梁翼緣削弱式鋼框架結構靜力彈塑性分析

余　龍（滁州職業技術學院土木工程系，安徽滁州239000）

梁翼緣削弱式鋼框架結構靜力彈塑性分析

余龍
（滁州職業技術學院土木工程系，安徽滁州239000）

在對已發生的大地震調查中發現，鋼框架結構剛性連接的抗震性能不足.為了提高結構的抗震性，梁構件采用翼緣削弱型梁（RBS）、運用SAP2000建立鋼框架結構模型進行靜力彈塑性分析.通過數值分析，RBS結構較剛性連接結構塑性鉸出現時的頂點位移增加7.3％，結構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），震后的調查中發現，傳統形式的鋼框架結構的破壞嚴重.主要因為框架節點處是處于剛性連接，產生了脆性破壞[1].現行抗震規范規定，結構應保證“強柱弱梁”，但在實際施工中，常會出現柱剛度不及梁的現象，從而造成結構的抗震性能削弱.為了解決此類問題，具有延性的梁翼緣削弱型的梁柱節點得到關注.目前對于翼緣削弱式梁（RBS）已有一定的研究[2-3]，但多數是對于節點局部的分析，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構的靜力彈塑性分析（Pushover），可比較其與傳統鋼結構的抗震性.

1　結構模型

1.1結構概況

鋼框架結構平面圖如圖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，所有結構構件均為Q235.該框架結構上的活荷載、填充墻自重均按《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）取值.設計地震烈度為7度，Ⅱ類場地，按第一組進行設計.

圖1　結構平面圖

1.2RBS梁模型

RBS梁削弱部位示意圖如圖2所示.依據文獻[1]、[4]中的參數，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.為了實現有限元模型的建立，RBS梁的切割截面采用梯形來實現，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建立鋼框架結構有限元分析模型（見圖4），結構中樓板設置為鋼筋混凝土樓板，厚為100mm，依據SAP2000程序特點，將樓板定義為剛性隔板.整個結構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梁的結構模型中，RBS梁的端部有限元模型如圖3所示.

圖4　鋼框架結構有限元模型

2.2靜力彈塑性分析

在結構的靜力彈塑性分析中，不考慮幾何非線性參數，荷載施加控制方式采用位移控制.依據現行抗震規范，控制的位移設置為樓層層高的1/50[5].監測位移方向設置為Y方向，即結構的縱向方向，位移監測點選擇在結構的頂點處.

在分析中，鋼框架進入塑性階段后，結構構件所產生的屈服可用塑性鉸來反映.結構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關系，鋼框架結構的梁構件采用主彎矩M3鉸，柱構件采用軸力與彎矩耦合的P-M2-M3鉸，鉸的卸載方法設置為去載整個結構.塑性鉸的本構關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向荷載加載模式，采用了SAP2000程序所提供的以模態分析后產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生的內力和變形來作為Pushover分析的起點.

3　計算分析結果

3.1結構模態分析

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

表1　結構周期

3.2Pushover分析

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

1）結構的荷載位移曲線（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結構的初始剛度較原結構有著明顯的減小，在地震荷載作用下，兩種結構的極限承載性能沒有明顯差別.在地震荷載作用下，RBS結構的延性較原結構有所增大.

2）罕遇地震作用下，Pushover分析的結構能力譜曲線（見圖6），結構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，結構的底部剪力和頂點位移[7].圖6中（a）圖為原結構的能力譜曲線圖，其性能點（V，D）數值為（754 024.3，40.42）；（b）圖為RBS結構的能力譜曲線圖，其性能點（V，D）數值為（664 400.7，38.48）.

圖5　荷載位移曲線

圖6　Pushover能力譜曲線

3）圖7所示的為結構的塑性鉸在結構構件的部位及塑性鉸的狀態，（a）圖為原結構的塑性鉸示意圖，（b）圖為RBS結構塑性鉸示意圖.在原結構的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結構的分析中，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結構較原結構在C至D的塑性鉸有所減少，說明鋼結構梁構件采用翼緣削弱式梁具有消能減震作用，結構延性得到提高.當原結構塑性鉸出現時頂點位移為107.6mm，RBS結構塑性鉸出現時頂點位移為115.5mm，位移增加7.3％.

4　結語

本文建立了傳統的剛性連接鋼結構和采用翼緣削弱式梁的鋼框架兩種結構的有限元模型，通過SAP2000對兩種結構進行了Pushover分析，結果表明，鋼結構中梁構件采用翼緣削弱式梁，使結構的延性得到提高，結構整體的抗震性能更好，結構構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）構件的受力分析和設計[J].鋼結構,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屆全國結構工程學術會議論文集（第Ⅱ冊）,寧波，2011：333-338.

[3]王聰,李軍,陳明善,等.新型鋼結構梁柱節點關鍵部位的應力分析[J].青島理工大學學報,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].四川建筑科學研究,2013,39（4）：35-39.

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑抗震設計規范（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.

[6]北京金土木軟件技術有限公司,中國建筑標準設計研究院.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，工學碩士，研究方向為工程結構抗震理論與應用

網絡出版時間：2015-04-07 16：26網絡出版地址：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構靜力彈塑性分析[J].宜賓學院學報,2015,15（6）：36-38.