梁翼缘削弱式钢框架结构静力弹塑性分析

余　龙（滁州职业技术学院土木工程系，安徽滁州239000）

梁翼缘削弱式钢框架结构静力弹塑性分析

余龙
（滁州职业技术学院土木工程系，安徽滁州239000）

在对已发生的大地震调查中发现，钢框架结构刚性连接的抗震性能不足.为了提高结构的抗震性，梁构件采用翼缘削弱型梁（RBS）、运用SAP2000建立钢框架结构模型进行静力弹塑性分析.通过数值分析，RBS结构较刚性连接结构塑性铰出现时的顶点位移增加7.3％，结构整体抗震性能得到提高.

钢框架；RBS梁；塑性铰；静力弹塑性分析

Yu L.Pushover Analysison Steel Framewith Reduced Beam Section[J].Journal of Yibin University,2015,15（6）：36-38.

在已发生的强震中，如美国洛杉矶北岭地震（1994年）、日本阪神地震（1995年），震后的调查中发现，传统形式的钢框架结构的破坏严重.主要因为框架节点处是处于刚性连接，产生了脆性破坏[1].现行抗震规范规定，结构应保证“强柱弱梁”，但在实际施工中，常会出现柱刚度不及梁的现象，从而造成结构的抗震性能削弱.为了解决此类问题，具有延性的梁翼缘削弱型的梁柱节点得到关注.目前对于翼缘削弱式梁（RBS）已有一定的研究[2-3]，但多数是对于节点局部的分析，对于采用翼缘削弱式梁的钢框架的整体的抗震性能分析尚较少.通过对此类钢框架结构的静力弹塑性分析（Pushover），可比较其与传统钢结构的抗震性.

1　结构模型

1.1结构概况

钢框架结构平面图如图1所示，主梁GL1截面选取为HM350×250×9×14，次梁GL2截面为HM250× 175×7×11，柱GZ1截面选取为HW350×350×12×19，柱GZ2截面为HW300×300×10×15，所有结构构件均为Q235.该框架结构上的活荷载、填充墙自重均按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）取值.设计地震烈度为7度，Ⅱ类场地，按第一组进行设计.

图1　结构平面图

1.2RBS梁模型

RBS梁削弱部位示意图如图2所示.依据文献[1]、[4]中的参数，图2中切割位置截面的尺寸取值为：

a=0.75bf，b=0.85bf，c=0.2bf

其中bf为工字型钢梁上下翼缘的宽度.为了实现有限元模型的建立，RBS梁的切割截面采用梯形来实现，如图3所示.

图2　RBS梁示意图

图3　RBS梁有限元模型（局部）

2　有限元分析

2.1有限元模型

采用SAP2000建立钢框架结构有限元分析模型（见图4），结构中楼板设置为钢筋混凝土楼板，厚为100mm，依据SAP2000程序特点，将楼板定义为刚性隔板.整个结构中楼板采用壳单元定义，型钢梁、型钢柱定义为线单元.在所建立的采用RBS梁的结构模型中，RBS梁的端部有限元模型如图3所示.

图4　钢框架结构有限元模型

2.2静力弹塑性分析

在结构的静力弹塑性分析中，不考虑几何非线性参数，荷载施加控制方式采用位移控制.依据现行抗震规范，控制的位移设置为楼层层高的1/50[5].监测位移方向设置为Y方向，即结构的纵向方向，位移监测点选择在结构的顶点处.

在分析中，钢框架进入塑性阶段后，结构构件所产生的屈服可用塑性铰来反映.结构分析中的塑性铰采用了SAP2000程序中所提供的默认塑性铰本构关系，钢框架结构的梁构件采用主弯矩M3铰，柱构件采用轴力与弯矩耦合的P-M2-M3铰，铰的卸载方法设置为去载整个结构.塑性铰的本构关系及其他属性等具体情况可参见文献[6].

对于静力弹塑性分析的侧向荷载加载模式，采用了SAP2000程序所提供的以模态分析后产生的振型荷载分布为加载荷载，以重力荷载工况作用下所产生的内力和变形来作为Pushover分析的起点.

3　计算分析结果

3.1结构模态分析

采用SAP2000对结构模型进行了模态分析，结构的前5阶周期见表1.从表1可看出，两种结构的周期没有显著变化，RBS结构的周期较原结构有所减小，但减小的幅度较小，说明钢结构中的钢梁翼缘削弱形成RBS梁对结构的整体刚度影响较小.

表1　结构周期

3.2Pushover分析

在7度罕遇地震作用下，水平地震影响系数最大值为0.5，多层钢结构的阻尼比取为0.05.通过SAP2000的Pushover分析，可得到：

1）结构的荷载位移曲线（见图5），通过该曲线可看出钢框架的荷载位移曲线有着显著的非线性特性，RBS结构的初始刚度较原结构有着明显的减小，在地震荷载作用下，两种结构的极限承载性能没有明显差别.在地震荷载作用下，RBS结构的延性较原结构有所增大.

2）罕遇地震作用下，Pushover分析的结构能力谱曲线（见图6），结构的能力谱曲线与地震作用需求谱曲线的相交点，即为在该罕遇地震作用下，结构的底部剪力和顶点位移[7].图6中（a）图为原结构的能力谱曲线图，其性能点（V，D）数值为（754 024.3，40.42）；（b）图为RBS结构的能力谱曲线图，其性能点（V，D）数值为（664 400.7，38.48）.

图5　荷载位移曲线

图6　Pushover能力谱曲线

3）图7所示的为结构的塑性铰在结构构件的部位及塑性铰的状态，（a）图为原结构的塑性铰示意图，（b）图为RBS结构塑性铰示意图.在原结构的Pushover分析中，CP至C过程有3个塑性铰，C至D过程有21个塑性铰；在RBS结构的分析中，CP至C过程有6个塑性铰，C至D过程有18个塑性铰，其中的CP代表铰的能力水平，表示建筑物不倒塌；C代表Pushover分析的极限承载力；D代表为残余强度.RBS结构较原结构在C至D的塑性铰有所减少，说明钢结构梁构件采用翼缘削弱式梁具有消能减震作用，结构延性得到提高.当原结构塑性铰出现时顶点位移为107.6mm，RBS结构塑性铰出现时顶点位移为115.5mm，位移增加7.3％.

4　结语

本文建立了传统的刚性连接钢结构和采用翼缘削弱式梁的钢框架两种结构的有限元模型，通过SAP2000对两种结构进行了Pushover分析，结果表明，钢结构中梁构件采用翼缘削弱式梁，使结构的延性得到提高，结构整体的抗震性能更好，结构构件的塑性铰能力水平得到提升.

图7　塑性铰示意图

[1] 陈向荣,卢小松,李刚.翼缘削弱钢梁（RBS）构件的受力分析和设计[J].钢结构,2003,18（6）：51-53.

[2]厉凤香,付效兵,金尾伊織,等.含有RBS梁的部分钢框架的有限元分析[C]//第20届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅱ册）,宁波，2011：333-338.

[3]王聪,李军,陈明善,等.新型钢结构梁柱节点关键部位的应力分析[J].青岛理工大学学报,2013,34（4）：34-39.

[4]宿专青,殷福新.冲击荷载下梁端削弱型钢框架的动力分析[J].四川建筑科学研究,2013,39（4）：35-39.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[6]北京金土木软件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].第二版.北京：人民交通出版社, 2012.

[7]汪大绥,贺军利,张凤新.静力弹塑性分析（Pushover Analysis）的基本原理和计算实例[J].世界地震工程,2004,20（1）：45-53.

（编校：王露）

Pushover Analysison Steel Frame w ith Reduced Beam Section

YU Long
（DepartmentofCivilEngineering,Chuzhou Vocationaland TechnicalCollege,Chuzhou,Anhui239000,China）

Seismic survey on the pastearthquakes reveals that the rigid connection ofsteel frame structuresshowsan inad⁃equacy in seismic performance.In order to improve the seismic resistance of the structure,beams with reduced beam flange（RBS）should be applied.SAP2000wasused to build steel frame structuremodel for pushover analysis.Numerical analysis proves that the vertex displacement of RBS structure increases by 7.3％when plastic hinge appears compared with thatof the rigid connection structure,so that theoverallseismic performance is improved.

steel frame；RBSbeam；plastic hinge；pushoveranalysis

TU392

A

1671-5365（2015）06-0036-03

2015-03-24修回：2015-04-07

余龙（1985-），男，工程师，工学硕士，研究方向为工程结构抗震理论与应用

网络出版时间：2015-04-07 16：26网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20150407.1626.001.html

引用格式：余龙.梁翼缘削弱式钢框架结构静力弹塑性分析[J].宜宾学院学报,2015,15（6）：36-38.