帶BRB的高層鋼框架梁柱節點的抗震性能

王秀麗，趙 杰

（蘭州理工大學 土木工程學院，蘭州730050）

中心支撐框架系統和偏心支撐框架系統在傳統的減震設計方法中減震性能有一定的可靠性［1］，但是在強震作用下結構中的耗能機制會產生屈曲現象，在框架中加入防屈曲耗能支撐［2－7］，即buckling－restrained brace，簡稱BRB，可以克服傳統支撐受壓屈曲破壞的缺點。高層鋼框架中的梁柱節點作為結構的關鍵部位，起著傳遞結構構件內力和協調結構變形的作用。目前對于帶支撐的框架梁柱節點的研究已有很多［8－9］，在此基礎上對帶BRB的高層鋼框架梁柱節點的研究是很有必要的。

文章運用ABAQUS有限元軟件，對比分析帶BRB的框架梁柱節點和帶普通支撐的框架梁柱節點的抗震性能。針對帶BRB的框架梁柱節點，通過變換支撐內芯的屈服強度，節點板的大小、厚度以及節點板上面外加勁肋的長度來觀察這些參數對節點抗震性能的影響規律。

1 節點有限元模型

1.1 算例設計

以一榀3跨10層的鋼支撐框架結構為例，跨度為8m，層高為3.9m，框架柱底部與基礎嵌固，框架平面圖、立面圖和三維立體圖如圖1所示。建筑所在場地的抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2 g，水平地震影響系數最大值為0.16，Ⅲ類場地土，設計地震分組為第一組。樓面恒荷載和活荷載標準值分別為6.0kN／m2和3.0kN／m2。框架梁采用焊接H型鋼梁，柱子為箱形截面柱，梁柱之間采用剛性連接，支撐焊接在節點板上，BRB采用內芯為十字型鋼板外包鋼管混凝土。框架梁和柱的屈服強度為345MPa，支撐內芯的屈服強度為235MPa。

1.2 數值模型

圖1 算例示意圖

取框架2層中間跨梁、柱和支撐節點單獨進行有限元分析。節點板與梁、柱翼緣均采用坡口對接焊縫連接，梁腹板與柱翼緣也采用焊縫連接。鋼材是理想的彈塑性材料，對鋼材的計算模型采用Von Mises屈服準則和雙線段隨動強化準則，材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。混凝土采用Von Mises屈服準則和多線段隨動強化準則［10］，單軸峰值壓應力為30MPa，峰值壓應變為0.002，彈性模量為30 000 MPa，泊松比為0.2。整個模型采用C3D8I（八節點六面體線性非協調模式）單元。

箱型柱截面尺寸：660mm×660mm×32mm；柱高7 800mm。

H型梁截面尺寸：600mm×300mm×10mm×20mm；梁長4 000mm。

節點板尺寸：400mm×400mm；厚度為20mm。

BRB截面尺寸：十字型內芯高度×厚度＝80mm×10mm，寬厚比b／t＝8，總長3 587mm，外觀尺寸為270mm×270mm，鋼管長3 387mm，厚度為5mm，內芯與混凝土之間預留2mm的間隙。

1.3 邊界條件及加載方式

為了更真實地模擬梁柱節點的受力變化，有限元模型采用實體單元建模，在劃分網格時采用結構化（structure）網格劃分技術。由于在實體單元中X、Y、Z三個方向的轉動是無效的，所以對柱子的上下端以及梁的懸臂端均約束X、Y、Z三個方向的平移。屈曲約束支撐外包的混凝土和鋼管兩端也進行三個方向上的平移約束。

在分析中對模型施加往復位移荷載，位移大小進行變幅控制，加載位置均在支撐的懸臂端。

圖2 梁柱節點有限元模型

2 節點有限元分析結果

2.1 對比分析

對帶BRB的梁柱節點和帶普通支撐（去掉外面包裹的鋼管和混凝土）的梁柱節點進行循環荷載下的抗震性能對比分析，位移加載方式如圖3所示。

從圖3中可看出帶BRB節點的滯回曲線比帶普通支撐節點的滯回曲線明顯要飽滿許多，而且曲線更穩定，說明BRB具有良好的耗能能力，能夠提高節點的抗震性能，繼而對整個結構的承載力和穩定性都有所提高。而帶普通支撐的節點，支撐在受壓時出現了明顯的強度和剛度退化現象，且在荷載加載過程中支撐發生了屈曲變形，相對帶BRB的節點，抗震性能顯然不如前者好，所以在支撐外面設置鋼管和混凝土可對限制支撐變形起到一定的作用。

2.2 參數分析

針對帶BRB的框架梁柱節點，通過變換支撐內芯的屈服強度以及節點板的大小、厚度和節點板上面外加勁肋的長度來觀察這些參數對節點抗震性能的影響。

2.2.1 內芯屈服強度的影響 選取屈曲約束支撐內芯分別為LY100、LY160、LY190、LY225四種低屈服點鋼［11］進行節點滯回性能的對比，分析結果如圖4所示。

從圖4中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線都很穩定、飽滿，均表現出良好的耗能能力，都沒有出現強度和剛度退化的現象。圖（a）中滯回環由小變大比較分明，且在4種滯回環中飽滿程度最大，根據能量耗散系數計算公式［12］可算出內芯為LY100時耗散系數最大，且相比LY225時耗能能力要提高7%。說明內芯為LY100時節點耗能性能最好，LY100在4種低屈服點鋼中屈服強度最低，當有荷載作用時支撐內芯能夠較早地屈服來吸收地震荷載所帶來的能量，從圖（a）第一個環就可看出在承載力相對較小時曲線即發生拐彎。

圖3 節點滯回曲線

2.2.2 節點板大小的影響 選取節點板尺寸分別為300mm×300mm，400mm×400mm，500mm×500mm和600mm×600mm的節點模型進行循環荷載下的抗震性能對比分析，分析結果如圖5所示。

從圖5中可看出（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線均穩定飽滿，沒有出現強度和剛度退化的現象，說明都有一定的耗能能力，隨著節點板尺寸的增大，滯回環的面積有所增大。節點板為500mm×500mm時計算出節點耗散系數在四者中最大，比節點板為300mm×300mm時節點耗能性能要提高1.3%，但當節點板尺寸變為600mm×600mm時耗散系數反而沒有增加，不成線性比例增長，說明增大節點板的尺寸能夠提高BRB的耗能能力，進而提高節點的抗震性能，但是過大的節點板可能導致節點板自身先會發生面外失穩［13－14］，從而影響支撐的耗能能力。

2.2.3 節點板厚度的影響 選取節點板的厚度分別為12、16、20和24mm的節點模型進行抗震性能的對比分析，分析結果如圖6所示。

從圖6中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線都很穩定飽滿，沒有出現強度和剛度退化的現象，隨著節點板厚度的增加滯回環的面積逐漸增大，耗散系數也隨之增大，節點板厚度從12、16、20到24mm，相應的節點耗能性能依次增長1.3%，0.5%和0.8%。說明節點板厚度的增加也能提高BRB的耗能性能，進而提高節點的抗震能力。因節點板與梁和柱均焊接，故可把節點板對框架梁柱節點的作用看作是對梁柱節點區域的加掖，隨著節點板厚度的增加，這種加掖作用就在增強。

圖4 支撐內芯在不同屈服強度下節點的滯回曲線

2.2.4 面外加勁肋長度的影響 選取面外加勁肋長度分別為150、200、250、300mm的節點模型進行抗震性能的對比分析，分析結果如圖7所示。

從圖7中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅圖的滯回曲線都很穩定飽滿，說明加勁肋在四種不同長度的情況下BRB均有一定的耗能能力，隨著節點板上面外加勁肋的增長，滯回環面積明顯增大，且面外加勁肋為300mm時節點的耗散系數最大，節點的耗能能力依次增長了1%、0.5%和1%，表明加勁肋的長度對支撐的耗能性能有一定的影響，且加勁肋越長支撐的耗能能力越強。究其原因，加勁肋的增長可增強節點板的穩定承載力［15］，減小節點板發生面外失穩的可能性，繼而提高整個節點的抗震性能。

圖5 不同節點板大小下節點的滯回曲線

3 結 論

利用ABAQUS軟件分別對帶有BRB的鋼框架梁柱節點和帶普通支撐的框架梁柱節點進行了非線性有限元分析，對比兩種支撐加入框架中對節點抗震性能的不同影響，以及針對帶有BRB的鋼框架梁柱節點進行參數分析，討論參數變換對節點抗震性能的影響規律，得出以下結論：

1）BRB在外包鋼管和混凝土的約束下耗能能力明顯比沒有約束作用下的普通支撐耗能能力強，相對應的帶有BRB的鋼框架梁柱節點要比帶普通支撐的梁柱節點的抗震性能好。

2）BRB的耗能性能隨著支撐內芯屈服強度的降低而提高，內芯屈服強度越低，支撐的耗能性能就越好，且內芯為LY100比LY225時節點耗能能力要提高7%。在實際工程中可根據荷載情況優先考慮內芯屈服強度低的屈曲約束支撐，對于LY225這種具有一定強度的低屈服點鋼材在承受大的地震作用時可能更有優勢。

圖6 不同節點板厚度下節點的滯回曲線

3）節點板的大小對BRB的耗能能力有一定的影響，隨著節點板的增大支撐的耗能性能有所提高，節點板為500mm×500mm時計算出節點的耗散系數在四者中最大，比節點板為300mm×300mm時節點耗能性能要提高1.3%，但節點板尺寸變為600mm×600mm時耗散系數反而沒有增加，不成線性增長，因為節點板尺寸過大，梁柱對其直角嵌固邊的約束力降低，會導致自身先發生面外失穩，進而影響整個節點的抗震性能。

4）節點板的厚度也會影響BRB的耗能能力，隨著節點板厚度的逐漸增大支撐的耗能性能有很明顯的提高，節點板厚度從12、16、20到24mm，節點的耗能性能依次增長1.3%、0.5%和0.8%。此時節點板相當于是對節點起到加掖的作用，加掖作用越強，節點承載力及抗震性能越高。

5）節點板面外加勁肋的長度對BRB的耗能性能也有影響，隨著加勁肋的增長，支撐的耗能性能也會有明顯的提高，且面外加勁肋為300mm時節點的耗散系數最大，節點的耗能能力依次增長了1%、0.5%和1%，因為加勁肋對節點板來說起到提高節點板穩定性的作用，當節點板較薄時，其平面外抗彎剛度較小，而加勁肋板的設置大大增加了節點板整體的平面外剛度。與此同時，加勁肋越長節點板的穩定承載力就越高，進而整個節點的抗震性能也會提高。

圖7 不同面外加勁肋長度下節點的滯回曲線

［1］張耀春，丁玉坤.防屈曲支撐、普通和特殊中心支撐鋼框架結構抗震性能分析［J］.建筑鋼結構進展，2009，11（5）：8－15.Zhang Y C，Ding Y K.Seismic response analysis of steel frames braced with buckling－restrained， ordinary and special concentrically brace［J］.Progress in Steel Building Structures，2009，11（5）：8－15.

［2］周云.防屈曲耗能支撐結構設計與應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，2007.

［3］鄧雪松，楊葉斌，周云，等.新型外包鋼筋混凝土鋼管防屈曲耗能支撐性能［J］.土木建筑與環境工程，2012，34（1）：21－28.Deng X S，Yang Y B，Zhou Y，et al.Performance of new－type steel tube buckling－restrained brace with reinforced concrete outside［J］.Journal of Civil，Architectural and Environmental Engineering，2012，34（1）：21－28.

［4］Xie Q.State－of－the－art of buckling－restrained brace in Asia［J］.Journal of Construction steel Research，2005，61（6）：727－748.

［5］D'Aniello M，Corte G D，Mazzolani F M.Experimental tests of a real building seismically retrofitted by special bucklingrestrained brace［J］.AIP Conference Proceedings，2008，1020（1）：1513－1520.

［6］Oviedo J A，Midorikawa M.Optimum strength ratio of buckling－restrained brace as hysteretic energy dissipation devices installed in R／C frames［C］／／The 14th World Conference on Earthquake Engineering，October 12－17，2008，Beijing，China.

［7］Takeuchi T，Hajjar J F，Matsui R，et al.Local buckling restrain condiction for core plates in buckling restrain braces［J］.Journal of Constructional Steel Research，2010，（66）：139－149.

［8］王秀麗，鄒磊.帶支撐的鋼框架梁柱節點的力學性能研究［J］.建筑科學，2012，28（9）：1－4.Wang X L，Zou L.Performance research on beam－column joints of steel framed structures with supports［J］.Building Science，2012，28（9）：1－4.

［9］劉華偉.帶屈曲約束支撐的鋼筋砼框架梁柱節點抗震性能研究［D］.西安：西安建筑科技大學，2011.

［10］劉建彬.防屈曲支撐及防屈曲支撐鋼框架設計理論研究［D］.北京：清華大學，2005.

［11］Chen S J，Jhang C.Cyclic behavior of low yield point steel shear walls［J］.Thin－Walled Structure，2006，44（7）：730－738.

［12］殷占忠，王秀麗，李曉東.雙鋼管約束屈曲支撐的有限元分析［J］.甘肅科學學報，2010，22（1）：109－113.Yin Z Z，Wang X L，Li X D.A finite element analysis of double－tube buckling restrained brace ［J］.Journal of Cansu Sciences，2010，22（1）：109－113.

［13］張文元，陳世璽，牟偉，等.節點板在支撐軸壓力作用下的穩定分析［J］.哈爾濱工業大學學報，2012，44（2）：1－6.Zhang W Y，Chen S X，Mou W，et al.Gusset plate buckling under compression caused by bracing members［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2012，44（2）：1－6.

［14］Chou C C，Chen P J.Compressive behavior of central gusset plate connections for a buckling－restrained brace frame ［J］.Journal of Constructional Steel Research，2009，65：1138－1148.

［15］張繼承，劉飛，江韜，等.防屈曲支撐節點板平面外穩定承載力數值分析［J］.華僑大學學報，2010，31（2）：210－214.Zhang J C，Liu F，Jiang T，et al.Numerical analysis on outplane stability bearing capacity of buckling restrained brace joint plate［J］.Journal of Huaqiao University，2010，31（2）：210－214.