李曉東，閆胤積

(蘭州理工大學土木工程學院，甘肅蘭州 730050)

0 引 言

鋼框架結(jié)構(gòu)中最重要的組成部分之一是梁柱連接節(jié)點，美國北嶺地震和日本阪神地震的震害調(diào)查顯示，在梁柱節(jié)點處發(fā)現(xiàn)了大量的脆性裂縫[1-2]。因此研究人員對鋼框架梁柱連接節(jié)點的破壞機理、抗震性能以及設(shè)計方法等方面進行了廣泛研究，并取得了許多研究成果。當前關(guān)于梁柱節(jié)點的研究主要是采取加強節(jié)點的方法或在梁上容易出現(xiàn)塑性鉸的位置進行局部削弱。在地震作用時，把塑性鉸區(qū)從梁柱翼緣相交的焊縫處外移，避免焊縫發(fā)生脆性破壞，符合“強柱弱梁，強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計思想。

張愛林等[3]提出了一種可修復的裝配式鋼框架梁柱節(jié)點，利用翼緣連接蓋板上的變形來消耗地震能量。在震后只需要更換連接蓋板即可實現(xiàn)節(jié)點的快速修復。李玉順等[4]對鋼-竹組合梁柱節(jié)點的性能進行了探究，研究結(jié)果表明鋼-竹組合框架滯回曲線飽滿，抗震性能突出。鄭宏等[5]研究表明，翼緣削弱型節(jié)點可使梁端塑性鉸外移至梁端翼緣削弱處，避免梁端焊縫處應力集中導致脆性破壞。劉秀麗等[6]對鋼結(jié)構(gòu)T形連接件進行試驗及有限元研究，比較了T形連接件構(gòu)造參數(shù)變化對高強螺栓力學性能的影響，并對高強度螺栓受力進行數(shù)值模擬。郁有升等[7-10]的試驗結(jié)果表明，梁翼緣削弱節(jié)點具有良好的塑性變形能力和耗能性能，將梁翼緣進行適當削弱后形成的骨型節(jié)點可以增加梁柱節(jié)點的耗能性能，是一種理想的延性節(jié)點。

李曉東等[11]提出了一種基于摩擦擺隔震支座和汽車制動裝置的耗能原理的新型摩擦塑性鉸節(jié)點，進行了有限元模型的低周反復荷載分析，探究了新型摩擦塑性鉸節(jié)點的抗震性能。黃炳生等[12]提出了工程中常用的幾種孔型蜂窩梁等效抗彎剛度求解方法。賈連光等[13-15]對不同參數(shù)下的正六邊形孔蜂窩梁和蜂窩組合梁抗剪性能進行了試驗與有限元分析研究。

以上研究有效地實現(xiàn)塑性鉸的外移，轉(zhuǎn)移了梁柱節(jié)點焊縫處的應力，但存在震后難以修復的缺陷。本文基于目前的研究現(xiàn)狀，提出了一種蜂窩式可替換塑性鉸的概念及節(jié)點形式，以期增加節(jié)點的耗能能力和延性，并兼顧震后可替換的要求。該新型節(jié)點通過蜂窩式單元的六邊形耗能環(huán)消耗地震能量，且在地震作用后，可通過整體更換蜂窩式單元，實現(xiàn)中震可修的抗震設(shè)防目標。

1 塑性鉸構(gòu)造設(shè)計

蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點分為基本單元和蜂窩式單元2個部分，基本單元由H型鋼梁和H型鋼柱組成。蜂窩式單元由六邊形的蜂窩式耗能環(huán)和H型鋼梁組成，蜂窩式耗能環(huán)通過焊接嵌在H型鋼梁腹板間，蜂窩式單元通過拼接板和高強螺栓分別與左右H型鋼梁栓接。蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點通過調(diào)整蜂窩式耗能環(huán)的寬度和厚度來改變節(jié)點的耗能能力，其節(jié)點詳圖如圖1(a)所示，蜂窩式耗能環(huán)三維視圖如圖1(b)所示。

2 有限元模型

2.1 模型基本信息

利用有限元分析軟件ABAQUS建立了節(jié)點三維模型，所有有限元模型中梁柱均為焊接H型鋼，柱截面為H300×200×8×12，柱高取1 500 mm。梁截面為H250×175×7×11，梁長取1 200 mm。其中7個蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點模型從梁柱焊縫150 mm起為蜂窩式單元(可替換梁段)，此單元梁截面為H272×175×7×11，梁腹板長L取480 mm(考慮拼接板螺栓間距，可替換梁段腹板長度范圍為480 mm≤L≤600 mm，梁翼緣長度滿足螺栓連接所規(guī)定的間距即可),梁翼緣長取622 mm。蜂窩式單元梁翼緣與左右梁翼緣通過螺栓連接，螺栓采用8.8級M14摩擦型高強螺栓，共32個。蜂窩式單元梁腹板與左右梁腹板通過螺栓和拼接板連接，螺栓采用8.8級M16摩擦型高強螺栓，共16個。螺栓預緊力取80 kN，最大程度模擬實際環(huán)境。拼接板尺寸為208 mm×112 mm×7 mm，有限元模型如圖2(a)所示。

普通梁柱節(jié)點模型(JZHN)腹板無削弱，其余條件均與其他節(jié)點模型相同，有限元模型如圖2(b)所示。腹板開六邊形孔型削弱型節(jié)點模型(JZHL)取蜂窩式塑性鉸節(jié)點模型中間六邊形的尺寸及位置，其余條件均與其他節(jié)點模型相同，有限元模型如圖2(c)所示。腹板開圓孔型削弱型節(jié)點模型(JZHY)與腹板開六邊形孔型削弱型節(jié)點模型(JZHL)區(qū)別在于削弱孔型不同，其余條件均與其他節(jié)點模型相同。JZHY有限元模型如圖2(d)所示。

2.2 模型參數(shù)及加載條件

有限元分析模型采用三維八節(jié)點六面體線性減縮積分單元(C3D8R)劃分網(wǎng)格。為了減小模型網(wǎng)格劃分造成的計算結(jié)果誤差，對螺栓孔、蜂窩式耗能環(huán)及蜂窩式單元腹板等重點研究部位采取了局部網(wǎng)格細化的措施。計算時忽略了節(jié)點焊接缺陷及焊接殘余應力的影響。有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

模型中除高強螺栓外其余構(gòu)件材料均為Q345B鋼。材料的彈性模量取206 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg·m-3。鋼材應力-應變(f-ε)本構(gòu)關(guān)系選取強化和下降段三折線模型，如圖4所示，其中，fy為屈服應力，fu為極限應力，fst為鋼材破壞時的應力，εy為屈服應變，εu為極限應變，εst為鋼材破壞時的應變。高強螺栓的應力-應變本構(gòu)關(guān)系采用圖5所示的三段式折線模型[16]。模型中螺栓通過邊界條件的Bolt Load定義螺栓的預應力。螺栓的接觸屬性：法向行為采用硬接觸，切向行為為摩擦，摩擦因數(shù)大小取決于材料的種類、粗糙度、表面處理和連接表面的脫脂。這里摩擦因數(shù)取0.25，最大程度模擬實際環(huán)境。其余接觸面均采用Tie定義焊接面剛接約束。

為了充分探究蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點的耗能能力，在蜂窩式耗能環(huán)半徑固定的情況下，設(shè)計了7個蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點、1個普通梁柱節(jié)點模型、1個腹板開圓孔型削弱型節(jié)點模型、1個腹板開六邊形孔型削弱型節(jié)點模型。7個蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點分為兩大類：第1類為保持蜂窩式耗能環(huán)寬度不變，逐步增加蜂窩式耗能環(huán)的厚度；第2類為保持蜂窩式耗能環(huán)厚度不變，以腹板厚度的倍數(shù)增加蜂窩式耗能環(huán)的寬度。設(shè)置1個普通梁柱節(jié)點模型是為了對比腹板削弱和不削弱對節(jié)點耗能能力的影響；設(shè)置1個腹板開圓孔型削弱型節(jié)點模型和1個腹板開六邊形孔型削弱型節(jié)點模型是為了對比2種典型的腹板削弱開孔類型對節(jié)點耗能能力的影響。各節(jié)點編號及參數(shù)如表1所示。

表1 模型的主要參數(shù)Tab.1 Primary Parameters of Models

在有限元模型中，根據(jù)試驗邊界將柱頂與柱底節(jié)點6個方向的自由度進行完全約束模擬。采用耦合約束方式在梁自由端進行位移加載，加載方式為滯回加載，梁端加載點距離柱翼緣的距離為1 200 mm，加載過程分為:①施加螺栓預緊力；②在梁端主耦合點施加位移荷載。加載制度如圖6所示。

3 模型計算結(jié)果與抗震性能分析

3.1 破壞特征

隨著有限元模型梁自由端加載位移的增大，7個蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點模型的蜂窩式耗能環(huán)、蜂窩式單元腹板、蜂窩式單元翼緣等部位均受到不同程度的屈服破壞；節(jié)點JZHH5整體應力云圖如圖7所示。首先蜂窩式單元腹板屈服，其次翼緣發(fā)生屈曲，最后腹板開孔孔角處發(fā)生破壞，其中節(jié)點JZHH5蜂窩式單元應力云圖如圖8所示。蜂窩式耗能環(huán)屈服變形，相鄰蜂窩式耗能環(huán)連接處變形嚴重。節(jié)點JZHH5蜂窩式耗能環(huán)應力云圖如圖9所示。其余節(jié)點的破壞特征與節(jié)點JZHH5的破壞特征相似。

普通梁柱節(jié)點模型(JZHN)在梁柱焊縫處破壞較大，梁翼緣變形，其應力云圖如圖10所示；腹板開圓孔型削弱型節(jié)點模型(JZHY)在開孔處腹板和翼緣變形，其應力云圖如圖11所示；腹板開六邊形孔型削弱型節(jié)點模型(JZHL)在開孔處腹板和翼緣變形，開孔處上下腹板變形嚴重，其應力云圖如圖12所示。

3.2 滯回曲線

節(jié)點在往復位移荷載作用下獲得的荷載-位移關(guān)系曲線為滯回曲線，可綜合評價節(jié)點抗震性能。滯回環(huán)越飽滿，表明節(jié)點耗散地震能量的能力越強，抗震性能越好。有限元節(jié)點模型的滯回曲線如圖13所示，普通梁柱節(jié)點模型(JZHN)、腹板開圓孔型削弱型節(jié)點模型(JZHY)、腹板開六邊形孔型削弱型節(jié)點模型(JZHL)的滯回曲線如圖13(a)所示。圖13(b)為增加蜂窩式耗能環(huán)厚度(JZHH系列)的滯回曲線，圖13(c)為增加蜂窩式耗能環(huán)寬度(JZHK系列)的滯回曲線。

由如圖13滯回曲線可知：

(1)普通梁柱節(jié)點模型(JZHN)、腹板開圓孔型削弱型節(jié)點模型(JZHY)、腹板開六邊形孔型削弱型節(jié)點模型(JZHL)的滯回環(huán)面積依次增大，節(jié)點耗能能力依次增強。因此腹板開六邊形孔型削弱型節(jié)點模型耗能能力相對較強，在以下研究中重點開展腹板開六邊形孔型削弱型節(jié)點的研究。

(2)7個蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點模型的荷載-位移曲線比較類似，滯回環(huán)面積較大，形狀比較飽滿。說明此類型節(jié)點在低周反復荷載試驗中能較好地吸收地震能量。各節(jié)點的滯回曲線呈弓形，形狀上具有“捏縮”效應，顯示出滯回曲線受到了一定的滑移影響。這是由于蜂窩式單元腹板上的蜂窩式耗能環(huán)孔削弱了腹板截面，導致剪切變形增大。

3.3 骨架曲線

骨架曲線是把滯回曲線在往復位移加載2個方向的加載極值點依次連接而成的包絡(luò)圖。骨架曲線反映了節(jié)點模型在各不同階段的受力和變形特征。由圖14可知：在其他條件不變的情況下，增加蜂窩式耗能環(huán)厚度對節(jié)點的峰值荷載有影響，但影響不大；增加蜂窩式耗能環(huán)寬度對節(jié)點的峰值荷載影響幾乎不變。在位移達到±12 mm后，骨架曲線由直線變?yōu)榍€，且各曲線逐漸開始分離，但由于梁自由端位移加載限制在50 mm，使得骨架曲線在曲線段分離不明顯。當梁自由端豎向位移達到±50 mm時，節(jié)點達到峰值荷載。

3.4 剛度退化曲線

剛度退化是結(jié)構(gòu)抗震性能及結(jié)構(gòu)抗震計算的重要指標。滯回曲線上坐標原點與某次循環(huán)的荷載峰值(骨架曲線上的點)連線的斜率稱為節(jié)點的等效剛度。等效剛度隨位移不斷增大而降低的現(xiàn)象稱為等效剛度退化，簡稱剛度退化。滯回環(huán)中每次循環(huán)的等效剛度與初始等效剛度的比值即為等效剛度退化系數(shù)[17]。將每一個節(jié)點滯回曲線的剛度退化系數(shù)的數(shù)值相連即可得到如圖15所示的剛度退化曲線。

圖15顯示出各節(jié)點剛度退化均較均勻，無明顯突變現(xiàn)象。節(jié)點在正負2個方向上的剛度退化趨勢大致相同，圖15中水平段表示骨架曲線的彈性階段，表明剛度在彈性階段基本保持穩(wěn)定。當節(jié)點屈服后，單位位移上剛度退化系數(shù)急劇下降，表明節(jié)點塑性變形能力增大。當單位位移上剛度退化系數(shù)下降變緩慢時，表明剛度退化減緩。

3.5 延性性能

節(jié)點耗散地震能量和承受非彈性變形的能力由延性決定，延性越好節(jié)點抗震性能越好。延性的大小由位移延性系數(shù)來衡量，為了研究節(jié)點的延性變化規(guī)律，采用位移延性系數(shù)作為節(jié)點的延性指標。位移延性系數(shù)用μ來表示，是結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的極限位移Δu與屈服位移Δy的比值，計算公式如下

(1)

一般情況下極限位移取荷載下降到峰值荷載85%時所對應的位移[18-19]，但是一些結(jié)構(gòu)破壞時的荷載并未達到峰值荷載的85%以下，此時可以選取峰值荷載對應的位移作為極限位移[20]，因節(jié)點未進入塑性破壞階段，分析已經(jīng)停止，所以選取峰值荷載對應的位移作為極限位移。通過分析擬靜力結(jié)果得到的節(jié)點延性性能指標如表2所示。

表2 節(jié)點延性系數(shù)Tab.2 Ductility Coefficients of Joints

由表2可知，節(jié)點延性系數(shù)隨著蜂窩式耗能環(huán)厚度的增大而增大。說明隨著蜂窩式耗能環(huán)厚度的增大，節(jié)點屈服后的變形能力和承載能力顯著提高。節(jié)點JZHH10，JZHH15的節(jié)點延性系數(shù)整體比JZHK系列節(jié)點延性系數(shù)大，說明增加節(jié)點蜂窩式耗能環(huán)厚度比增加蜂窩式耗能環(huán)寬度更能使節(jié)點屈服后變形能力和承載能力提高。

為了使節(jié)點在屈服后具備較大的塑性變形能力，使節(jié)點不至于快速喪失承載能力，需要使蜂窩式耗能環(huán)厚度增大。節(jié)點延性指標均超過了3.0，表明節(jié)點屈服后變形能力和承載能力保持較好的狀態(tài)。

3.6 塑性耗能曲線

本文通過耗能曲線來比較節(jié)點的耗能能力。圖16(a)顯示節(jié)點JZHH10比節(jié)點JZHH15的耗能能力大，具體原因為節(jié)點JZHH5在節(jié)點屈服后變形能力和承載能力喪失，故耗能能力不大。圖16(b)顯示相同分析步內(nèi)節(jié)點耗能能力幾乎相同。增加蜂窩式耗能環(huán)寬度對節(jié)點耗能能力影響不大。

圖16(c)是將節(jié)點JZHH5與節(jié)點JZHK21對比，結(jié)果顯示節(jié)點JZHK21耗能能力大。圖16(d)是將節(jié)點JZHH10與節(jié)點JZHK35對比，結(jié)果顯示節(jié)點JZHH10耗能能力大。說明增加蜂窩式耗能環(huán)厚度比增加蜂窩式耗能環(huán)寬度節(jié)點的耗能能力增加更為顯著。

4 結(jié) 語

(1)本文提出的蜂窩式可替換塑性鉸節(jié)點的滯回曲線較飽滿，具有良好的耗能能力。

(2)節(jié)點屈服后變形能力和承載能力保持較好的狀態(tài)。相對于增加蜂窩式耗能環(huán)寬度來說，增加蜂窩式耗能環(huán)厚度更能提高節(jié)點屈服后的變形能力和承載能力。

(3)該類型節(jié)點的蜂窩式耗能環(huán)在加載過程中容易發(fā)生屈曲變形，需要在之后的研究中改進。