梁翼緣削弱式鋼框架結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析

余　龍（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，安徽滁州239000）

梁翼緣削弱式鋼框架結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析

余龍
（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，安徽滁州239000）

在對已發(fā)生的大地震調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，鋼框架結(jié)構(gòu)剛性連接的抗震性能不足.為了提高結(jié)構(gòu)的抗震性，梁構(gòu)件采用翼緣削弱型梁（RBS）、運用SAP2000建立鋼框架結(jié)構(gòu)模型進行靜力彈塑性分析.通過數(shù)值分析，RBS結(jié)構(gòu)較剛性連接結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)時的頂點位移增加7.3％，結(jié)構(gòu)整體抗震性能得到提高.

鋼框架；RBS梁；塑性鉸；靜力彈塑性分析

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

在已發(fā)生的強震中，如美國洛杉磯北嶺地震（1994年）、日本阪神地震（1995年），震后的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)形式的鋼框架結(jié)構(gòu)的破壞嚴重.主要因為框架節(jié)點處是處于剛性連接，產(chǎn)生了脆性破壞[1].現(xiàn)行抗震規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)應(yīng)保證“強柱弱梁”，但在實際施工中，常會出現(xiàn)柱剛度不及梁的現(xiàn)象，從而造成結(jié)構(gòu)的抗震性能削弱.為了解決此類問題，具有延性的梁翼緣削弱型的梁柱節(jié)點得到關(guān)注.目前對于翼緣削弱式梁（RBS）已有一定的研究[2-3]，但多數(shù)是對于節(jié)點局部的分析，對于采用翼緣削弱式梁的鋼框架的整體的抗震性能分析尚較少.通過對此類鋼框架結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析（Pushover），可比較其與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的抗震性.

1　結(jié)構(gòu)模型

1.1結(jié)構(gòu)概況

鋼框架結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示，主梁GL1截面選取為HM350×250×9×14，次梁GL2截面為HM250× 175×7×11，柱GZ1截面選取為HW350×350×12×19，柱GZ2截面為HW300×300×10×15，所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為Q235.該框架結(jié)構(gòu)上的活荷載、填充墻自重均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）取值.設(shè)計地震烈度為7度，Ⅱ類場地，按第一組進行設(shè)計.

圖1　結(jié)構(gòu)平面圖

1.2RBS梁模型

RBS梁削弱部位示意圖如圖2所示.依據(jù)文獻[1]、[4]中的參數(shù)，圖2中切割位置截面的尺寸取值為：

a=0.75bf，b=0.85bf，c=0.2bf

其中bf為工字型鋼梁上下翼緣的寬度.為了實現(xiàn)有限元模型的建立，RBS梁的切割截面采用梯形來實現(xiàn)，如圖3所示.

圖2　RBS梁示意圖

圖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建立鋼框架結(jié)構(gòu)有限元分析模型（見圖4），結(jié)構(gòu)中樓板設(shè)置為鋼筋混凝土樓板，厚為100mm，依據(jù)SAP2000程序特點，將樓板定義為剛性隔板.整個結(jié)構(gòu)中樓板采用殼單元定義，型鋼梁、型鋼柱定義為線單元.在所建立的采用RBS梁的結(jié)構(gòu)模型中，RBS梁的端部有限元模型如圖3所示.

圖4　鋼框架結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2靜力彈塑性分析

在結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析中，不考慮幾何非線性參數(shù)，荷載施加控制方式采用位移控制.依據(jù)現(xiàn)行抗震規(guī)范，控制的位移設(shè)置為樓層層高的1/50[5].監(jiān)測位移方向設(shè)置為Y方向，即結(jié)構(gòu)的縱向方向，位移監(jiān)測點選擇在結(jié)構(gòu)的頂點處.

在分析中，鋼框架進入塑性階段后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件所產(chǎn)生的屈服可用塑性鉸來反映.結(jié)構(gòu)分析中的塑性鉸采用了SAP2000程序中所提供的默認塑性鉸本構(gòu)關(guān)系，鋼框架結(jié)構(gòu)的梁構(gòu)件采用主彎矩M3鉸，柱構(gòu)件采用軸力與彎矩耦合的P-M2-M3鉸，鉸的卸載方法設(shè)置為去載整個結(jié)構(gòu).塑性鉸的本構(gòu)關(guān)系及其他屬性等具體情況可參見文獻[6].

對于靜力彈塑性分析的側(cè)向荷載加載模式，采用了SAP2000程序所提供的以模態(tài)分析后產(chǎn)生的振型荷載分布為加載荷載，以重力荷載工況作用下所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形來作為Pushover分析的起點.

3　計算分析結(jié)果

3.1結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

采用SAP2000對結(jié)構(gòu)模型進行了模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)的前5階周期見表1.從表1可看出，兩種結(jié)構(gòu)的周期沒有顯著變化，RBS結(jié)構(gòu)的周期較原結(jié)構(gòu)有所減小，但減小的幅度較小，說明鋼結(jié)構(gòu)中的鋼梁翼緣削弱形成RBS梁對結(jié)構(gòu)的整體剛度影響較小.

表1　結(jié)構(gòu)周期

3.2Pushover分析

在7度罕遇地震作用下，水平地震影響系數(shù)最大值為0.5，多層鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比取為0.05.通過SAP2000的Pushover分析，可得到：

1）結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線（見圖5），通過該曲線可看出鋼框架的荷載位移曲線有著顯著的非線性特性，RBS結(jié)構(gòu)的初始剛度較原結(jié)構(gòu)有著明顯的減小，在地震荷載作用下，兩種結(jié)構(gòu)的極限承載性能沒有明顯差別.在地震荷載作用下，RBS結(jié)構(gòu)的延性較原結(jié)構(gòu)有所增大.

2）罕遇地震作用下，Pushover分析的結(jié)構(gòu)能力譜曲線（見圖6），結(jié)構(gòu)的能力譜曲線與地震作用需求譜曲線的相交點，即為在該罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的底部剪力和頂點位移[7].圖6中（a）圖為原結(jié)構(gòu)的能力譜曲線圖，其性能點（V，D）數(shù)值為（754 024.3，40.42）；（b）圖為RBS結(jié)構(gòu)的能力譜曲線圖，其性能點（V，D）數(shù)值為（664 400.7，38.48）.

圖5　荷載位移曲線

圖6　Pushover能力譜曲線

3）圖7所示的為結(jié)構(gòu)的塑性鉸在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的部位及塑性鉸的狀態(tài)，（a）圖為原結(jié)構(gòu)的塑性鉸示意圖，（b）圖為RBS結(jié)構(gòu)塑性鉸示意圖.在原結(jié)構(gòu)的Pushover分析中，CP至C過程有3個塑性鉸，C至D過程有21個塑性鉸；在RBS結(jié)構(gòu)的分析中，CP至C過程有6個塑性鉸，C至D過程有18個塑性鉸，其中的CP代表鉸的能力水平，表示建筑物不倒塌；C代表Pushover分析的極限承載力；D代表為殘余強度.RBS結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)在C至D的塑性鉸有所減少，說明鋼結(jié)構(gòu)梁構(gòu)件采用翼緣削弱式梁具有消能減震作用，結(jié)構(gòu)延性得到提高.當(dāng)原結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)時頂點位移為107.6mm，RBS結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)時頂點位移為115.5mm，位移增加7.3％.

4　結(jié)語

本文建立了傳統(tǒng)的剛性連接鋼結(jié)構(gòu)和采用翼緣削弱式梁的鋼框架兩種結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過SAP2000對兩種結(jié)構(gòu)進行了Pushover分析，結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)中梁構(gòu)件采用翼緣削弱式梁，使結(jié)構(gòu)的延性得到提高，結(jié)構(gòu)整體的抗震性能更好，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性鉸能力水平得到提升.

圖7　塑性鉸示意圖

[1] 陳向榮,盧小松,李剛.翼緣削弱鋼梁（RBS）構(gòu)件的受力分析和設(shè)計[J].鋼結(jié)構(gòu),2003,18（6）：51-53.

[2]厲鳳香,付效兵,金尾伊織,等.含有RBS梁的部分鋼框架的有限元分析[C]//第20屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集（第Ⅱ冊）,寧波，2011：333-338.

[3]王聰,李軍,陳明善,等.新型鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點關(guān)鍵部位的應(yīng)力分析[J].青島理工大學(xué)學(xué)報,2013,34（4）：34-39.

[4]宿專青,殷福新.沖擊荷載下梁端削弱型鋼框架的動力分析[J].四川建筑科學(xué)研究,2013,39（4）：35-39.

[5]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[6]北京金土木軟件技術(shù)有限公司,中國建筑標(biāo)準設(shè)計研究院.SAP2000中文版使用指南[M].第二版.北京：人民交通出版社, 2012.

[7]汪大綏,賀軍利,張鳳新.靜力彈塑性分析（Pushover Analysis）的基本原理和計算實例[J].世界地震工程,2004,20（1）：45-53.

（編校：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

余龍（1985-），男，工程師，工學(xué)碩士，研究方向為工程結(jié)構(gòu)抗震理論與應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-04-07 16：26網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20150407.1626.001.html

引用格式：余龍.梁翼緣削弱式鋼框架結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析[J].宜賓學(xué)院學(xué)報,2015,15（6）：36-38.