李成玉,王義龍,吳東平
(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北武漢 430065;2.武漢科技大學(xué)高性能工程結(jié)構(gòu)研究院,湖北武漢 430065)
傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的柱端連接區(qū)域在地震作用下可能會出現(xiàn)塑性鉸[1]。歷次地震表明:柱端出現(xiàn)塑性損傷和變形可能導(dǎo)致建筑修復(fù)困難或無法修復(fù)[2]。為減少結(jié)構(gòu)損傷,降低地震帶來的次生影響,眾多學(xué)者提出損傷控制的抗震設(shè)計。其中在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位設(shè)置摩擦機制消耗地震能量,是減輕主體結(jié)構(gòu)破壞的有效方式之一[3]。
在柱腳節(jié)點中設(shè)置摩擦機制耗能已受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。BORZOUIE等[4]設(shè)計了一種滑移摩擦柱腳節(jié)點,試驗證明該滑移摩擦節(jié)點具有與傳統(tǒng)連接節(jié)點相似的成本,但損傷控制性能、抗震性能更突出;ELETTORE等[5]在柱腳翼緣連接處配備滑移摩擦裝置,摩擦連接板在柱端翼緣滑移時實現(xiàn)了能量耗散,減少了柱腳損傷;CHUNG等[6]將非對稱摩擦阻尼器應(yīng)用于搖擺柱腳節(jié)點,提高了柱腳節(jié)點的耗能能力;LIU等[7]研究了一種新型彈性搖擺柱的受力性能,搖擺柱底部通過可更換摩擦阻尼器與基礎(chǔ)連接,鋼柱搖擺時摩擦阻尼器耗散能量,損壞部位控制在阻尼器連接處,地震后損壞構(gòu)件可被快速更換;FREDDI等[8]在柱腳節(jié)點周圍設(shè)置與基礎(chǔ)底板連接的摩擦板,柱腳搖擺時摩擦板滑動耗散能量,實現(xiàn)了無損或低損的目的;ZHANG等[9]在柱腳腹板與基礎(chǔ)連接區(qū)域設(shè)置AFC(Asymmetric Friction Connection,AFC),柱端滑移時,柱腹板與摩擦板產(chǎn)生相對滑移實現(xiàn)了摩擦耗能。
基于現(xiàn)有研究,在結(jié)構(gòu)中設(shè)置摩擦機制能有效保護(hù)柱腳主體結(jié)構(gòu),降低柱腳損傷。但在節(jié)點域外設(shè)置阻尼器會增加裝配難度,不利于地震后的拆卸和修復(fù)。為簡化柱腳節(jié)點構(gòu)造,方便結(jié)構(gòu)制作和安裝,在保證結(jié)構(gòu)承載力的同時,實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的保護(hù)和震后的快速修復(fù),提出一種L形連接件滑移摩擦柱腳節(jié)點。本文采用有限元軟件ABAQUS建立10個L形連接件滑移摩擦節(jié)點模型,分析結(jié)構(gòu)中設(shè)置填充板、連接件豎肢厚度、連接件水平肢厚度、軸壓比及在外連接件上設(shè)置加勁肋等因素對節(jié)點抗震性能的影響。
L形連接件滑移摩擦柱腳節(jié)點由H型鋼柱、L形連接件、填充板、腹板摩擦板和摩擦型高強螺栓組成,圖1為設(shè)置填充板的典型柱腳節(jié)點。柱直接放置在基礎(chǔ)底板上,根據(jù)節(jié)點轉(zhuǎn)動軌跡,在柱翼緣開設(shè)長槽孔,腹板開設(shè)大圓孔,確保柱滑移時主要承受摩擦荷載,螺桿與孔壁不會發(fā)生擠壓;L形連接件和填充板均有內(nèi)和外兩種構(gòu)造形式,開設(shè)標(biāo)準(zhǔn)孔,分別放置于柱翼緣內(nèi)和外兩側(cè),填充板嵌在柱翼緣與連接件之間,與柱翼緣和連接件豎肢緊密貼合,并將填充板底端削減10 mm,使填充板與基礎(chǔ)底板之間預(yù)留空隙,消除柱滑移時受拉側(cè)柱端翼緣與連接件的撬動作用,減輕柱端翼緣局部損傷;連接件通過高強螺栓分別與柱和基礎(chǔ)底板連接固定;腹板摩擦板開設(shè)標(biāo)準(zhǔn)孔,放置在柱腹板兩側(cè),通過高強螺栓與之緊密貼合,摩擦板底端與基礎(chǔ)底板焊接固定。
圖1 L形連接件滑移摩擦節(jié)點Fig.1 Sliding friction column base with L-shaped connectors
該柱腳節(jié)點通過鋼柱與連接構(gòu)件及高強螺栓之間產(chǎn)生的摩擦力傳遞荷載,當(dāng)柱端受到從左到右順時針轉(zhuǎn)動的外力作用時,柱會發(fā)生繞其右側(cè)柱底翼緣的轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動,左側(cè)連接件表現(xiàn)為受拉,右側(cè)連接件受彎,柱端傳遞的彎矩小于摩擦彎矩閾值時,節(jié)點表現(xiàn)為無相對位移,鋼柱傳遞的彎矩大于摩擦彎矩閾值時,柱端與左側(cè)連接件出現(xiàn)相對滑移。如果節(jié)點轉(zhuǎn)動方向相反,柱會發(fā)生繞左側(cè)柱底翼緣轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動,右側(cè)連接件表現(xiàn)為受拉,左側(cè)連接件受彎。
為研究結(jié)構(gòu)中設(shè)置填充板、連接件豎肢厚度、連接件水平肢厚度、軸壓比和在外連接件上設(shè)置加勁肋對節(jié)點性能的影響,設(shè)計了12個柱腳節(jié)點模型,柱選用截面尺寸為HW200×200×8×12的H型鋼柱,柱高1 400 mm,其中HW200-2為截面尺寸為HW200×200×8×12的純鋼柱柱腳節(jié)點,HR-20-S為HOU等[10]設(shè)計的柱腳節(jié)點,旨在通過對比分析L形連接件滑移摩擦節(jié)點的優(yōu)勢及其影響因素,柱腳節(jié)點的主要參數(shù)見表1。典型柱腳節(jié)點的詳細(xì)尺寸如圖2所示。
表1 模型基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of models
圖2 節(jié)點幾何尺寸Fig.2 Dimensions of column base
采用ABAQUS建立有限元模型,各構(gòu)件均采用實體單元(C3D8R)建模,模型網(wǎng)格選用結(jié)構(gòu)化劃分法,并對關(guān)鍵部位加密。柱、連接構(gòu)件和高強螺栓參考HOU等[10]測定的數(shù)值,螺栓采用10.9級M20高強螺栓,填充板采用A6061鋁板,參考賈斌等[11]測定的數(shù)值,材料本構(gòu)參數(shù)見表2。構(gòu)件連接區(qū)域均設(shè)置接觸關(guān)系,接觸采用“面-面”接觸,法向為“硬”接觸(Hard),切向為“罰函數(shù)”,鋼-鋼之間摩擦系數(shù)設(shè)為0.35,鋼-鋁之間摩擦系數(shù)設(shè)為0.37[3],螺桿與螺栓孔壁的摩擦系數(shù)設(shè)為0;焊接部位簡化為綁定約束;將基礎(chǔ)底板設(shè)置成剛性體,消除受力過程中底板變形對節(jié)點性能的影響。
表2 材料本構(gòu)參數(shù)Table 2 Material Properties
節(jié)點的模型如圖3所示,將模型基礎(chǔ)底板設(shè)置為固定約束,連接件與柱連接區(qū)域的螺栓預(yù)緊力約90 kN,約為10.9級M20高強螺栓的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊力的60%[12];連接件與基礎(chǔ)底板相連的螺栓,其預(yù)緊力為155 kN;考慮受力過程中螺栓預(yù)緊力的損失,預(yù)緊力施加完畢后,將螺栓設(shè)定修改為固定在當(dāng)前長度。在柱頂施加軸向荷載并保持恒定,水平荷載采用美國規(guī)范AISC(358-16)[13]規(guī)定的加載制度,采用控制層間位移角的方式,在柱頂反彎點處施加低周往復(fù)荷載,加載制度如圖4所示。
圖3 節(jié)點模型Fig.3 Column base model
圖4 加載制度Fig.4 Loading protocol
為驗證本文有限元建模方法的有效性,選取HOU等[10]已完成的寬翼緣螺栓連接柱腳節(jié)點進(jìn)行驗證,有限元模型建模參照2.2節(jié)所述的方式,材料屬性、邊界條件及加載方式均與試驗一致。圖5為有限元與試驗對比結(jié)果,如圖5(a)-圖5(b)所示,左側(cè)角鋼轉(zhuǎn)角區(qū)域出現(xiàn)變形,水平肢與基礎(chǔ)底板存在明顯縫隙,右側(cè)角鋼轉(zhuǎn)角區(qū)域應(yīng)力較高,已進(jìn)入塑性階段;如圖5(c)所示,有限元與試驗的滯回曲線基本吻合,屈服荷載與峰值荷載的最大誤差在8%以內(nèi),其中有限元的曲線更加飽滿和順滑??傮w來看:有限元計算結(jié)果與試驗計算結(jié)果的吻合度較高。
圖5 試驗與有限元模型對比Fig.5 Comparison of test and numerical simulation results
本文設(shè)計的柱腳節(jié)點在HOU等[10]的基礎(chǔ)上增加連接件水平肢厚度,增加連接件豎肢區(qū)域的螺栓個數(shù),在柱腹板兩側(cè)均設(shè)置摩擦板,柱翼緣開設(shè)長槽孔,增設(shè)內(nèi)連接件,以減少連接件的塑性變形,提高節(jié)點的承載力,通過柱與連接件的相對滑移實現(xiàn)摩擦耗能。
為分析L形連接件滑移摩擦柱腳節(jié)點的性能及優(yōu)勢,選取HW200-2、HR-20-S與JD6進(jìn)行對比,節(jié)點模型的具體參數(shù)見2.1節(jié)。
模型HW200-2、HR-20-S及JD6在0.2的軸壓比工況下,水平位移加載至84 mm(6%rad),其應(yīng)力云圖如圖6所示。如圖6(a)所示,模型HW200-2最大應(yīng)力區(qū)分布在受壓側(cè)翼緣和腹板處;如圖6(b)-圖6(e)所示,模型HR-20-S的鋼柱處于彈性階段,最大應(yīng)力區(qū)域分布在角鋼轉(zhuǎn)角處;如圖6(f)-圖6(i)所示,模型JD6的鋼柱基本處于彈性階段,最大應(yīng)力區(qū)分布在連接件轉(zhuǎn)角處。
圖6 HW200-2、HR-20-S和JD6應(yīng)力云圖Fig.6 Stress cloud chart of HW200-2、HR-20-S and JD6
模型HW200-2受壓側(cè)翼緣嚴(yán)重屈曲;模型HR-20-S的左側(cè)角鋼隨鋼柱出現(xiàn)明顯抬起,鋼柱未發(fā)生變形,角鋼出現(xiàn)較大塑性變形;模型JD6的鋼柱與連接件出現(xiàn)相對滑移,鋼柱未發(fā)生變形,連接件轉(zhuǎn)角出現(xiàn)彎折變形。
模型HW200-2、HR-20-S及JD6的荷載-位移曲線如圖7所示。HW200-2的初始剛度和極限承載最大,承載力升至峰值后快速下降;JD6的初始剛度和極限承載力比HW200-2低,承載力升至峰值后,未出現(xiàn)明顯退化;HR-20-S的初始剛度和極限承載力最低,承載力升至峰值后緩慢下降。
圖7 荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves
對比模型HW200-2、HR-20-S及JD6的滯回性能,對其進(jìn)行在0.2軸壓比工況下的低周往復(fù)加載,加載制度如圖4所示。
各模型的滯回曲線如圖8所示。模型JD6的滯回曲線與
圖8 荷載-位移滯回曲線Fig.8 Load-displacement hysterstic curves
HW200-2和HR-20-S的滯回曲線相比,其承載力未出現(xiàn)明顯退化,滯回性能最好。HW200-2的滯回曲線顯示節(jié)點承載力退化嚴(yán)重,耗能能力較弱。HR-20-S的承載力較低,隨著位移的增加,承載力退化明顯,曲線所圍的面積比JD6小,滯回性能比JD6差。
各模型的骨架曲線如圖9所示。模型HW200-2的極限承載力最高,在加載至第6級時,承載力出現(xiàn)明顯退化。模型HR-20-S的極限承載力最低,加載至第5級后,承載力出現(xiàn)退化,退化速率比模型HW200-2低。模型JD6的極限承載力位于模型HW200-2與HR20-S之間,在第5級到達(dá)峰值點后,未出現(xiàn)明顯退化。
圖9 骨架曲線Fig.9 Skeleton curves
對比HW200-2、HR-20-S、JD6的靜力性能和滯回性能,模型JD6的承載力未出現(xiàn)明顯退化,在受力過程中,損傷主要集中在連接構(gòu)件上,主體構(gòu)件基本保持彈性。
各模型在受力過程中出現(xiàn)相似的滑移現(xiàn)象,本文給出了模型JD6在不同轉(zhuǎn)角下的滑移現(xiàn)象,如圖10所示,來說明節(jié)點的滑移性能。當(dāng)水平位移加載至14 mm(1%rad)時,模型未出現(xiàn)明顯的相對滑移現(xiàn)象,受拉側(cè)的柱端與連接件表現(xiàn)為整體向上抬起,豎向滑移量約為1.2 mm;水平位移加載至42 mm(3%rad)時,受拉側(cè)柱端與連接件出現(xiàn)明顯的相對滑移,相對滑移量約為2.2 mm;水平位移加載至84 mm(6%rad)時,柱端豎向最大滑移量接近11 mm;水平位移復(fù)位至0 mm(0 rad)時,柱未完全復(fù)位,柱端殘余位移約為1 mm。當(dāng)水平位移加載反向后,節(jié)點轉(zhuǎn)動中心移至原受拉側(cè)柱底翼緣,柱出現(xiàn)相似的滑移現(xiàn)象。
圖10 柱腳節(jié)點不同位移下的滑動狀態(tài)Fig.10 Sliding state of column base at different displacement
模型JD1~JD10的滯回曲線如圖11所示。各模型的滯回曲線呈正、負(fù)向?qū)ΨQ的弓形,承載力首先迅速上升,增至峰值,隨后維持穩(wěn)定;模型在0至Δimax階段的承載力大于Δimax至0階段的承載力,原因是柱承受節(jié)點的摩擦力和軸壓荷載的聯(lián)合作用,水平位移在0至Δimax階段,當(dāng)柱端承受的荷載達(dá)到起滑荷載后,柱底出現(xiàn)滑移現(xiàn)象;柱復(fù)位時,柱僅需克服摩擦力的約束作用即可出現(xiàn)滑移。
圖11(a)-圖11(f)分別是模型JD1和JD6的滯回曲線,JD6在JD1的基礎(chǔ)上在柱翼緣與連接件之間設(shè)置了填充板。模型JD6的滯回曲線比模型JD1更飽滿,承載力更平穩(wěn)。說明設(shè)置填充板能有效改善節(jié)點的滯回性能,后面的所有模型均設(shè)置填充板。圖11(e)、圖11(f)和圖11(g)分別是JD5、JD6和JD7的滯回曲線,其軸壓比分別為0.1、0.2和0.3。對比滯回曲線,發(fā)現(xiàn)隨著軸壓比的增加,模型的承載力增加,曲線所圍面積增大,復(fù)位性能提高。
圖11(b)、圖11(c)、圖11(d)、圖11(f)、圖11(h)和圖11(i)分別為模型JD2、JD3、JD4、JD6、JD8和JD9的滯回曲線,模型JD2、JD6和JD9的連接件水平肢厚度均為20 mm,豎肢厚度分別為6 mm、8 mm和10 mm;JD4和JD8的連接件水平肢厚度均為18 mm,豎肢厚度分別為8 mm和10 mm;JD3的連接件水平肢厚度為16 mm,豎肢厚度為8 mm。對比JD2、JD6和JD9以及對比JD4和JD8的滯回曲線,發(fā)現(xiàn)隨著連接件豎肢厚度增加,模型的承載力增加,滯回曲線更飽滿,但模型JD2滯回曲線所圍的面積大于JD6,這是由于模型JD2的連接件豎肢厚度較薄,在受力過程中出現(xiàn)較大塑性變形。對比JD3、JD4和JD6以及對比JD8和JD9的滯回曲線,發(fā)現(xiàn)隨著連接件水平肢厚度增加,模型的承載力增加,滯回曲線圍成的面積更大,復(fù)位性能更好。圖11(f)、圖11(j)分別為模型JD6和JD10的滯回曲線,JD10在JD6的基礎(chǔ)上設(shè)置了加勁肋。模型JD10的承載力比JD6更高,滯回曲線圍成的面積更大。
圖11 荷載-位移滯回曲線Fig.11 Load-displacement hysterstic curves
模型的骨架曲線如圖12所示,主要特征參數(shù):屈服荷載Py、屈服位移Δy、峰值荷載Pmax、模型破壞時的所對應(yīng)的極限位移Δu、延性系數(shù)u和塑性轉(zhuǎn)角θp,見表3。各模型的骨架曲線呈反“Z”形,在第4加載級之前各模型的骨架曲線基本重合,等效正向和負(fù)向屈服位移均在13 mm左右,承載力到達(dá)屈服荷載后,緩慢增至峰值,隨后維持穩(wěn)定。
表3 主要性能指標(biāo)Table 3 Primary performance indicators during cyclic tests
如圖12(a)所示,JD6在JD1的基礎(chǔ)上設(shè)置了填充板,其承載力更穩(wěn)定,未出現(xiàn)明顯退化。設(shè)置了填充板的模型,其延性系數(shù)均在6以上,塑性轉(zhuǎn)角在0.05 rad以上;如圖12(b)所示,隨著軸壓荷載增加,模型的承載力增加;如圖12(c)所示,適當(dāng)增加連接件水平肢和豎肢厚度,均能提高模型的承載力;如圖12(d)所示,在外連接件上設(shè)置加勁肋后,模型的承載力增加。設(shè)置加勁肋對模型承載力提高的影響最大,JD10比JD6的屈服荷載平均增加了10.6%,峰值荷載平均增加了7.0%。
圖12 骨架曲線Fig.12 Skeleton curves
模型的耗能性能可通過滯回曲線與耗能系數(shù)反映。各模型的摩擦耗能、總耗能及能量耗散系數(shù)如表4和圖13所示。各模型的摩擦耗能消耗了總耗能的60%~80%,說明模型的主要耗能由摩擦提供,其中模型JD7的摩擦耗能占比最低,為60.17%,模型JD8的摩擦耗能占比最高,為80.67%。JD10的總耗能最高為74.71 kN·m,JD3的總耗能最低為53.54 kN·m。
圖13 每一加載級累積耗能量Fig.13 Accumulated energy dissipation capacity for each story drift
表4 模型能量耗散指標(biāo)Table 4 Energy dissipation indices of specimens
JD6在JD1基礎(chǔ)上設(shè)置了填充板,JD6的摩擦耗能、總耗能及摩擦耗能占比均高于JD1,說明設(shè)置填充板能有效改善節(jié)點的耗能能力。JD5、JD6和JD7的軸壓比分別為0.1、0.2和0.3,軸壓比較小時,隨著軸壓比增加,模型的摩擦耗能能力增強,但在較高軸壓比下,模型的摩擦耗能降低,塑性耗能增加。
模型JD2、JD6和JD9的連接件水平肢厚度為20 mm,豎肢厚度分別為6 mm、8 mm和10 mm,模型JD4和JD8的水平肢厚度為18 mm,豎肢厚度分別8 mm和10 mm,對比模型JD2、JD6和JD9以及對比模型JD4和JD8,發(fā)現(xiàn)豎肢厚度改變對摩擦耗能影響較小,但豎肢過厚或過薄,其塑性耗能增加。模型JD3、JD4和JD6的連接件豎肢厚度為8 mm,水平肢厚度分別為16 mm、18 mm和20 mm,模型JD8和JD9的連接件豎肢厚度為10 mm,水平肢厚度分別18 mm和20 mm,對比模型JD3、JD4和JD6以及對比模型JD8和JD9,發(fā)現(xiàn)隨著水平肢厚度增加,模型的摩擦耗能增加。JD10在JD6的基礎(chǔ)上設(shè)置了加勁肋,發(fā)現(xiàn)JD10的塑性耗能明顯高于JD6。
模型的等效剛度可由割線剛度計算,剛度退化曲線如圖14所示。各模型的剛度退化曲線基本重合,正向和負(fù)向退化規(guī)律相似。加載初期,模型的剛度退化速率較慢,隨著加載的持續(xù),剛度退化的速率加快,在加載后期,模型剛度退化的速率變緩。
如圖14(a)所示,JD6在JD1的基礎(chǔ)上設(shè)置了填充板,其初始剛度大于JD1,剛度退化速率較慢;如圖14(b)所示,JD5、JD6和JD7分別對應(yīng)著0.1、0.2和0.3軸壓比,隨著軸壓比增加,模型的初始剛度增加;如圖14(c)所示,增加連接件水平肢和豎肢厚度均可提高模型的初始剛度,水平肢厚度為20 mm,豎肢厚度為10 mm的模型JD9,其初始剛度明顯高于其他模型;如圖14(d)所示,模型JD10在JD6的基礎(chǔ)上設(shè)置加勁肋后,其初始剛度增加。
圖14 剛度退化曲線Fig.14 Stiffness degradation curves
綜合對比模型的滯回性能和耗能能力,在設(shè)置填充板的基礎(chǔ)上,模型的水平肢厚度較厚時,可增強模型的承載力,摩擦耗能和復(fù)位性能,豎肢厚度過薄或過厚會增強模型的塑性耗能,使損傷加劇,故應(yīng)合理設(shè)置連接件的兩肢厚度。
圖15為模型JD6的等效塑性應(yīng)變(PEEQ)分布云圖,顏色越深、數(shù)值越大說明塑性應(yīng)變累積越大。模型的塑性應(yīng)變主要分布在連接件的轉(zhuǎn)角區(qū)域,其中外連接件的塑性應(yīng)變高于內(nèi)連接件,柱底翼緣區(qū)域也出現(xiàn)塑性應(yīng)變,但其PEEQ最大值明顯低于連接件的PEEQ最大值。說明塑性損傷累積主要發(fā)生在連接件上,證明該節(jié)點能有效降低柱的損傷,保護(hù)了主體構(gòu)件。
圖15 JD6 PEEQ分布Fig.15 Distribution of equivalent plastic(PEEQ)of JD6
本文設(shè)計了一種L形連接件滑移摩擦柱腳節(jié)點,通過有限元分析了在結(jié)構(gòu)中設(shè)置填充板、合理設(shè)置連接件豎肢和水平肢厚度、軸壓比和在外連接件上設(shè)置加勁肋對柱腳節(jié)點受力性能的影響,得到以下結(jié)論:
(1)該柱腳節(jié)點構(gòu)造簡單,便于制作、安裝與震后修復(fù),在柱腳節(jié)點中設(shè)置滑移摩擦機制能有效起到保護(hù)主體構(gòu)件的作用,損傷主要集中于連接構(gòu)件上。
(2)該柱腳節(jié)點的摩擦耗能消耗了總耗能的60%~80%,在連接件與柱翼緣之間設(shè)置填充板,可減輕節(jié)點承載力的退化,增強節(jié)點的轉(zhuǎn)動性能,提高節(jié)點的摩擦性能,減少構(gòu)件的塑性損傷。
(3)柱腳節(jié)點的承載力和復(fù)位性能隨著軸壓比的增加而提高;軸壓比為0.3時,節(jié)點的摩擦耗能減少,塑性耗能增加。
(4)增加連接件水平肢和豎肢厚度均可提升柱腳節(jié)點的承載力。節(jié)點的摩擦耗能隨著水平肢厚度的增加而增加;連接件豎肢設(shè)置得過薄或過厚,會提高節(jié)點的塑性耗能,使構(gòu)件損傷加劇。故要合理設(shè)置連接件尺寸。
(5)加勁肋的設(shè)置提高了柱腳節(jié)點的承載力,在未減弱摩擦耗能的情況下,增強了柱腳節(jié)點的塑性耗能能力。