带BRB的高层钢框架梁柱节点的抗震性能

王秀丽，赵 杰

（兰州理工大学 土木工程学院，兰州730050）

中心支撑框架系统和偏心支撑框架系统在传统的减震设计方法中减震性能有一定的可靠性［1］，但是在强震作用下结构中的耗能机制会产生屈曲现象，在框架中加入防屈曲耗能支撑［2－7］，即buckling－restrained brace，简称BRB，可以克服传统支撑受压屈曲破坏的缺点。高层钢框架中的梁柱节点作为结构的关键部位，起着传递结构构件内力和协调结构变形的作用。目前对于带支撑的框架梁柱节点的研究已有很多［8－9］，在此基础上对带BRB的高层钢框架梁柱节点的研究是很有必要的。

文章运用ABAQUS有限元软件，对比分析带BRB的框架梁柱节点和带普通支撑的框架梁柱节点的抗震性能。针对带BRB的框架梁柱节点，通过变换支撑内芯的屈服强度，节点板的大小、厚度以及节点板上面外加劲肋的长度来观察这些参数对节点抗震性能的影响规律。

1 节点有限元模型

1.1 算例设计

以一榀3跨10层的钢支撑框架结构为例，跨度为8m，层高为3.9m，框架柱底部与基础嵌固，框架平面图、立面图和三维立体图如图1所示。建筑所在场地的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2 g，水平地震影响系数最大值为0.16，Ⅲ类场地土，设计地震分组为第一组。楼面恒荷载和活荷载标准值分别为6.0kN／m2和3.0kN／m2。框架梁采用焊接H型钢梁，柱子为箱形截面柱，梁柱之间采用刚性连接，支撑焊接在节点板上，BRB采用内芯为十字型钢板外包钢管混凝土。框架梁和柱的屈服强度为345MPa，支撑内芯的屈服强度为235MPa。

1.2 数值模型

图1 算例示意图

取框架2层中间跨梁、柱和支撑节点单独进行有限元分析。节点板与梁、柱翼缘均采用坡口对接焊缝连接，梁腹板与柱翼缘也采用焊缝连接。钢材是理想的弹塑性材料，对钢材的计算模型采用Von Mises屈服准则和双线段随动强化准则，材料的弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。混凝土采用Von Mises屈服准则和多线段随动强化准则［10］，单轴峰值压应力为30MPa，峰值压应变为0.002，弹性模量为30 000 MPa，泊松比为0.2。整个模型采用C3D8I（八节点六面体线性非协调模式）单元。

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；梁长4 000mm。

节点板尺寸：400mm×400mm；厚度为20mm。

BRB截面尺寸：十字型内芯高度×厚度＝80mm×10mm，宽厚比b／t＝8，总长3 587mm，外观尺寸为270mm×270mm，钢管长3 387mm，厚度为5mm，内芯与混凝土之间预留2mm的间隙。

1.3 边界条件及加载方式

为了更真实地模拟梁柱节点的受力变化，有限元模型采用实体单元建模，在划分网格时采用结构化（structure）网格划分技术。由于在实体单元中X、Y、Z三个方向的转动是无效的，所以对柱子的上下端以及梁的悬臂端均约束X、Y、Z三个方向的平移。屈曲约束支撑外包的混凝土和钢管两端也进行三个方向上的平移约束。

在分析中对模型施加往复位移荷载，位移大小进行变幅控制，加载位置均在支撑的悬臂端。

图2 梁柱节点有限元模型

2 节点有限元分析结果

2.1 对比分析

对带BRB的梁柱节点和带普通支撑（去掉外面包裹的钢管和混凝土）的梁柱节点进行循环荷载下的抗震性能对比分析，位移加载方式如图3所示。

从图3中可看出带BRB节点的滞回曲线比带普通支撑节点的滞回曲线明显要饱满许多，而且曲线更稳定，说明BRB具有良好的耗能能力，能够提高节点的抗震性能，继而对整个结构的承载力和稳定性都有所提高。而带普通支撑的节点，支撑在受压时出现了明显的强度和刚度退化现象，且在荷载加载过程中支撑发生了屈曲变形，相对带BRB的节点，抗震性能显然不如前者好，所以在支撑外面设置钢管和混凝土可对限制支撑变形起到一定的作用。

2.2 参数分析

针对带BRB的框架梁柱节点，通过变换支撑内芯的屈服强度以及节点板的大小、厚度和节点板上面外加劲肋的长度来观察这些参数对节点抗震性能的影响。

2.2.1 内芯屈服强度的影响 选取屈曲约束支撑内芯分别为LY100、LY160、LY190、LY225四种低屈服点钢［11］进行节点滞回性能的对比，分析结果如图4所示。

从图4中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅图的滞回曲线都很稳定、饱满，均表现出良好的耗能能力，都没有出现强度和刚度退化的现象。图（a）中滞回环由小变大比较分明，且在4种滞回环中饱满程度最大，根据能量耗散系数计算公式［12］可算出内芯为LY100时耗散系数最大，且相比LY225时耗能能力要提高7%。说明内芯为LY100时节点耗能性能最好，LY100在4种低屈服点钢中屈服强度最低，当有荷载作用时支撑内芯能够较早地屈服来吸收地震荷载所带来的能量，从图（a）第一个环就可看出在承载力相对较小时曲线即发生拐弯。

图3 节点滞回曲线

2.2.2 节点板大小的影响 选取节点板尺寸分别为300mm×300mm，400mm×400mm，500mm×500mm和600mm×600mm的节点模型进行循环荷载下的抗震性能对比分析，分析结果如图5所示。

从图5中可看出（a）、（b）、（c）、（d）4幅图的滞回曲线均稳定饱满，没有出现强度和刚度退化的现象，说明都有一定的耗能能力，随着节点板尺寸的增大，滞回环的面积有所增大。节点板为500mm×500mm时计算出节点耗散系数在四者中最大，比节点板为300mm×300mm时节点耗能性能要提高1.3%，但当节点板尺寸变为600mm×600mm时耗散系数反而没有增加，不成线性比例增长，说明增大节点板的尺寸能够提高BRB的耗能能力，进而提高节点的抗震性能，但是过大的节点板可能导致节点板自身先会发生面外失稳［13－14］，从而影响支撑的耗能能力。

2.2.3 节点板厚度的影响 选取节点板的厚度分别为12、16、20和24mm的节点模型进行抗震性能的对比分析，分析结果如图6所示。

从图6中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅图的滞回曲线都很稳定饱满，没有出现强度和刚度退化的现象，随着节点板厚度的增加滞回环的面积逐渐增大，耗散系数也随之增大，节点板厚度从12、16、20到24mm，相应的节点耗能性能依次增长1.3%，0.5%和0.8%。说明节点板厚度的增加也能提高BRB的耗能性能，进而提高节点的抗震能力。因节点板与梁和柱均焊接，故可把节点板对框架梁柱节点的作用看作是对梁柱节点区域的加掖，随着节点板厚度的增加，这种加掖作用就在增强。

图4 支撑内芯在不同屈服强度下节点的滞回曲线

2.2.4 面外加劲肋长度的影响 选取面外加劲肋长度分别为150、200、250、300mm的节点模型进行抗震性能的对比分析，分析结果如图7所示。

从图7中可看出，（a）、（b）、（c）、（d）4幅图的滞回曲线都很稳定饱满，说明加劲肋在四种不同长度的情况下BRB均有一定的耗能能力，随着节点板上面外加劲肋的增长，滞回环面积明显增大，且面外加劲肋为300mm时节点的耗散系数最大，节点的耗能能力依次增长了1%、0.5%和1%，表明加劲肋的长度对支撑的耗能性能有一定的影响，且加劲肋越长支撑的耗能能力越强。究其原因，加劲肋的增长可增强节点板的稳定承载力［15］，减小节点板发生面外失稳的可能性，继而提高整个节点的抗震性能。

图5 不同节点板大小下节点的滞回曲线

3 结 论

利用ABAQUS软件分别对带有BRB的钢框架梁柱节点和带普通支撑的框架梁柱节点进行了非线性有限元分析，对比两种支撑加入框架中对节点抗震性能的不同影响，以及针对带有BRB的钢框架梁柱节点进行参数分析，讨论参数变换对节点抗震性能的影响规律，得出以下结论：

1）BRB在外包钢管和混凝土的约束下耗能能力明显比没有约束作用下的普通支撑耗能能力强，相对应的带有BRB的钢框架梁柱节点要比带普通支撑的梁柱节点的抗震性能好。

2）BRB的耗能性能随着支撑内芯屈服强度的降低而提高，内芯屈服强度越低，支撑的耗能性能就越好，且内芯为LY100比LY225时节点耗能能力要提高7%。在实际工程中可根据荷载情况优先考虑内芯屈服强度低的屈曲约束支撑，对于LY225这种具有一定强度的低屈服点钢材在承受大的地震作用时可能更有优势。

图6 不同节点板厚度下节点的滞回曲线

3）节点板的大小对BRB的耗能能力有一定的影响，随着节点板的增大支撑的耗能性能有所提高，节点板为500mm×500mm时计算出节点的耗散系数在四者中最大，比节点板为300mm×300mm时节点耗能性能要提高1.3%，但节点板尺寸变为600mm×600mm时耗散系数反而没有增加，不成线性增长，因为节点板尺寸过大，梁柱对其直角嵌固边的约束力降低，会导致自身先发生面外失稳，进而影响整个节点的抗震性能。

4）节点板的厚度也会影响BRB的耗能能力，随着节点板厚度的逐渐增大支撑的耗能性能有很明显的提高，节点板厚度从12、16、20到24mm，节点的耗能性能依次增长1.3%、0.5%和0.8%。此时节点板相当于是对节点起到加掖的作用，加掖作用越强，节点承载力及抗震性能越高。

5）节点板面外加劲肋的长度对BRB的耗能性能也有影响，随着加劲肋的增长，支撑的耗能性能也会有明显的提高，且面外加劲肋为300mm时节点的耗散系数最大，节点的耗能能力依次增长了1%、0.5%和1%，因为加劲肋对节点板来说起到提高节点板稳定性的作用，当节点板较薄时，其平面外抗弯刚度较小，而加劲肋板的设置大大增加了节点板整体的平面外刚度。与此同时，加劲肋越长节点板的稳定承载力就越高，进而整个节点的抗震性能也会提高。

图7 不同面外加劲肋长度下节点的滞回曲线

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