装配式RCS组合节点减震框架结构地震响应研究*

刘朋 何昕雷 张文婷 王丽梅 程选生

1.中铁21局集团有限公司第二工程公司 兰州730000

2.福建农林大学金山学院 福州350001

3.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心 730050

4.兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室 730050

引言

目前，国内外学者对传统RCS组合结构和组合节点的受力性能、抗震性能以及阻尼器的设置应用进行了大量的研究。王修军等［1］针对装配式梁柱外环板高强螺栓连接节点抗震性能开展了拟静力加载试验。秦珂［2］对带节点板角钢连接梁柱节点的受力性能进行试验分析和有限元数值模拟。Kuramoto和Nishiyama［3］测试了RCS组合结构梁柱节点的结构性能和应力传递机理。李自林等［4］对方形钢管混凝土柱—H型钢梁全螺栓隔板贯通连接节点进行反复加载试验。刘阳等［5］研究发现节点钢板桶和加劲腹板提高了节点的抗剪能力。贡雪健［6］研究发现使用复合箍筋可有效提高节点承载能力和延性。Fargier-Gabaldón等［7］对连接节点进行试验研究发现RCS结构具有很好的刚度退化率和耗能能力。Cheng和Chen［8］对有无楼板情况下RCS框架结构节点进行试验。Alizadeh等［9］对自改进RCS连接结构的节点力学特性进行研究，结果表明：此类结构具有很好的延性。Bugeja等［10］对钢筋混凝土柱+复合钢梁组合结构体系进行试验研究，Parra-Montesinos等［11］研究表明：RCS结构可适用于高地震危险区域，结构强度保持良好。Amadio等［12］研究发现设置黏弹性支撑可有效地提高此类组合结构的耗能能力。王丰磊［13］提出了设置放大型阻尼器的高耗能混凝土梁柱节点构造方法。吴从晓等［14］提出了一种将扇形铅黏弹性阻尼器与预制装配式混凝土框架相结合的方法。朱家旺［15］对装有H形金属阻尼器的梁柱新型节点进行建模研究。李天程［16］研究表明：减震加固效果显著，耗能能力较好，但延性稍差。闫维明等［17］研制出了一种可将小变形放大从而实现耗能的转动式铅剪切阻尼器。徐昕［18］研究发现，装有阻尼器结构的层间位移角和顶点加速度等指标均减小很多，结构耗能能力良好。刘猛［19］对设置了新型转动式铅阻尼器的预应力装配式混凝土框架节点进行有限元分析和试验对比分析。

综上可知，目前国内外学者对传统的RCS组合结构的受力性能和抗震性能进行了一定的研究，也取得许多重要成果，但目前对于安装阻尼器的装配式RCS组合框架结构地震响应分析研究较少，因此本文对各装配式RCS组合节点连接的框架结构地震响应及减震效果进行分析研究，为今后装配式RCS组合节点及结构的抗震设计提供一些参考依据。

1 扇形铅黏弹性阻尼器参数及布置

根据文献［2］中扇形铅黏弹性阻尼器的信息，参考设计一个阻尼器对其在RCS组合结构中的减震效果进行研究，其参数见表1和表2。

表1 阻尼器材料参数Tab.1 Material parameters of damper

表2 阻尼器力学参数Tab.2 Damper mechanical parameters

利用Combin39单元的非线性，通过输入阻尼器的本构关系模拟其耗能性能，阻尼器在框架结构中的布置如图1所示。框架结构层高为3.3m，每跨跨度为6m，柱子为0.6m×0.6m，梁为HM440×300×11×18的型钢。混凝土等级为C40，弹性模量为3.25×104MPa，泊松比为0.2，密度为2500kg/m3；梁采用Q235级钢材，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。

图1 阻尼器布置Fig.1 Damper arrangement

2 RCS减震框架结构的地震响应

分别通过El-Centro波、Kobe波和Imperial波获得结构顶点位移、层间位移角、最大基底剪力，从而获得不同减震节点的装配式RCS组合节点对框架结构的减震效果，节点参数见表3。

表3 节点尺寸参数Tab.3 Node size parameter

2.1 地震波

选取了El-Centro地震波（持时20s）、Kobe地震波（持时30s）以及Imperial波（持时30s）等三条实际强震记录对RCS组合框架结构进行分析。按照规范要求对三条地震波的峰值加速度进行调幅，按照8度常遇地震要求将三条地震波的加速度峰值均调整为2m/s2，调幅后各加速的时程曲线如图2所示。

图2 加速度时程曲线Fig.2 Acceleration time history curve

2.2 El-Centro波下RCS减震框架结构的地震响应

1.顶点位移

获得不同减震节点结构在El-Centro地震波作用下的结构顶点位移峰值见表4。

表4 El-Centro波下顶点位移峰值Tab.4 Peak displacement under El-Centro

由表4可知，布置阻尼器后普通刚接框架顶点的位移峰值相较于未布置阻尼器时减小9.87%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4连接框架结构顶点位移峰值较未加阻尼器之前分别减小46.05%、47.17%、49.22%以及50.04%。

2.层间位移角

获得不同减震节点结构在El-Centro地震波作用下的结构层间位移角曲线如图3所示，最大层间位移角见表5。

由表5可知，布置阻尼器后普通刚接框架最大层间位移角相较于未布置阻尼器时减小9.17%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4连接框架结构最大层间位移角较未加阻尼器之前分别减小42.13%、43.21%、45.12%以及45.89%。

图3 El-Centro波下层间位移角Fig.3 Interlayer displacement angle under El-Centro

表5 El-Centro波下最大层间位移角Tab.5 Maximum interlayer displacement angle under El-Centro

3.最大基底剪力

获得不同减震节点结构在El-Centro地震波作用下的结构层间剪力曲线如图4所示，最大基底剪力如表6所示。

图4 El-Centro波下层间剪力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，布置阻尼器后普通刚接框架最大基底剪力相较于未布置阻尼器时减小0.13%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4连接框架结构最大基底剪力较未加阻尼器之前分别减小8.07%、8.35%、8.81%以及8.97%。

2.3 Kobe波下RCS减震框架结构的地震响应

1.顶点位移

获得不同减震节点结构在Kobe地震波作用下的结构顶点位移峰值见表7。

表7 Kobe波顶点位移峰值Tab.7 Peak displacement under Kobe wave

由表7可知，布置阻尼器后普通刚接框架顶点位移峰值相较于未布置阻尼器时减小9.43%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4连接框架结构顶点位移峰值较未加阻尼器之前分别减小39.19%、40.16%、41.87%以及42.52%。

2.层间位移角

获得不同减震节点结构在Kobe地震波作用下的结构层间位移角曲线如图5所示，最大层间位移角见表8。

图5 Kobe波下层间位移角Fig.5 Interlayer displacement angle under Kobe wave

表8 Kobe波最大层间位移角Tab.8 Maximum interlayer displacement angle under Kobe wave

由表8可知，布置阻尼器后普通刚接框架最大层间位移角相较于未布置阻尼器时减小8.78%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4连接框架结构的最大层间位移角较未加阻尼器之前分别减小35.14%、35.99%、37.53%以及38.15%。

3.最大基底剪力

获得不同减震节点结构在Kobe地震波作用下的结构层间剪力曲线如图6所示，最大基底剪力见表9。

图6 Kobe波下层间剪力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，布置阻尼器后普通刚接框架最大基底剪力相较于未布置阻尼器时减小-0.85%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4连接框架结构最大基底剪力较未加阻尼器之前分别减小-2.35%、-2.35%、-2.35%以及-2.36%。2.4 Imperial波下RCS减震框架结构的地震响应

1.顶点位移

获得不同减震节点结构在Imperial地震波作用下的结构顶点位移峰值见表10。

表10 Imperial波下顶点位移峰值Tab.10 Peak displacement under Imperial wave

由表10可知，布置阻尼器后普通刚接框架顶点位移峰值相较于未布置阻尼器时减小9.16%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4连接框架结构顶点位移峰值较未加阻尼器之前分别减小36.69%、37.34%、38.49%以及38.92%。

2.层间位移角

获得不同减震节点结构在Imperial地震波作用下的结构层间位移角曲线如图7所示，最大层间位移角见表11。

图7 Imperial波下层间位移角Fig.7 Interlayer displacement angle under Imperial wave

表11 Imperial波下最大层间位移角Tab.11 Maximum interlayer displacement angle under Imperial wave

由表11可知，布置阻尼器后普通刚接框架最大层间位移角相较于未布置阻尼器时减小8.52%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4连接框架结构最大层间位移角较未加阻尼器之前分别减小31.94%、32.58%、33.57%以及34.05%。

3.最大基底剪力

获得不同减震节点结构在Imperial地震波作用下的结构层间剪力曲线如图8所示，最大基底剪力见表12。

由表12可知，布置阻尼器后普通刚接框架最大基底剪力相较于未布置阻尼器时减小-0.49%；JD-1、JD-2、JD-3以及JD-4连接框架结构的最大基底剪力较未加阻尼器之前分别减小-2.91%、-2.92%、-3.10%以及-3.54%。

图8 Imperial波下层间剪力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 结论

在El-Centro波、Kobe波或Imperial波作用下，考虑顶点位移、层间位移角和最大基底剪力，可得到：

1.布置阻尼器后各框架结构位移响应及最大层间位移角均有所减小，且各装配式RCS框架结构减小幅度较普通刚接RCS框架结构更大。

2.扇形铅黏弹性阻尼器对各RCS框架结构的最大基底剪力的减小效果具有不确定性，因此在实际工程中对于基底剪力应具体情况具体分析。

3.可替换装配式RCS组合节点连接的框架结构的减震效果与不可替换节点的减震效果相差不大，进一步说明研究可替换节点具有实际工程意义。