预制装配式RCS组合框架结构动力时程分析

陈士军 刁子坤 宋惠峰 郭维明

(1.江苏美城建筑规划设计院有限公司，江苏 淮安 223005； 2.南通蓝科减震科技有限公司，江苏 南通 226017)

0 引言

最近几十年，美国、日本等国高度重视钢梁—混凝土柱组合结构(RCS)的应用。RCS组合结构充分发挥钢材、混凝土这两种不同材料的优点，同时采用预制装配式RCS组合结构会加快施工速度，有助于建筑工业化发展，促进绿色建筑的实现，减少能源消耗[1-4]。

Northridge地震后，根据震后灾害调查发现：与刚性连接节点相比，半刚性节点具有更好的延性、耗能能力和稳定的滞回性能[5,6]。因此，半刚性连接的RCS组合框架结构更方便地满足在梁端出铰以消散地震能量,避免因节点失效引起结构倒塌[7,8]。本文利用非线性有限元软件ETBAS，建立6层半刚性、刚性RCS混合框架结构模型及附加BRB的半刚性连接RCS混合框架结构，对这些模型进行时程分析对比，研究了半刚性节点对RCS组合框架结构抗震性能的影响以及BRB对RCS混合结构框架的抗震性能作用。

1 有限元模型建立

设计典型分析模型，建立6层梁柱刚性连接RCS组合框架、6层半刚性连接RCS组合框架及附加BRB半刚性连接RCS组合框架，设计使用年限50年，设防烈度7度(0.15g)，场地类别Ⅱ类。采用C30等级混凝土柱，1层～3层采用450 mm×450 mm截面，4层～6层采用400 mm×400 mm，采用Q235的工字型钢梁，钢梁采用HN200×100×6×8，10.9级M20高强螺栓，孔径为21.5 mm。梁线恒荷载为10 kN/mm，线活荷载为10 kN/mm，有限元模型建立如图1所示。

本文选择Plastic(Wen)单元模拟BRB，并定义BRB的等效截面为100 mm×100 mm，线刚度为289 kN·mm、屈服承载力为2 000 kN、屈服后刚度比为0.05以及屈服指数为10。

2 多遇地震下时程分析结果

在ETABS模型中输入两天天然地震波，分别为TH120TG035(TH1)和TH1TG035(简称TH2)，并根据规范进行修正加速度峰值，在ETABS荷载工况内设定模态阻尼参数时需要输入结构第一、二自震周期，则通过PKPM模态计算的周期和阻尼比回代到ETABS模型中。

根据小震时程分析计算结果进行分析，图2为在多遇地震作用下的结构顶点侧移时程曲线。从图2中可知：半刚性连接框架的顶点侧移普遍大于刚性连接框架，附加BRB的RCS框架顶点位移小于未布置BRB的框架，未设BRB的RCS组合框架的定点位移侧移情况较为明显，说明附加BRB能够有效减小半刚性连接框架的顶点侧移，保证结构在地震作用下的安全。

天然波地震作用下结构底部剪力时程曲线如图3所示。从图3中可知：刚性连接RCS组合框架的底部剪力基本都大于半刚性连接。带BRB的半刚性连接RCS组合框架由于BRB在多遇地震情况下并未屈服，提供侧向刚度，故而基底剪力较大。

天然波地震作用下RCS组合框架各楼层最大侧位移如图4所示。从图4中可知：多遇地震作用下RCS组合框架的各楼层的最大侧移为半刚性连接，其次刚性连接，而带BRB的半刚性连接RCS组合框架的各层最大侧移最小。说明添加了BRB能够有效减小半刚性连接RCS组合框架侧向位移，解决了半刚性连接RCS组合框架由于刚度不足而导致结构侧移增大的问题。

根据地震波作用下，获得各楼层层间位移角数据，绘制层间位移角如图5所示。从图5中可知：刚性连接的RCS组合框架的层间位移角均小于半刚性连接，且满足规范限制要求。附加BRB的半刚性连接RCS组合框架的最大层间位移角远小于半刚性连接RCS组合框架，且满足规范限制要求，则说明附加BRB可有效改善半刚性连接RCS组合框架的鞭梢效应。

3 大震弹塑性时程分析

根据相应规范，在ETABS模型中对地震波的峰值加速度进行修正，设置多线程求解器，进行时程计算，根据计算结果分析可知罕遇地震作用下RCS组合框架的地震响应，图6为罕遇地震作用下结构的顶点侧移时程曲线图。从图6中可知：罕遇地震作用下RCS组合框架的顶点位移最大为半刚性连接，其次为刚性连接，最小顶点位移为带BRB半刚性连接RCS组合框架。

罕遇地震作用下RCS组合框架的底部剪力时程曲线如图7所示。从图7中可知：整体来看，罕遇地震作用下的底部剪力最大为刚性连接，其次为半刚性连接，最小为带BRB的半刚性连接RCS组合框架，表明半刚性连接节点降低了框架的整体刚度，而带BRB半刚性连接的RCS组合框架在多遇地震和罕遇地震作用下，其底部剪力与原结构的底部剪力相比较，情况相反。由此可知：BRB在大震情况下已进入塑性屈服阶段，为结构提供刚度有限，同时BRB大震耗能减小了对框架所受的地震力，起到保护原结构的作用。

图8为不同地震波下RCS组合框架结构的楼层侧向位移曲线图。从图8中可知：在TH2波作用下，半刚性连接RCS组合框架的楼层侧移都小于刚性连接框架，附加BRB的RCS组合结构侧向位移最小，说明BRB能够有效控制半刚性连接RCS组合框架在地震作用下的位移响应。

罕遇地震作用下RCS组合框架各楼层的最大层间位移角如图9所示。从图9中可知：总体上，半刚性连接RCS组合框架各楼层的最大层间位移角大于刚性连接，层间位移角的曲线的走势大致是一致的，且都满足规范中的限制要求。RCS组合框架的半刚性连接节点仅降低结构整体刚度，致使框架层间刚度较弱，位移较大，但对整体RCS组合框架力学性能及破坏形态影响有限。

罕遇地震下，屈曲约束支撑的滞回曲线如图10所示。RCS组合框架中布置的BRB在大震情况下都屈服耗能，耗能效果较好，降低结构侧向地震力，保护原结构。在罕遇地震作用下，塑性铰出现的位置出现在半刚性连接的组合框架结构的中间层的梁端，而带BRB的半刚性连接RCS组合框架在大震中均未出现塑性铰，表明框架受BRB保护。

4 结语

本文通过etabs对RCS组合结构进行弹塑性分析得出以下结论：

1)小震情况下，BRB不屈服为结构提供刚度，大震下屈服耗能，降低结构地震力作用，因此装配式框架—BRB结构体系较好。

2)半刚性连接削弱了RCS混合结构框架的整体刚度，其层间位移角大于刚性连接，各层剪力小于刚性连接，但半刚性连接RCS组合框架的抗震性能较好。

3)半刚性连接节点降低结构整体刚度，导致结构变柔，但对RCS组合框架的破坏形态影响不大。且可通过附加BRB增加多遇地震情况下的整体刚度，并在旱遇地震情况下通过滞回耗能有效减小半刚性连接RCS混合结构框架的地震响应，增加结构抗震能力。