蔡佩孚 王 珺 馮玉龍 胡新航 王 順 彭佳豪

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230001)

0 引言

震害調(diào)查表明，傳統(tǒng)的鋼框架節(jié)點在地震中易發(fā)生脆性斷裂和失穩(wěn)變形等不利破壞模式，嚴重影響結(jié)構(gòu)性能和繼續(xù)使用[1]。因此，傳統(tǒng)鋼框架節(jié)點的抗震性能和可恢復(fù)功能性亟待提升。

目前可恢復(fù)功能抗震結(jié)構(gòu)已成為近年來國際地震工程領(lǐng)域的研究熱點。呂西林等[2]研究了放松柱端約束、以預(yù)應(yīng)力筋實現(xiàn)自復(fù)位能力的框架結(jié)構(gòu)體系，研發(fā)了保證局部轉(zhuǎn)動能力的角鋼—橡膠節(jié)點。唐依偉[3]提出采用可更換結(jié)構(gòu)構(gòu)件及自復(fù)位搖擺構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)自動恢復(fù)到正常狀態(tài)。針對可恢復(fù)功能抗震節(jié)點，姜子欽等[4]基于損傷控制及滑移耗能等思想，提出了兩種震后功能可快速恢復(fù)的裝配式中柱節(jié)點耗能裝置。張愛林等[5]提出了一種可恢復(fù)功能的裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點，通過翼緣連接蓋板的塑性變形進行耗能，確保梁柱等主要構(gòu)件保持彈性不發(fā)生破壞，以實現(xiàn)節(jié)點的震后快速修復(fù)。

目前屈曲約束的理念主要應(yīng)用在鋼支撐構(gòu)件上，即屈曲約束支撐。王靜峰等[6]進行了5榀屈曲約束支撐與鋼框架節(jié)點板連接試件的水平低周往復(fù)荷載試驗，得到了很好的抗震性能；楊璐等[7]對3根全鋼型裝配式屈曲約束支撐進行了往復(fù)加載試驗，滯回曲線飽滿，耗能性能穩(wěn)定。

對此，本文將“屈曲約束”理念引入節(jié)點，將一對屈曲約束耗能板件(類似于屈曲約束支撐)分別設(shè)置在框架梁上下翼緣位置，提出了一種含屈曲約束耗能組件的鋼框架節(jié)點。利用ABAQUS有限元軟件，數(shù)值分析了核心板加載端非約束長度和約束條件兩個參數(shù)對屈曲約束核心板滯回性能的影響，以此考察兩參數(shù)對節(jié)點抗震性能的影響規(guī)律。

1 節(jié)點及其屈曲約束耗能組件的概念

圖1為本文所提出的節(jié)點示意圖，節(jié)點由框架梁、框架柱以及屈曲約束耗能組件組成。圖2為屈曲約束耗能組件示意圖，屈曲約束耗能組件主要由側(cè)面連接板、耳板和屈曲約束耗能板件三部分組成。兩側(cè)連接板分別與兩側(cè)耳板在工廠焊接，兩側(cè)耳板通過銷軸連接，屈曲約束耗能板件兩側(cè)均分別與兩側(cè)連接板在工廠焊接。

圖3為屈曲約束耗能板件示意圖，屈曲約束耗能板件主要由核心板、墊板、約束板和填充板組成。核心板面外方向布置約束板，側(cè)向布置填充板，在核心板與約束板之間布置墊板(核心板兩端位置)，通過高強度螺栓連接約束板和填充板，對核心板形成屈曲約束機制；在核心板一端通過螺栓連接約束板、墊板和核心板，在核心板另一端約束板懸臂約束核心板，且設(shè)置壓縮間隙。

節(jié)點遭遇地震時，發(fā)生轉(zhuǎn)動變形，屈曲約束耗能組件主要通過耳板和銷軸傳遞梁端剪力，且設(shè)計為彈性；在梁端彎矩作用下，兩個屈曲約束耗能板件主要承擔(dān)拉壓力，形成的力矩抵抗外彎矩，由于設(shè)置屈曲約束機制，核心板率先發(fā)生屈服而不屈曲，可以高效地消耗地震能量，保證主體結(jié)構(gòu)始終處于彈性變形范圍內(nèi)。震后通過更換屈曲約束耗能組件即可實現(xiàn)可恢復(fù)功能，達到震后易修復(fù)的目的。

屈曲約束耗能板件是本文提出節(jié)點主要耗能構(gòu)件，且傳遞梁端彎矩，為關(guān)鍵部件；此外，由于節(jié)點體量比較大。因此，本文選取其中屈曲約束耗能板件系統(tǒng)進行研究(如圖3所示)。

2 屈曲約束耗能板件參數(shù)化模型

圖4為屈曲約束耗能板件基準模型的尺寸圖。圖4的核心板包括連接段、核心段、約束段和非約束段，其中，a為核心板非約束段長度。在基準模型的基礎(chǔ)上對核心板非約束段長度和是否約束加載端進行改變，設(shè)計了5種對比模型(見表1)。

表1 5種對比模型

3 有限元模型的建立

本文研究的屈曲約束耗能板件除約束板僅考慮彈性，核心板、填充板、墊板均考慮塑性。彈性模量均為200 GPa，泊松比均為0.3，塑性材料采用混合強化模型，其參數(shù)設(shè)置見表2。表中，δ0為鋼材屈服應(yīng)力；Q∞為屈服面變化的最大值；b為屈服面隨塑性應(yīng)變變化的速率；C1,C2,C3及γ1,γ2,γ3均為強化參數(shù)。所有部件均采用C3D8R實體單元，圖5為屈曲約束耗能板件和核心板網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為0.01 m。

表2 材料強化參數(shù)標定

核心板端部截面設(shè)置位移耦合點，以位移控制的方法對耦合點施加軸向(Y方向)位移荷載，每個幅值只加載一圈，加載制度見圖6。本文模型邊界條件為：核心板連接段完全固定，耦合點施加X和Z方向的約束。所有的接觸均使用罰函數(shù)算法，切向摩擦力系數(shù)取值為0.1，法向接觸為硬接觸。核心板與墊板、約束板與填充板之間均采用綁定約束。

4 有限元結(jié)果分析

4.1 非約束段長度參數(shù)化分析結(jié)果

圖7為模型A，B，C，D的滯回曲線對比圖。由圖7可知，其曲線形狀基本相似，表明核心板加載端非約束長度基本不影響構(gòu)件滯回性能；滯回環(huán)穩(wěn)定飽滿，均呈現(xiàn)典型的梭形，表明構(gòu)件具有良好的耗能能力。承載力未發(fā)現(xiàn)下降，加載剛度未出現(xiàn)退化；滯回曲線不是中心對稱，呈現(xiàn)了典型的拉壓承載力不對稱，這是由于受拉壓時，受到的摩擦力不同，在試件受壓時，核心板受擠壓與約束板接觸產(chǎn)生摩擦力，從而使構(gòu)件承載力提高，核心板受拉時與約束板無接觸，不產(chǎn)生摩擦力。

圖8為模型A，B，C，D的摩擦力—時間曲線。從圖8中可以看成，加載位移小于2 mm時，核心板與約束板未接觸，未產(chǎn)生摩擦力；4種模型的摩擦力—時間曲線較為接近。

圖9為模型A,B,C,D受3 mm拉位移時核心板Z方向變形云圖(本文變形云圖單位均為m)，核心板Z方向變形均小于1 mm，這表明此刻核心板與約束板脫開；核心板核心段兩端和非約束段與約束段的交界處往Z軸正方向鼓出，核心板核心段往Z軸負方向變形，核心板整體呈“V”字形的變形，這主要是由于核心板進入塑性，且不同位置塑性變形大小不同，造成核心板同一截面變形不同。

圖10為受3 mm壓位移時核心板Z方向變形云圖，試件受壓時，核心板整體往Z軸正方向鼓出，僅出現(xiàn)一個波峰，約束段的平面外變形最大(波峰位置)；需要注意的是，非約束段由于受到邊界條件Z方向的約束，其Z方向變形小于約束段。

綜上，可以看出核心板非約束長度對核心板變形形式的影響較小。

圖11為模型A,B,C,D受3 mm壓位移時核心板PEEQ(75%等效塑性應(yīng)變)云圖。核心板核心段靠近約束段位置的塑性應(yīng)變最大，核心板兩端處于彈性狀態(tài)，很好地實現(xiàn)了該屈曲約束板件所要達到的預(yù)期性能目標。

圖12為模型受3 mm壓位移時約束板CPRESS云圖(接觸應(yīng)力，本文應(yīng)力云圖單位均為N/m2)?？梢娗s束耗能板件受壓時，核心板與約束板接觸，產(chǎn)生了摩擦力。

4.2 端部約束參數(shù)分析結(jié)果

圖13為模型A,E的滯回曲線對比圖?？擅黠@看出在加載端X,Z非約束時，滯回曲線有明顯轉(zhuǎn)折，表明未約束時對構(gòu)件滯回性能影響較大。在第六圈(加載點位移為3 mm)時構(gòu)件承載力明顯下降。

圖14為摩擦力—時間圖。模型E在分析步時間21 s時(3 mm壓位移)，核心板和約束板產(chǎn)生了與模型A反向更大的摩擦力。由圖15受壓時約束板CPRESS云圖可看出，核心板與約束板接觸位置不同，模型E接觸位置在核心板非約束段與約束段之間，而模型A在核心板核心段兩端，且模型E接觸應(yīng)力更大，產(chǎn)生了更大的摩擦力。

圖16為模型A,E核心板受3 mm壓位移時Y方向變形云圖。與模型A核心板軸向變形從非約束段往另一端呈逐漸遞減的趨勢不同，模型E核心板軸向變形集中在非約束段，核心段受壓時往外變形。

圖17為模型A,E核心板受3 mm壓位移時Z方向變形云圖。模型E核心板Z方向的變形也呈波動狀，但平面外變形集中在了非約束段。

圖18為模型A,E核心板受3 mm拉位移時Z方向變形云圖。模型E核心板非約束段有較大的Z軸負方向的平面外變形，正方向的平面外變形集中在核心段與非約束段的交界處，與模型A核心板變形相同，也呈“V”字形，但模型E的核心板平面外變形集中在核心段與非約束段之間。

圖19為核心板受壓時的PEEQ云圖。模型E在核心段與約束段交界處出現(xiàn)PEEQ最大值，表明當加載端位移約束較小時，核心板容易在核心段與約束段交界處發(fā)生破壞。

5 結(jié)語

1)當核心板端部約束較強時，屈曲約束耗能件的滯回性能穩(wěn)定飽滿，本文提出的節(jié)點的核心板端部分別與兩側(cè)連接板焊接，約束較強，這一定程度上表明本文提出的節(jié)點具體較好的滯回性能；

2)在核心板加載端部約束較強的情況下，非約束段長度對屈曲約束耗能板的滯回性能影響較小，這一定程度上表明非約束段長度對本節(jié)點滯回性能影響較小，換言之，本節(jié)點設(shè)計時非約束段長度取值范圍可以較大；

3)核心板加載端約束對屈曲約束耗能板滯回性能影響較大，當約束較小時，核心板變形集中在非約束段，非約束段容易發(fā)生面外失穩(wěn)，導(dǎo)致滯回曲線承載能力下降和剛度退化，核心板容易在核心段與約束段交界處發(fā)生破壞。