预制RCS框架结构中抗震性能与渐进性破坏抵抗力的协同增强：一种非线性有限元分析方法

《Journal of Building Engineering》：Synergistic Enhancement of Seismic and Progressive Collapse Resistance in Prefabricated RCS Frame Structures: A Nonlinear Finite Element Analysis

　　

刘友全|马璐|叶欢|张伟|赵坤坤|李光坤

安徽科技大学建筑学院，蚌埠，中国

摘要

预制钢筋混凝土柱-钢梁（简称：RCS）复合框架结构在模块化施工方面具有显著优势，并具有广泛的应用前景。通过对不同梁-柱连接方式的预制RCS框架子结构进行地震和渐进性倒塌试验，选择了一种连接方式作为代表案例。为了优化抗震和渐进性倒塌性能，将高性能组件（ tendon和Y形支撑）集成到RCS框架中，形成了高性能RCS（简称：HPRCS）框架。采用校准的有限元分析（FEA）方法来评估其抗震和渐进性倒塌性能。结果表明，塑性变形集中在能量耗散段，提供了大量的能量耗散，而Y形支撑使横向承载能力提高了57.6%。在中间柱失效的情况下，tendon使最终的渐进性倒塌阻力提高了113.7%；在角柱失效的情况下，Y形支撑优化了荷载传递路径，提高了47.4%的抵抗力。引入高性能组件显著提高了抗震性能和抗渐进性倒塌性能。此外，还从理论上分析了HPRCS框架中高性能组件的承载机制，并提出了计算方法来量化它们对抗震和渐进性倒塌阻力的贡献。这些方法为将高性能组件应用于提高RCS框架结构的抗震和抗渐进性倒塌性能提供了有价值的指导。

引言

预制钢筋混凝土-钢（RCS）框架由预浇筑的钢筋混凝土柱和钢梁在现场组装而成，是一种结合了RC和钢互补优势的混合结构系统。它是预制建筑的关键要素和关键技术，符合全球向模块化施工和建筑行业工业化发展的趋势。预制RCS框架的应用潜力巨大。在服役过程中，结构必须满足抗震设计要求以及防止渐进性倒塌的规定。抗震性能指的是承受地震引起的动态效应的能力，包括横向和垂直作用力[1]。渐进性倒塌性能指的是承受可能引发局部故障并通过相邻构件传播连锁反应的突发事件（如爆炸、撞击或火灾）的能力，从而防止整个结构受到不成比例的损坏[2]。地震和渐进性倒塌危害是预制建筑安全的主要威胁。在地震或渐进性倒塌事件发生时，可能会造成大量人员伤亡和财产损失[3]。

迄今为止，已经对预制RCS框架结构中的梁-柱接头进行了大量的性能研究[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。Mirghaderi等人[9]提出了一种新的钢筋混凝土柱和钢梁之间的弯曲连接方式，通过将两个平行的U形钢构件焊接到面板区域来确保梁-柱连接在面板区域内的连续性；然而，其渐进性倒塌性能尚未得到评估。Nguyen等人[10]对RC柱-钢梁边缘接头进行了全尺寸低循环往复荷载试验，评估了其承载能力、强度退化、刚度退化、延展性和能量耗散能力，但缺乏对其渐进性倒塌性能的评估。Alireza等人[11]实验评估了两种半尺寸预制RC柱-钢梁接头的抗震性能，分析了失效模式、接头损伤、承载能力和能量耗散能力。Nguyen等人[12]提出了一种新型的穿柱RCS接头，并进行了全尺寸机械性能试验，同时基于ABAQUS的三维有限元模型进行了参数分析。Tang等人[13]对完全螺栓连接的预制RCS梁-柱接头进行了渐进性倒塌试验，并评估了其渐进性倒塌阻力；然而，缺乏对其抗震性能的评估。Xiong等人[14]实验研究了三种类型的RCS梁-柱接头，以评估渐进性倒塌阻力，发现不同的连接细节会导致失效模式、承载能力和最终变形能力的变化。Liu等人[15]提出了一种新型的预制RCS梁-柱接头，进行了半尺寸试验以评估其渐进性倒塌阻力，并根据实验结果集成了钢tendon进行结构优化，随后进行了参数有限元分析，证明了加入钢tendon显著提高了渐进性倒塌阻力。

上述研究表明，许多研究人员提出了多种预制RCS梁-柱配置，并分别评估了它们的抗震性能；然而，尚不清楚它们的渐进性倒塌性能是否满足既定标准。同时，仅研究预制RCS梁-柱连接渐进性倒塌性能的研究尚未充分描述它们的抗震性能，需要进一步的研究来澄清这一点。这种片面的方法忽略了抗震性能和抗渐进性倒塌性能之间的潜在冲突。

之前的工作开发了三种新型的RCS梁-柱连接方式（图1）。每种连接方式都经过了单独的地震试验[16]和抗渐进性倒塌试验[17]。原型建筑设计的背景可以在之前的研究[18]中找到。地震骨架曲线和渐进性倒塌荷载-位移曲线分别如图2(a)和2(b)所示。结果表明，J-3连接方式在三种配置中具有最低的渐进性倒塌安全裕度。这一特性使得J-3连接方式成为我们研究的理想案例，因为最弱连接方式的显著改进为所提出的高性能组件的有效性提供了最有力的证据。

当前的渐进性倒塌设计策略强调强梁行为，而抗震设计则要求强柱-弱梁的层次结构。因此，通过增加梁的承载能力或悬链线作用来提高渐进性倒塌阻力可能会与强柱-弱梁的要求发生冲突。解决这一冲突是本研究的中心目标。因此，本研究旨在提高RCS框架的渐进性倒塌阻力，同时尽量减少对抗震性能的不利影响。采用J-3梁-柱连接的RCS框架作为案例研究。将高性能组件（钢tendon和Y形支撑）集成到框架中，形成高性能RCS（HPRCS）框架。整体配置如图3所示。

本研究采用经过实验验证的有限元模型和分析程序来研究HPRCS框架子结构的抗震和渐进性倒塌阻力。目标是量化各个高性能组件对抗震和渐进性倒塌阻力的贡献，并评估HPRCS框架的整体性能。开发了组件级别的理论公式，并提出了计算框架来量化每个组件对抗震和渐进性倒塌阻力的贡献。随后验证了计算结果的可靠性。

章节片段

子结构选择和有限元模型

• (a)
  子结构

根据之前的研究[19]，采用了一种子结构来评估HPRCS框架的抗震性能。分析的重点是位于较低楼层边缘跨度的子结构；这种平面框架组件被命名为S-HPRCS（图4）。

S-HPRCS的详细配置如图5所示，梁-柱连接采用上述的J-3细节。能量耗散段通过高强度螺栓与钢梁连接；

抗渐进性倒塌性能

采用经过实验结果验证的有限元模型来评估HPRCS在角柱和内部柱移除情况下的抗渐进性倒塌性能。量化了tendon和Y形支撑对渐进性倒塌阻力的贡献。

顶部和底部角钢的承载贡献

在采用完全螺栓连接的顶部和底部角钢的RCS梁-柱接头中，接头表现为半刚性，其机械行为、变形特性和失效模式与刚性接头明显不同。因此，全面了解顶部和底部角钢的机械性能对于准确评估抗震能力至关重要。

(a)

顶部角钢

在地震激励下，钢梁绕点O旋转，引起相对旋转

内部柱移除下的抵抗力

• (a)
  tendon的贡献

在内部柱移除的情况下，tendon主要增强了悬链线作用，从而提高了结构的抗渐进性倒塌能力。对P_m-HPRCS的有限元分析表明，tendon在整个抵抗机制中发挥作用，通过悬链线作用提供所需的抵抗力。在垂直荷载下，tendon和钢梁相对于RC柱绕点O旋转，如图41所示

结论

本文采用校准的有限元分析来研究HPRCS的抗震和渐进性倒塌性能，并量化各个高性能组件的贡献。分别评估了包含这些组件的RCS框架的抗震性能和渐进性倒塌阻力。此外，还开发了一种理论方法来评估高性能组件对抗震和渐进性倒塌的贡献

CRediT作者贡献声明

赵坤坤：软件。李光坤：软件、资金获取。叶欢：软件。张伟：软件。刘友全：写作——审稿与编辑、写作——原始草稿、软件、资金获取。马璐：概念化

未引用参考文献

[32]、[33]、[34]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了安徽科技大学的人才引进计划的支持（JZYJ202401, JZYJ202302）。