基于懸掛連接的韌性鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能數(shù)值模擬

趙俊賢1,2 ，蔡澤鑫2，邵旭東3，張景程3，郝貴強(qiáng)4，石曉娜4

1.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院

3.新疆建筑設(shè)計(jì)研究院

4.中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司

摘 要: 為解決震后鋼框架梁端因塑性損傷導(dǎo)致的殘余變形過大而無(wú)法修復(fù)的問題，提出一種具有低損傷和易拆卸的新型韌性鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)，在梁上翼緣頂部采用懸掛抗剪連接形成旋轉(zhuǎn)中心，在梁下翼緣通過屈曲約束板拉壓屈服耗散地震能量。通過 ABAQUS 有限元軟件對(duì)該節(jié)點(diǎn)受力性能開展研究，提出懸掛栓接和懸掛焊接兩種構(gòu)造，并與傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明: 該節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具有相同彈性剛度，屈服耗能主要集中在屈曲約束板，有效避免梁端塑性損傷、屈曲和斷裂，顯著提高節(jié)點(diǎn)的震后可恢復(fù)性; 在彈塑性階段，節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心基本位于梁上翼緣附近，節(jié)點(diǎn)彎矩主要由屈曲約束板和懸掛抗剪連接的拉壓力偶提供，滯回環(huán)飽滿穩(wěn)定; 懸掛栓接和懸掛焊接對(duì)節(jié)點(diǎn)性能無(wú)顯著影響。

關(guān)鍵詞:韌性;  鋼框架;  梁柱節(jié)點(diǎn);  懸掛連接;  屈曲約束板;  有限元分析

NUMERICAL ANALYSIS ON SEISMIC PERFORMANCE OF RESILIENT STEEL BEAM-COLUMN JOINTS USING SUSPENDED  CONNECTIONS

ZHAO Junxian1,2  CAI Zexin2  SHAO Xudong3   ZHANG Jingcheng3  HAO Guiqiang4  SHI Xiaona4

1.State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology

2.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology

3.Xinjiang Architectural Design Institute

4.Zhongtu International Architectural Design Co.,Ltd.．

Abstract:In order to solve the problem that the residual defomation at the bean ends of steel frame caused by platic damage after the earthquake is too large to be repaired，a new resilient steel beam-column joint featured with low damage and easy maintenance is proposed．The top of the upper flanges of the beams adopt suspended shear connections to form the center of rotation．The bottom flanges of the beams are connected by buckling-restrained plate ( BRP) ，which is used to dissipate seismic energy．ABAQUS finite element software was used to study the mechanical performance of the new joint，in which the suspended connections with steel angle bolted configuration and steel angle welded configuration on the top flange were considered，and their performance was compared with the traditional welded joint．The results showed that the new joint had comparable stiffness to the traditional one，and energy dissipation was concentrated in the BRP．Thus，damage and local buckling near the beam end could be avoided and resiliency of the joint could be significantly improved．In elasto-plastic range，the rotation center of the new joint concentrated near the beam top flange，and bending moment was contributed mainly by the axial force from the BRP and the suspended connection，with stable cyclic performance．The configuration of suspended connection did had little effect on the performance of the new joint．

Keywords:resilience; steel frame; beam-column connection; suspended connection; buckling-restrained plate; finite element analysis

DOI:10. 13204 /j．gyjzG20012301

來源：

趙俊賢,蔡澤鑫,邵旭東,張景程,郝貴強(qiáng),石曉娜.基于懸掛連接的韌性鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能數(shù)值模擬[J].工業(yè)建筑,2021,51(08):79-86.

為解決上述問題，可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)( 亦稱韌性 結(jié)構(gòu)) 的概念應(yīng)運(yùn)而生，其定義為在地震后不需修 復(fù)或稍加修復(fù)即可恢復(fù)其使用功能的結(jié)構(gòu)體系[1]。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者提出了具有韌性的新型梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，主要分為兩類: 一是預(yù)應(yīng)力體系，二是可更換構(gòu)件體系。Christopoulos 等提出一種預(yù)應(yīng)力體自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)，通過沿梁長(zhǎng)方向布置預(yù)應(yīng)力鋼筋提供恢復(fù)力，實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能[2]。Maurya 等將自復(fù)位支撐與梁下翼緣底部連接，避免了對(duì)梁柱構(gòu)件直接施加預(yù)應(yīng)力，并在梁端上翼緣通過銷軸與柱連接，再通過節(jié)點(diǎn)開合變形和自復(fù)位支撐的恢復(fù)力實(shí)現(xiàn)復(fù)位[3]。但現(xiàn)行的預(yù)應(yīng)力體系存在預(yù)應(yīng)力鋼筋彈性應(yīng)變不足、滯回本構(gòu)和施工復(fù)雜等問題，對(duì)其實(shí)際工程應(yīng)用造成了一定困難。 

相比之下，可更換構(gòu)件體系的應(yīng)用前景更為廣闊，其原理是通過在結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)較大損傷和變形的部位設(shè)置阻尼器，并在震后對(duì)阻尼器進(jìn)行修復(fù)或更換以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的可恢復(fù)，避免預(yù)應(yīng)力體系的施加。Fortney 等提出一種可更換的鋼連梁體系[4]，鋼連梁分別埋入兩邊的混凝土剪力墻，在兩段鋼連梁中間布置金屬阻尼器并通過螺栓與鋼連梁連接，試驗(yàn)結(jié)果表明，該連梁具有保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的作用以及便捷的可更換性。陳以一等在文獻(xiàn)[5]中給出了可更換構(gòu)件結(jié)構(gòu)體系的荷載－位移曲線、變形相容條件以及螺栓連接對(duì)于可更換構(gòu)件的優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[6-8]提出可更換功能的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)新構(gòu)造，通過 T 形件分別連接柱翼緣和梁上翼緣，進(jìn)而在梁頂部形成旋轉(zhuǎn)中心，并在梁下翼緣布置阻尼器( U 形、開豎縫剪切型阻尼器) ，通過梁底部開合變形來耗能，同時(shí)減小樓板效應(yīng)。Kurata 等提出一種人字 形拉桿的耗能梁柱節(jié)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)中布置人字形支撐分別連接梁跨中與柱端部，通過拉桿作用令固定于柱端部的鋼板阻尼器彎曲耗能[9]。He 等對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置懸臂梁段和中間梁段，梁段上翼緣通過拼接板連接形成旋轉(zhuǎn)中心，下翼緣通過角鋼連 接作為耗能部件，實(shí)現(xiàn)可更換[10]。 

總體而言，可更換構(gòu)件體系研究目前主要集中在梁柱節(jié)點(diǎn)，并取得了一定成果，但仍存在以下問題尚待解決: 1) 缺乏有效抗剪傳力機(jī)制。相關(guān)文獻(xiàn)提出在梁頂部通過設(shè)置 T 形件或鋼板拼接形成旋轉(zhuǎn)中心，以傳遞翼緣的軸向拉壓力，但缺乏有效的抗剪傳力機(jī)制，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)較大剪切變形而失效; 2) 耗能元件的性能優(yōu)化?？筛鼡Q部件多采用摩擦阻尼器以及 U 形板、開豎縫剪切板等金屬阻尼器， 其中摩擦耗能取決于接觸面摩擦系數(shù)，易受環(huán)境影響、耐久性低，金屬耗能則多采用彎曲、剪切等屈服機(jī)制，耗能效率低，計(jì)算模型復(fù)雜; 3) 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與提前耗能的矛盾。為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)提前耗能，需采用承載力較小的耗能元件，但又會(huì)造成節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度不足，難以為結(jié)構(gòu)提供足夠的彈性剛度。因此，需要研發(fā)一種具有可靠抗剪機(jī)制、明確力學(xué)模型、較大轉(zhuǎn)動(dòng)剛度、優(yōu)良耗能能力、且便于施工與設(shè)計(jì)的新型韌 性鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)。

01

新型韌性鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的提出

本文提出一種新型韌性鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)，如圖 1 所示，其由箱型柱、懸臂段焊接 H 型鋼梁、中間段熱軋 H 型鋼梁、懸掛抗剪連接和屈曲約束板組成。懸掛抗剪連接包括抗剪板、角鋼、拼接板和高強(qiáng)螺栓。在靠近梁段斷口處的上翼緣頂部焊接有抗剪板，采用雙角鋼和雙鋼板通過高強(qiáng)螺栓對(duì)梁上翼緣進(jìn)行拼接。梁下翼緣設(shè)置有屈曲約束板，其由承受軸力的變截面核心單元和防止屈曲的約束單元組成，核心單元端部彈性段以及兩個(gè)梁段的下翼緣均焊接有墊片( 接觸面經(jīng)噴砂處理)，彼此通過高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。該節(jié)點(diǎn)通過懸掛連接和屈曲約束板拉壓力形成的力偶傳遞彎矩，剪力通過懸掛抗剪連接的抗剪板和角鋼豎直肢進(jìn)行傳遞。由于梁段之間的斷口間距小( 30 mm) ，角鋼豎直肢將提供較大的抗剪剛度和抗剪承載力并最終傳至相鄰梁段的腹板。屈曲約束板的軸向剛度大，在多遇地震下為節(jié)點(diǎn)提供較大轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，同時(shí)可改變核心單元中間屈服段長(zhǎng)度調(diào)整其屈服時(shí)刻，通過懸掛連接形成旋轉(zhuǎn)中心，在設(shè)防地震、罕遇地震下利用屈曲約束板拉壓屈服耗能。屈曲約束板只充當(dāng)二力桿作用，力學(xué)模型簡(jiǎn)單，便于結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)采用全螺栓裝配式連接，便于施工安裝和震后更換。

a—梁柱節(jié)點(diǎn)各足尺部件; b—組裝后的節(jié)點(diǎn); c—屈曲約束板構(gòu)成。1—箱型柱; 2—懸臂梁段; 3—中間梁段; 4—屈曲約束板; 5—墊片( 噴砂) ; 6—抗剪板; 7—角鋼; 8—拼接板。 

圖1 新型韌性鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造 

Fig.1 Configuration of the new resilient steel frame joint

本文通過有限元分析軟件 ABAQUS 建立不同構(gòu)造的新型可恢復(fù)功能梁柱節(jié)點(diǎn)有限元模型，明確其工作和傳力機(jī)制，并與傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)對(duì)比，分析其性能優(yōu)越性。

02

有限元模型

2.1 模型設(shè)計(jì)

為了更有代表性地對(duì)節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行模擬，先通過 YJK 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)一棟 3 層 3 跨鋼結(jié)構(gòu)辦公樓( x、y 向各 3 跨) ，跨度為 6 m，層高為 3 m。抗震設(shè)防烈度為 8 度( 0.3g) ，設(shè)計(jì)分組為第二組，Ⅱ 類場(chǎng)地土，場(chǎng)地特征周期 0.4 s，彈性分析的阻尼比為 0.04。豎向荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、樓面恒荷載3.0 kN/m2、樓面荷載2.0 kN/m2。選用箱型柱截面 為□370×370×14×14，H型鋼梁截面為H450×200×9×14， 鋼材牌號(hào)均為 Q345B，滿足多遇地震下構(gòu)件彈性和彈性層間位移角限值要求。 

本文分析對(duì)象為整體結(jié)構(gòu)模型的首層邊跨節(jié)點(diǎn)，柱長(zhǎng)度取首層柱中點(diǎn)至二層柱中點(diǎn)( 假定反彎點(diǎn)) ，梁長(zhǎng)度取梁中點(diǎn)( 假定反彎點(diǎn)) 至節(jié)點(diǎn)域，形成 T 型節(jié)點(diǎn)有限元模型。懸臂段與中間段之間的斷口設(shè)置在豎向荷載下梁的彎矩零點(diǎn)處，以避免屈曲約束板分擔(dān)豎向內(nèi)力。懸掛抗剪連接的角鋼豎向肢抗剪承載力按豎向荷載和地震作用( 此項(xiàng)對(duì)應(yīng)極限狀態(tài)) 引起的梁端剪力之和進(jìn)行驗(yàn)算。其中，地震引起的梁端剪力部分以屈曲約束板達(dá)到極限軸力為依據(jù)計(jì)算。此外，懸掛抗剪連接還需承受屈曲約束板的軸力，以此軸力和上述總剪力疊加對(duì)懸掛抗剪連接承載力進(jìn)行驗(yàn)算，并假定軸力由角鋼水平肢和豎 直肢共同承擔(dān)，剪力由角鋼豎直肢單獨(dú)承擔(dān)。為使采用不同節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)具有相近的彈性內(nèi)力，根據(jù)新型節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn) T 型有限元模型抗側(cè)剛度相等的原則，通過試算可確定屈曲約束板的核心單元截面，如圖 2 所示。

圖 2 屈曲約束板核心單元板尺寸 mm 

Fig.2 Dimensions of buckling-restrained core plate

根據(jù) T 型節(jié)點(diǎn)的受力模型和斷口的極限彎矩估算值( 屈曲約束板達(dá)到極限軸力) 可計(jì)算出梁反彎點(diǎn) 的最大剪力，考慮 1.2 倍安全系數(shù)后便可得到懸臂梁段端部的極限彎矩設(shè)計(jì)值。為保證梁端始終處于彈性，懸臂梁段翼緣采用 Q690B、腹板采用 Q345B 級(jí)鋼材。考慮到高強(qiáng)鋼的供貨情況，且為保證兩個(gè)梁段的慣性矩一致以及便于裝配式連接，懸臂梁段的梁選用 H 型鋼梁，斷面規(guī)格為 H450×200×12×12。

a—傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn); b—懸掛栓接節(jié)點(diǎn); c—懸掛焊接節(jié)點(diǎn)。

圖 3 有限元模型節(jié)點(diǎn)尺寸 mm 

Fig.3 Dimension of the joint in finite element model

如圖 3 所示，有限元模型共考慮三種不同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，包括新型懸掛栓接節(jié)點(diǎn)、新型懸掛焊接節(jié)點(diǎn)和傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)。在懸掛焊接節(jié)點(diǎn)中，角鋼與抗剪板和梁上翼緣頂部均采用貼邊焊進(jìn)行連接。在同等連接長(zhǎng)度情況下，焊縫連接承載力一般要高于高強(qiáng)螺栓摩擦型連接，即在相同承載力情況下，懸掛焊接節(jié)點(diǎn)的連接長(zhǎng)度比懸掛栓接短，對(duì)樓板鋼筋的施工影響更小，且形心能進(jìn)一步上移，減小樓板效應(yīng)的影響。為對(duì)比這兩種新型懸掛連接構(gòu)造的性能，在有限元模型中依然采用相同的角鋼長(zhǎng)度。傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的過焊孔及對(duì)接焊縫構(gòu)造參照 JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[11]?？紤]到新型節(jié)點(diǎn)梁端部處于彈性工作狀態(tài)，新型節(jié)點(diǎn)的過焊孔僅采用單個(gè) 1/4 圓弧構(gòu)造以便于加工。懸掛連接采用 10.9 級(jí) M20 高強(qiáng)螺栓，屈曲約束板與梁的連接采用 12.9 級(jí) M27 高強(qiáng)螺栓。

2.2 網(wǎng)格劃分及材料本構(gòu)

梁、柱、懸掛抗剪連接、屈曲約束板的核心單元連接段、螺栓均采用 C3D8R 單元，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。如圖 4 所示，通過網(wǎng)格敏感性分析并綜合考慮計(jì)算時(shí)間，梁柱標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格尺寸為 20 mm× 20 mm，部分潛在塑性區(qū)采用12 mm×20 mm 網(wǎng)格，梁、柱翼緣厚度方向分 4 層。角鋼和屈曲約束板核心單元連接段的網(wǎng)格尺寸為 10 mm×10 mm，厚度方向分為 4 層。高強(qiáng)螺栓的網(wǎng)格尺寸為4 mm×4 mm。實(shí)體單元的材料屬性按表 1 確定，采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型，第二剛度取彈性模量的 3%。

a—傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)梁端加密網(wǎng)格; b—耗能梁柱節(jié)點(diǎn)懸臂梁段腹板加密網(wǎng)格; c—屈曲約束板核心單元等效示意。1—核心單元彈性段; 2—核心單元過渡段: 3—核心單元屈服段。

圖 4 有限元模型加密網(wǎng)格區(qū)域示意 

Fig.4 Mesh schemes of the finite element model

表 1 模型材料屬性 

Table 1 Material properties of the finite element models

如圖 4c 所示，為避免核心單元與約束單元之間的接觸非線性分析，基于等剛度和等屈服力原則，可把核心單元屈服段、過渡段和部分彈性段等效為二力桿模型，使用 TRUSS 單元( T3D2) 模擬其軸向拉壓行為。以往研究表明，TRUSS 單元的滯回本構(gòu)采用 OpenSEES 軟件中Steel 02 材料的Giuffré- Menegotto-Pinto 模型，可準(zhǔn)確模擬屈曲約束支撐的滯回性能[12]。通過與以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，本文選取 的 Steel 02 模型參數(shù)如表 2 所示。

表2 屈曲約束板的 Steel 02 本構(gòu)參數(shù)設(shè)置 

Table 2 Constitutive parameters of buckling-restrained plate Steel 02

2.3 接觸關(guān)系

屈曲約束板與梁的連接通過經(jīng)噴砂處理的墊片連接，兩塊墊片分別與核心單元彈性段和梁底部焊接，在有限元中采用 Tie 連接簡(jiǎn)化模擬。懸掛栓接的各部件之間以及墊片之間的接觸面定義為法向硬接觸，切向采用罰函數(shù)定義，其中墊片與墊片之間摩擦系數(shù)取為 0.45，其余各部件之間摩擦系數(shù)取為 0.3。對(duì)于懸掛焊接構(gòu)造，角鋼與抗剪板和梁之間的角焊縫采用實(shí)體單元( C3D8R) 建模，通過 Tie 連接與母材建立約束，相鄰板件之間的接觸面定義為法向硬接觸、切向無(wú)摩擦。

2.4 邊界條件和加載制度 

采用 ABAQUS 有限元軟件建立的節(jié)點(diǎn)模型如圖 5a 所示( 以新型懸掛栓接構(gòu)造為例) 。A、B、C 點(diǎn) 分別為上柱、下柱和梁反彎點(diǎn)( 假定為各構(gòu)件中 點(diǎn)) ，分別與柱頂截面、柱底截面和梁端截面耦合 6 個(gè)自由度。對(duì) A 點(diǎn)僅設(shè)置沿平面外 Z 方向的平動(dòng)自由度約束，對(duì) B 點(diǎn)設(shè)置固定鉸接約束，對(duì) C 點(diǎn)設(shè)置水平滑動(dòng)鉸支座約束。 

a—有限元模型邊界條件; b—有限元模型加載制度。 

圖 5 模型邊界條件及加載 

Fig. 5 Boundary conditions and loading protocol

圖 5b 為有限元模型加載制度。在 A 點(diǎn)施加往復(fù)水平位移，并以層間位移角作為控制目標(biāo)。各級(jí) 層間位移角峰值取為 0. 4%，0. 75%，1%，1. 5%，2%， 3%，4%。除第一級(jí)僅循環(huán) 1 圈外，其余各級(jí)均循環(huán) 2 圈。其中層間位移角 0. 4% 和 2% 分別對(duì)應(yīng) GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]關(guān)于多高層鋼框架彈性和彈塑性層間位移角限值，以便于判斷屈曲約束板的起始工作狀態(tài)。 

2.5 有限元與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比 

圖 6a 給出了新型韌性鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)加載情況，其中柱下端反彎點(diǎn)采用固定銷軸支座，在梁反彎點(diǎn)設(shè)置兩端銷軸連接的二力桿以模擬滑動(dòng)鉸支座邊界條件，通過水平向作動(dòng)器對(duì)柱上端反彎點(diǎn)進(jìn)行加載，試件尺寸、材料參數(shù)和加載制度均與有限元模擬方法一致。圖 6b 和 6c 給出了新型節(jié)點(diǎn)在 4% 層間位移角下的變形狀態(tài)，圖 6d 為水平力 VF －層間位移角 α 的試驗(yàn)曲線與有限元結(jié)果的對(duì)比?？梢姡?新型韌性節(jié)點(diǎn)符合其預(yù)設(shè)變形機(jī)制，通過梁底部的屈曲約束板拉壓屈服耗能，且有限元結(jié)果準(zhǔn)確模擬了新型節(jié)點(diǎn)的滯回性能，可采用該方法開展此類新型節(jié)點(diǎn)的有限元參數(shù)分析。

a—試驗(yàn)加載; b—節(jié)點(diǎn)張開; c—節(jié)點(diǎn)閉合; d—有限元和試驗(yàn)結(jié)果。 

圖 6 新型韌性節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果及其與有限元結(jié)果的對(duì)比 

Fig.6 Comparisons between the expermental and the finite element analysis results of the new resilient joint

03

有限元參數(shù)分析

3.1 滯回性能及骨架曲線 

圖 7 給出了傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、新型懸掛栓接節(jié)點(diǎn)和新型懸掛焊接節(jié)點(diǎn)滯回性能的有限元模擬結(jié)果，圖 8 為屈曲約束板軸力 FBRP 與層間位移角 α 的關(guān)系曲線，表 3 給出了各模型水平向彈性抗側(cè)剛度和屈服時(shí)層間位移角的數(shù)據(jù)。

a—傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn); b—懸掛栓接; c—懸掛焊接; d—骨架曲線對(duì)比。 

圖 7 有限元模型的滯回曲線和骨架曲線 

Fig. 7 Hysteretic and skeleton curves of the finite element models

表3 各模型水平向彈性抗側(cè)剛度和屈服時(shí)層間位移角數(shù)據(jù) 

Table 3 Lateral elastic stiffness and inter-story drift angles at yield of finite element models

從表 3 和圖 7d 可見，新型節(jié)點(diǎn)具有與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn) 一致的彈性剛度，實(shí)現(xiàn)了新型節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的等剛度設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和新型節(jié)點(diǎn)屈服時(shí)的層間位移角分別 1.05%和 0.64%，說明新型節(jié)點(diǎn)在多遇地震作用之后才進(jìn)入屈服，滿足多遇地震彈性設(shè)計(jì)要求。新型節(jié)點(diǎn)先于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)開始耗能，說明新型節(jié)點(diǎn)可提前屈服消耗地震能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。懸掛栓接與懸掛焊接模型的彈性剛度、屈服時(shí)刻均一致，各層間位移角下的峰值點(diǎn)承載力差異小于 5%，說明不同懸掛抗剪連接構(gòu)造對(duì)新型節(jié)點(diǎn)的受力性能無(wú)明顯影響，可根據(jù)施工要求靈活選擇相應(yīng)構(gòu)造。

a—懸掛栓接; b—懸掛焊接。 

圖 8 屈曲約束板滯回曲線 

Fig.8 Hysteretic curves of buckling-restrained plates

對(duì)比圖 7 和圖 8 可知，屈曲約束板軸向力滯回曲線與新型節(jié)點(diǎn)水平力滯回曲線的屈服時(shí)刻相吻合，說明節(jié)點(diǎn)受力性能取決于屈曲約束板。由于屈曲約束板是利用全截面充分屈服的耗能機(jī)制，因此新型節(jié)點(diǎn)的滯回曲線飽滿程度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。新型節(jié)點(diǎn)的正負(fù)彎矩對(duì)稱性較好，但負(fù)彎矩( 屈曲約束板受壓) 略大于正彎矩，這主要是因?yàn)榍s束板的拉壓不平衡特點(diǎn)所決定的，此特點(diǎn)已在 Steel 02 材料模型中予以考慮。 

3.2 斷口彎矩－轉(zhuǎn)角關(guān)系 

圖 9 為新型節(jié)點(diǎn)的斷口彎矩 MD 與轉(zhuǎn)角 θ 的關(guān) 系曲線，斷口彎矩為梁反彎點(diǎn)剪力與反彎點(diǎn)到斷口 中心線距離的乘積。節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角由布置于相鄰梁段腹板上的兩個(gè)不同高度位置的兩測(cè)點(diǎn)相對(duì)距離之差除 以測(cè)點(diǎn)的高差得到。

a—懸掛栓接; b—懸掛焊接。 

圖 9 新型節(jié)點(diǎn)的斷口彎矩－轉(zhuǎn)角滯回曲線 

Fig.9 Moment-rotation curves of the fracture section of new joints

由圖 9 可知，雖然采用不同的懸掛抗剪連接構(gòu)造，兩者屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角相同 ( 均為 0.235%) ，兩者在各加載位移峰值處的斷口彎矩及節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的差異均小于 5%，說明上述懸掛抗剪連接構(gòu)造對(duì)新型節(jié)點(diǎn)的彎矩－轉(zhuǎn)角關(guān)系無(wú)明顯影響。同樣地，新型節(jié)點(diǎn)的彎矩－轉(zhuǎn)角關(guān)系在正負(fù)向具有較好的對(duì)稱性，同一層間位移角幅值下的正負(fù)向轉(zhuǎn)角基本接近，但仍然呈現(xiàn)出一定的正負(fù)彎矩不對(duì)稱現(xiàn)象，這主要是由屈曲約束板自身拉壓不平衡特性決定的。

a—模型旋轉(zhuǎn)中心高度; b—懸掛抗剪連接彎矩與斷口彎矩的比值 T。 

圖 10 新型節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心及彎矩幅值 

Fig.10 Rotation center and bending moment capacity of the new joint

圖 10a 為新型節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心高度( H) 隨層間位移角( α) 的變化曲線，旋轉(zhuǎn)中心高度是指懸掛抗剪連接的幾何旋轉(zhuǎn)中心到屈曲約束板核心單元的距離，可通過斷口處的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角及某一高度位置相鄰梁段的水平變形差確定。該曲線具有以下特點(diǎn): 1) 在彈性階段，新型節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)中心位置位于梁上翼緣以下約 50～100 mm 位置，且隨著位移幅值增加， 旋轉(zhuǎn)中心逐漸上移到梁上翼緣頂部附近，這主要是因?yàn)榍s束板屈服后剛度遠(yuǎn)小于其彈性剛度，導(dǎo)致屈服后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心的上移趨勢(shì); 2) 正彎矩作用下的旋轉(zhuǎn)中心要比負(fù)彎矩作用時(shí)更靠近梁上翼緣， 這主要是因?yàn)榍s束板的拉壓不平衡特點(diǎn)造成其受壓剛度略大于受拉剛度，因此負(fù)彎矩時(shí)( 對(duì)應(yīng)屈曲約束板受壓) 旋轉(zhuǎn)中心有下移趨勢(shì); 3) 在正負(fù)向， 懸掛焊接構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)中心略高于懸掛栓接構(gòu)造，這主要是因?yàn)榍罢咧徊捎脙蓚€(gè)角鋼連接相鄰梁段，雙角鋼截面的形心要高于雙角鋼雙拼接板截面的形心。綜上所述，與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)中心( 中和軸) 始終位于腹板高度中心的情況相比，新型節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心始終靠近梁上翼緣附近，有利于減小樓板效應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度和承載力的放大作用、減小正負(fù)彎矩的不對(duì)稱性，并有望減小樓板在負(fù)彎矩下的開裂程度，有利于提高節(jié)點(diǎn)的韌性能力。與懸掛栓接相比， 懸掛焊接構(gòu)造更有利于提高旋轉(zhuǎn)中心的高度，有望進(jìn)一步減弱樓板效應(yīng)。 

圖 10b 給出了斷口處懸掛抗剪連接所承擔(dān)的彎矩占斷口總彎矩之比 T 隨層間位移角 α 的變化關(guān)系?？梢?，當(dāng)層間位移角小于 1%時(shí)，該占比均小于 5%; 隨著層間位移角增加，該占比總體上呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，但該占比最大值僅為 10%左 右。上述現(xiàn)象表明，斷口的節(jié)點(diǎn)彎矩主要由屈曲約束板軸力產(chǎn)生的力偶提供，懸掛抗剪連接的彎矩不起控制作用。

3.3 塑性損傷

圖 11 給出了加載結(jié)束后各模型的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D?？梢?，傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)在梁端部產(chǎn)生了嚴(yán)重塑性損傷并出現(xiàn)翼緣局部屈曲現(xiàn)象，震后難以對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。由于無(wú)法在有限元分析中模擬斷裂，因此實(shí)際工程中的傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)也面臨斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。新型節(jié)點(diǎn)的塑性損傷主要集中在屈曲約束板的屈服段， 除了斷口處懸掛抗剪連接中部出現(xiàn)部分塑性外，梁柱節(jié)點(diǎn)絕大部分區(qū)域均處于彈性狀態(tài)。以上現(xiàn)象說明，新型節(jié)點(diǎn)可有效控制節(jié)點(diǎn)的塑性損傷，將地震能量轉(zhuǎn)移并集中至屈曲約束板耗散，震后只需更換屈曲約束板便可快速恢復(fù)節(jié)點(diǎn)性能。

a—傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn); b—懸掛栓接節(jié)點(diǎn); c—懸掛焊接節(jié)點(diǎn)。 

圖 11 梁柱節(jié)點(diǎn)等效塑性應(yīng)變對(duì)比 

Fig.11 Comparisons of equivalent plastic strains of beam-to-column connections

04

結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)震后鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)因塑性損傷而難以修復(fù)的問題，提出了基于懸掛連接的新型韌性梁柱節(jié)點(diǎn)，通過有限元分析研究了不同懸掛連接節(jié)點(diǎn)的滯回性能、傳力機(jī)制，并與傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，得到以下主要結(jié)論:

1) 在合理設(shè)計(jì)前提下，新型節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)焊接節(jié)點(diǎn)相同的彈性剛度，可采用通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)設(shè)置新型節(jié)點(diǎn)的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性內(nèi)力分析和截面設(shè)計(jì)。

2) 新型節(jié)點(diǎn)在多遇地震下可保證彈性狀態(tài)，滿足多遇地震彈性的性能目標(biāo)，并可先于傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入屈服，提前消耗地震能量。

3) 新型節(jié)點(diǎn)的塑性損傷主要集中在屈曲約束板的屈服段，其余梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)主要處于彈性狀態(tài)，有效提升節(jié)點(diǎn)的震后可恢復(fù)性。 

4) 新型節(jié)點(diǎn)的斷口彎矩主要取決于屈曲約束板軸力產(chǎn)生的彎矩貢獻(xiàn)，懸掛抗剪連接的彎矩不起控制作用，其彎矩－轉(zhuǎn)角關(guān)系呈飽滿梭形，具有較好的拉壓對(duì)稱性。

5) 懸掛栓接和懸掛焊接構(gòu)造在節(jié)點(diǎn)彈性剛度、 屈服層間位移角、屈服水平剪力、端口彎矩等主要參數(shù)方面基本接近，兩者主要區(qū)別體現(xiàn)在斷口的旋轉(zhuǎn)中心位置，其中懸掛焊接構(gòu)造更有利于提高旋轉(zhuǎn)中心位置，有望進(jìn)一步減小樓板效應(yīng)和提高樓板可修復(fù)性。

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