阻尼器后普通剛接框架最大基底剪力相較于未布置阻尼器時減小-0.49%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4連接框架結構的最大基底剪力較未加阻尼器之前分別減小-2.91%、-2.92%、-3.10%以及-3.54%。

圖8 Imperial波下層間剪力Fig.8 Interlayer shear force under Imperial wave

表12 Imperial波下最大基底剪力Tab.12 Maximum base shear force under Imperial wave

3 結論

在El-Centro波、Kobe波或Imperial波作用下，考慮頂點位移、層間位移角和最大基底剪力，可得到：

1.布置阻尼器后各框架結構位移響應及最大層間位移角均有所減小，且各裝配式RCS框架結構減小幅度較普通剛接RCS框架結構更大。

2.扇形鉛黏彈性阻尼器對各RCS框架結構的最大基底剪力的減小效果具有不確定性，因此在實際工程中對于基底剪力應具體情況具體分析。

3.可替換裝配式RCS組合節點連接的框架結構的減震效果與不可替換節點的減震效果相差不大，進一步說明研究可替換節點具有實際工程意義。