RCS和RC空間框架的Pushover對比分析

何 芮 （閩西職業(yè)技術(shù)學院，福建 龍巖 364021）

0 前言

鋼梁-混凝土柱（RCS）框架和普通的鋼筋混凝土（RC）框架相比，具有更加優(yōu)越的性能，近些年受到了越來越多的關(guān)注[1-3]。諸多的試驗和仿真模擬表明，梁和柱分別采用不同的材料能更好地發(fā)揮出自身的優(yōu)勢。雖然從上個世紀80年代開始，海內(nèi)外就已經(jīng)對RCS空間框架結(jié)構(gòu)的抗震性能做了很多研究工作[4,5]，但缺乏它處于地震高烈度區(qū)的研究結(jié)果。本文使用有限元軟件ETABS，分別對層數(shù)不同的3組RC空間框架和RCS空間框架做了多遇地震和罕遇地震作用下的靜力彈塑性（Pushover）研究[6,7]，重點對比分析了這兩種空間框架在剛度、強度、穩(wěn)定性和延性等方面的性能。

1 模型概況

利用ETABS軟件，建立3組RC空間框架及RCS空間框架模型，分別命名RC1和RCS1、RC2和RCS1、RC3和RCS3，框架的平面布置圖見圖1。模型的層高均取3.3m；第1組層數(shù)為三層，第2組層數(shù)是五層，第3組層數(shù)是八層；梁、柱截面尺寸見表1。同種框架選用一樣的材料，現(xiàn)澆板的板厚取值120mm，主要材料的強度見表2。C40混凝土質(zhì)量密度為2550 kg/m3，彈性模量取為32500；鋼材質(zhì)量密度為7850 kg/m3，彈性模量取為20600。

設(shè)計資料：屋面和樓面的恒載取值1.0kN/m2（除去樓板自重），活載取值2.0kN/m2；假定工程位于抗震設(shè)防烈度7度區(qū)（0.10g，第一組），抗震等級三級，特征周期0.35s，場地類別是Ⅱ類；基本風壓0.45kN/m2，風荷載體型系數(shù)μs=1.3，地面粗糙度C類；環(huán)境類別為一類，框架結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05。

圖1 結(jié)構(gòu)平面圖（mm）

梁柱截面尺寸 表1

主要材料的強度 表2

2 多遇地震Pushover分析

通過程序（ETABS）地震反應譜分析、設(shè)計、校核以后，做出結(jié)構(gòu)模型在受到多遇地震作用時的靜力彈塑性分析。經(jīng)過查抗震規(guī)范可知特征周期值0.35s，水平地震影響系數(shù)的最大值是0.08。3組模型在多遇地震下的樓層位移、層間位移及層間位移角分別見表3、表 4、表5。

RC1與RCS1框架樓層位移和層間位移（角） 表3

RC2與RCS2框架樓層位移和層間位移（角） 表4

RC3與RCS3框架樓層位移和層間位移（角） 表5

分析表3～表5可得：①RC1框架最大層間位移角的值是1/1257rad，RCS1框架最大層間位移角的值是 1/755rad，RC2框架最大層間位移角的值是1/1205rad，RCS2框架最大層間位移角的值是1/685rad，RC3框架最大層間位移角的值是1/1189rad，RCS3框架最大層間位移角的值是1/597rad，均比彈性層間位移角的限值1/550更小，符合規(guī)范規(guī)定；②RCS框架與RC框架相比，前者的層間位移更大，原因在于3個RCS模型在設(shè)計和分析過程中選取的型鋼梁的剛度比混凝土梁的剛度要小，因此在將來的研究過程中，要加強研究組合梁。

3 罕遇地震Pushover分析

3.1 能力譜分析

當框架受到罕遇地震作用時，進入到彈塑性狀態(tài)的概率較大，以下運用靜力彈塑性的分析方法研究模型。

設(shè)防烈度7度區(qū)，水平地震影響系數(shù)的最大值取0.50，阻尼比0.05，特征周期值Tg=0.35s。TRC1=0.5s，TRCS1=0.725s；TRC2=0.702s，TRCS2=1.173s；TRC3=1.067s，TRCS3=1.742s。Tg＜TRC1≤5Tg，Tg＜TRCS1≤5Tg，Tg＜TRC2≤5Tg，Tg＜TRCS2≤5Tg，Tg＜TRC3≤5Tg，Tg＜TRCS3≤5Tg。利用ETABS程序中采用的ACT40轉(zhuǎn)化為中國規(guī)范中的反應譜來確定反應譜參數(shù)CA和CV，求出CA和CV的值見表6。3組模型在到達性能點時候的能力譜曲線見圖 2～ 圖 4?！鱮oof=0.041m，由于△roof=0.041m＜×9.9=0.198m（1/50為抗震規(guī)范當中給出的彈塑性層間位移角的限值）；RC2框架結(jié)構(gòu)的性能點Sa=0.214，Sd=0.040經(jīng)過轉(zhuǎn)換，可得 V=9277kN，△roof=0.067m＜×16.5=

模型 RC1 RCS1 RC2 RCS2 RC3 RCS3 0.207 0.215 0.214 0.226 0.224 0.235 0.181 0.188 0.188 0.198 0.196 0.206

圖2 RC1、RCS1能力譜曲線

圖3 RC2、RCS2能力譜曲線

圖4 RC3、RCS3能力譜曲線

分析以上3組能力譜曲線可知，受到罕遇地震作用的時候，RCS1、RCS2、RCS3框架均沒有達到彈塑性階段，仍處于彈性階段；RC1、RC2、RC3框架結(jié)構(gòu)均已處于彈塑性階段。說明相比于RC框架模型，RCS框架模型擁有更強的抵御地震作用的能力。

RC1框架的性能點 Sa=0.192，Sd=0.0316，經(jīng)過ADRS格式譜加速度公式的轉(zhuǎn)換，可得V=9316kN，0.330；RC3 框架結(jié)構(gòu)的性能點 Sa=0.066，Sd=0.083，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，可得V=8977kN，△roof=0.109m＜×26.4=0.528m。因此可知，RC1、RC2、RC3 框架結(jié)構(gòu)的頂點位移均滿足彈塑性極限值的要求，并符合“大震不倒”的規(guī)定。

3.2 基底剪力和頂層位移分析

3組模型的基底剪力和頂層位移之間的關(guān)系曲線（Pushover能力曲線）如下圖5～圖7。

圖5 第1組模型Pushover能力曲線

圖6 第2組模型Pushover能力曲線

圖7 第3組模型Pushover能力曲線

由上面3組模型的Pushover能力曲線看出，RC框架模型和RCS框架模型的能力曲線均為平滑的曲線，經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段以及塑性階段，最終破壞。在結(jié)構(gòu)處于彈性階段，且頂層位移相同的條件下，RC框架模型的基底剪力值更大。達到彈塑性階段以后，RC框架和RCS框架開始產(chǎn)生塑性鉸，結(jié)構(gòu)的整體剛度明顯下降。伴隨監(jiān)測點位移增加，RCS框架的變形迅速，在塑性階段，模型基底剪力的絕對值漸漸達到穩(wěn)定；而RC框架在塑性階段時，基底剪力的絕對值先上升，之后便下降。與RCS框架結(jié)構(gòu)相對比，RC框架結(jié)構(gòu)的屈服點與極限點所對應的基底剪力值僅達到它的1/2左右。因此可判定，RCS框架的極限水平承載能力更高，可以承受得了更大的地震荷載。

另外，由Pushover能力曲線還可看出，RC框架結(jié)構(gòu)在形成機構(gòu)時便結(jié)束了運算，達不到模型預先設(shè)置的監(jiān)測位移值，而RCS框架架構(gòu)是在達到模型預先設(shè)定的監(jiān)測位移值后才結(jié)束運算。通過計算模型的延性，可知RCS框架的延性比RC框架更好。因此可判定，RCS框架抵抗變形的能力更強，位移延性也更好。

3.3 剛度退化

3組模型的剛度退化曲線如下圖8～圖10。

圖8 第1組模型剛度退化曲線

圖9 第2組模型剛度退化曲線

圖10 第3組模型剛度退化曲線

由以上3組模型的剛度退化曲線可知，初期RCS框架結(jié)構(gòu)的剛度明顯小于RC框架結(jié)構(gòu)。究其原因，是由于軟件模擬的限制，模型在分析和設(shè)計過程當中，并不是按照組合梁設(shè)計，而是按照型鋼梁來設(shè)計。如果在試驗過程中采用組合梁設(shè)計、分析，RCS框架的初期剛度會顯著增大。然后在受到罕遇地震作用的時候，3組模型均到達塑性變形階段。比較3組模型的剛度退化曲線，可知RC框架模型的曲線更陡，剛度退化的比較快；而RCS框架模型的曲線比較平緩，剛度退化較慢，并且RC框架模型比RCS框架模型在后期的剛度值更小。RC框架結(jié)構(gòu)的剛度退化過快，很容易發(fā)生框架的急速破壞甚至會出現(xiàn)整體倒塌。因此可判定，RC框架結(jié)構(gòu)的柔度更大，RCS框架結(jié)構(gòu)的剛度更大，使RCS框架結(jié)構(gòu)發(fā)生單位變形所需要的荷載值也更大，更不易出現(xiàn)倒塌破壞。

4 結(jié)論

通過多遇和罕遇地震作用的分析，可得到以下結(jié)論。

①3組模型中，RCS框架結(jié)構(gòu)與RC框架結(jié)構(gòu)相比，在梁高降低150mm的前提下，仍可抵抗更強的地震作用，有更好的性能。說明施工中采用鋼梁-混凝土柱組合結(jié)構(gòu)的框架，可以增加建筑的空間凈高，更適合用于大跨度建筑中。

②受到罕遇地震作用時，RC框架結(jié)構(gòu)很快便進入到彈塑性階段，RCS框架結(jié)構(gòu)達到屈服階段的時間點顯著更晚，并且RCS框架的屈服強度與極限強度所對應的基底剪力絕對值明顯比RC框架更大，說明RCS框架能夠抵抗烈度更大的地震作用，擁有更強的極限承載能力。

③RCS框架結(jié)構(gòu)的位移延性和剛度更大，使RCS框架結(jié)構(gòu)發(fā)生單位變形所需要的荷載值也更大，更不易出現(xiàn)倒塌破壞。