韓良君 李 軍 葛元輝 李延昌 梁家棟 王榮棋 查曉雄

(1.深圳市特區(qū)建工科工集團(tuán)有限公司,廣東深圳 518034;2.中鐵建設(shè)集團(tuán)南方工程有限公司,廣東深圳 511400;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木工程與環(huán)境工程學(xué)院,廣東深圳 518055)

0 引 言

地震是人類面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,往往會(huì)造成不同程度經(jīng)濟(jì)損失。因此結(jié)構(gòu)的抗震性能受到專家學(xué)者的高度重視。設(shè)計(jì)出抗震性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)體系,是專家學(xué)者和結(jié)構(gòu)工程師的目標(biāo)。我國是全球大陸地震活動(dòng)最活躍的地區(qū)之一,地震活動(dòng)具有頻率高、強(qiáng)度大、震源淺和分布廣等特點(diǎn)。20世紀(jì)我國發(fā)生7級(jí)以上地震116次,約占全球6%,其中大陸地震71次,約占全球大陸地震29%[1]。因此,保證結(jié)構(gòu)的安全性以及良好的震后性能,對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

混凝土框架結(jié)構(gòu)是常見的抗震結(jié)構(gòu)體系之一,廣泛應(yīng)用于抗震設(shè)防地區(qū)中。傳統(tǒng)混凝土框架的抗震設(shè)計(jì)采用基于延性的設(shè)計(jì)理念,通過結(jié)構(gòu)自身的塑性變形來消耗地震能量,避免結(jié)構(gòu)在地震中倒塌,保護(hù)生命和財(cái)產(chǎn)安全。然而,采用該理念設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)在地震后存在較大的結(jié)構(gòu)損傷和殘余變形,震后修復(fù)困難,導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。Miranda通過研究,指出傳統(tǒng)延性結(jié)構(gòu)震后殘余變形對(duì)經(jīng)濟(jì)損失影響最大,在設(shè)防烈度下,傳統(tǒng)延性結(jié)構(gòu)雖能夠保證大概率不倒塌,但結(jié)構(gòu)往往因?yàn)檎鸷髿堄嘧冃芜^大,需重新建造而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[2]。2011年,新西蘭基督城發(fā)生里氏震級(jí)6.3級(jí)的大地震,中央商務(wù)區(qū)近一半的建筑物由于產(chǎn)生了嚴(yán)重?fù)p傷而無法正常使用,近1 000棟建筑物被拆毀,地震后的重建費(fèi)用預(yù)計(jì)高達(dá)400億新西蘭元[3]。震后高額的重建費(fèi)用說明當(dāng)前抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中基于延性的設(shè)計(jì)理念和保障人民生命安全為主的設(shè)計(jì)目標(biāo),僅能保證建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震作用下不發(fā)生倒塌,缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)震后性能的考慮。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提高,人們對(duì)抗震結(jié)構(gòu)的性能也提出了更高的要求,設(shè)計(jì)出在設(shè)防地震作用下不破壞或可快速修復(fù)的抗震結(jié)構(gòu)體系,成為當(dāng)前地震工程領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。

近年來,自復(fù)位功能結(jié)構(gòu)作為一種新型的減震控制結(jié)構(gòu),引起了工程師和專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。自復(fù)位結(jié)構(gòu)不僅能在地震發(fā)生時(shí)保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全,也有助于震后修復(fù),恢復(fù)正常生產(chǎn)生活,是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)新方向[4]。研究[5-6]表明,結(jié)構(gòu)的搖擺可以降低地震作用和結(jié)構(gòu)自身的延性需求,減少地震破壞,降低震后修復(fù)費(fèi)用。通過放松結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)間或梁柱間的約束,使結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)或構(gòu)件接觸面處僅承受壓力作用而無拉力作用,在地震作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生搖擺,施加預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)復(fù)位,形成自復(fù)位結(jié)構(gòu),如圖1所示。這種新型結(jié)構(gòu)體系能夠有效控制結(jié)構(gòu)震后殘余變形,減少修復(fù)時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。

a—自復(fù)位搖擺框架;b—自復(fù)位搖擺節(jié)點(diǎn)震后狀態(tài);c—自復(fù)位搖擺節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。圖1 自復(fù)位搖擺結(jié)構(gòu)Fig.1 Self-centering swing structure

對(duì)提出的新型自復(fù)位裝配式干連接節(jié)點(diǎn)形式,采用ABAQUS有限元模擬軟件進(jìn)行建模,研究新型自復(fù)位裝配式干連接節(jié)點(diǎn)性能。

1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及組成

在裝配式螺栓連接節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn),提出一種基于自復(fù)位性能的新型裝配式干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)(簡稱“干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)”),如圖2所示[7]。該新型節(jié)點(diǎn)與摩擦耗能自復(fù)位節(jié)點(diǎn)相比,具備耗能機(jī)制可控、耗能件安裝精度要求較低、施工速度快的優(yōu)點(diǎn);與阻尼器耗能自復(fù)位節(jié)點(diǎn)相比,具備構(gòu)造簡單、費(fèi)用成本低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。

a—梁側(cè)立面;b—節(jié)點(diǎn)正立面。圖2 新型干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)[7]Fig.2 New dry connection self-centering node

干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場施工順序?yàn)椋菏紫葘⒘褐目锥磳?duì)齊,4個(gè)外螺母分別放置在梁靴外部;接著將螺栓桿包裹塑料或涂油的方式插入到梁靴孔洞內(nèi)(目的是形成無黏結(jié)段),旋轉(zhuǎn)螺栓,直至插入到柱內(nèi)預(yù)埋耦合器中;接下來在梁靴內(nèi)部放置螺母并擰緊外螺母與內(nèi)螺母,使得梁靴相對(duì)螺栓桿位置固定,地震時(shí)利用螺栓桿拉壓屈服來消耗能量;最后在接縫處灌漿,張拉無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋[7]。

節(jié)點(diǎn)基本參數(shù)為：梁長度7.5 m,梁截面尺寸650 mm×400 mm,柱高3.8 m,柱截面尺寸700 mm×700 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,節(jié)點(diǎn)彎矩設(shè)計(jì)值為611 kN·m。按照文獻(xiàn)[7]提出的方法,初選自復(fù)位比λ=1.25進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),可以確定干連接自復(fù)位梁截面由10根截面面積143.3 mm2的鋼絞線來施加總共1 517 kN的初始預(yù)拉力,以提供自復(fù)位能力;4根直徑39 mm的螺栓提供耗能能力,對(duì)應(yīng)的梁截面配筋如圖3所示,設(shè)計(jì)后節(jié)點(diǎn)自復(fù)位比λ=1.22,節(jié)點(diǎn)彎矩承載力為767 kN·m[7]。

圖3 梁截面配筋圖[7] mmFig.3 Beam section reinforcement diagram

由于梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下會(huì)打開,造成單個(gè)跨度上梁的伸長,若采用傳統(tǒng)意義的固接樓板,會(huì)對(duì)樓板產(chǎn)生水平方向的拉力,導(dǎo)致樓板開裂,同時(shí)限制干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的打開,影響結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能。因此在干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的樓板處理中,將樓板與梁柱在連接處斷開,當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)打開時(shí),樓板也隨之打開運(yùn)動(dòng),消除樓板對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)打開的約束作用。

2 節(jié)點(diǎn)性能有限元驗(yàn)證

2.1 建立模型

為研究裝配式干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)性能,建立相應(yīng)有限元模型,如圖4所示。通過有限元模擬,將裝配式干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,分析二者性能差異;同時(shí)對(duì)裝配式干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)分析,得到裝配式干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)性能的影響因素。為了方便加載及后張無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置,在梁一端設(shè)置加載端頭,構(gòu)件的尺寸與設(shè)計(jì)梁柱節(jié)點(diǎn)的尺寸保持一致。

圖4 裝配式干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)有限元模型Fig.4 Finite element model of self-centering joint of assembled dry connection

2.1.1簡化及計(jì)算假定

節(jié)點(diǎn)模型建模分析時(shí)進(jìn)行如下簡化和假定：1)不考慮試件的初始幾何缺陷和殘余應(yīng)力;2)耗能螺栓僅對(duì)使用情況進(jìn)行理論闡述,不作具體的受力分析,建模時(shí)簡化為螺桿,且螺紋處的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)不是研究重點(diǎn),因此不對(duì)螺紋精細(xì)建模;3)建模時(shí)忽略螺栓孔與螺桿之間的空隙,螺孔與螺栓直徑相同;4)為方便接觸設(shè)置,本文建模時(shí)螺栓和耦合器設(shè)置為同一部件。

2.1.2單元設(shè)置及網(wǎng)格劃分

節(jié)點(diǎn)模型主要包括：預(yù)制混凝土梁柱、梁靴、螺栓(耦合器)、梁柱鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋。其中預(yù)應(yīng)力混凝土梁柱、梁靴、螺栓均采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行模擬。梁柱鋼筋、預(yù)應(yīng)力筋均采用T3D2桁架單元進(jìn)行模擬?；炷亮褐W(wǎng)格尺寸為150 mm,螺栓,梁靴網(wǎng)格尺寸為10 mm,對(duì)梁靴的螺栓孔進(jìn)行適當(dāng)加密處理。

2.1.3約束和接觸的定義

模型中梁柱的普通鋼筋由縱筋和箍筋合并成一個(gè)整體,以增強(qiáng)鋼筋籠的整體工作性能,然后將鋼筋單元嵌入整體模型中,不考慮鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)滑移。耗能螺栓一部分內(nèi)置到柱中,一部分與梁靴的螺栓孔內(nèi)壁采用Tie進(jìn)行綁定,保證受力時(shí)各部件的變形一致,并在螺栓上設(shè)置無黏結(jié)段來耗能。

梁柱節(jié)點(diǎn)開縫面的模擬是有限元模擬的關(guān)鍵之處,由于干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)處以受彎為主,假定梁柱截面連接部分可以提供足夠的抗剪能力,防止梁發(fā)生側(cè)向平移和沿著位移加載發(fā)生自由抬升。Kurama采用ABAQUS中“gap/contact”單元來模擬開縫面的特性[8]。在本文中,梁與柱接觸面屬性法線方向,定義為“Hard contact”,允許接觸后產(chǎn)生分離;切線方向定義為“Rough”,接觸后不產(chǎn)生相對(duì)滑移。采用這種接觸方式不考慮接觸界面上混凝土豎向受拉強(qiáng)度。由于混凝土受拉強(qiáng)度與鋼筋受拉強(qiáng)度相比很小,所以這種定義是合理的。

預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間無黏結(jié)效應(yīng)的模擬是先建立有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的模型,提交作業(yè),再次導(dǎo)入inp文件,預(yù)應(yīng)力筋的端點(diǎn)與梁柱端點(diǎn)采用MPC梁的約束,模擬實(shí)際中無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與梁柱端協(xié)同變形;將預(yù)應(yīng)力筋網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)與梁柱網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)采用Coupling約束進(jìn)行設(shè)置,同時(shí)釋放預(yù)應(yīng)力筋方向上的約束來模擬實(shí)際情況中后張預(yù)應(yīng)力筋與梁柱的無黏結(jié)狀態(tài),如圖5所示。

圖5 無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力的有限元模擬Fig.5 Finite element simulation of Unbonded Prestress

對(duì)于初始預(yù)應(yīng)力的施加,ABAQUS提供了多種模擬方法,包括MPC方法、等效降溫法、ABAQUS自帶的初始應(yīng)力法、裝配荷載法等。本文采用等效降溫法模擬初始預(yù)應(yīng)力。等效降溫法從材料自身的熱脹冷縮特性實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力效應(yīng),即對(duì)預(yù)應(yīng)力筋施加一個(gè)溫度場變量后,預(yù)應(yīng)力筋收縮,從而有效模擬預(yù)應(yīng)力筋張拉過程。施加的溫度場變量采用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：Δt為所需施加的溫度場變量;F為預(yù)應(yīng)力筋施加的預(yù)張力;α為預(yù)應(yīng)力筋的膨脹系數(shù);E為預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量;A為預(yù)應(yīng)力筋的面積。

2.2 節(jié)點(diǎn)有限元模型有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證采用本文建模思路建立的有限元模型的準(zhǔn)確性,選取文獻(xiàn)[9-10]中的JH1模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,按照本文的建模思路,建立文獻(xiàn)中滯回試驗(yàn)的有限元模型,如圖6所示。

圖6 文獻(xiàn)[9-10]中滯回試驗(yàn)的有限元模型Fig.6 Reference [9-10] hysteretic test finite element model

對(duì)該模型進(jìn)行滯回模擬,為更直觀進(jìn)行對(duì)比分析,選取最外圈滯回曲線進(jìn)行對(duì)比分析,有限元模擬和試驗(yàn)的最外圈滯回曲線如圖7所示。可以看出：有限元模擬曲線與試驗(yàn)曲線擬合度較好,驗(yàn)證了采用本文有限元建模思路建立的有限元模型的有效性。

圖7 力-位移曲線Fig.7 Finite element curve and test curve

2.3 節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載

2.3.1荷載-位移曲線

對(duì)干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)(JD)進(jìn)行了單調(diào)加載的數(shù)值模擬分析,為了驗(yàn)證自復(fù)位連接節(jié)點(diǎn)是否滿足工程中節(jié)點(diǎn)剛性需求,建立相同尺寸的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)(XJ),不設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋,得到了節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載下的F-Δ曲線,如圖8所示。

圖8 節(jié)點(diǎn)試件的荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves of joint specimen

從節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載的荷載-位移曲線可知：從原點(diǎn)到A點(diǎn),干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的整體剛度幾乎不變,說明在A點(diǎn)之前梁柱還未打開,通過預(yù)應(yīng)力筋的后張預(yù)應(yīng)力作用使節(jié)點(diǎn)的初始剛度與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相同;AB段節(jié)點(diǎn)在外荷載作用下開始張開,這時(shí)節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度主要由螺栓和預(yù)應(yīng)力筋來提供,當(dāng)達(dá)到B點(diǎn)時(shí),螺栓開始受拉屈服;AB段現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)剛度小于干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn),因?yàn)榇藭r(shí)耗能螺栓還未屈服,節(jié)點(diǎn)剛度由螺栓和預(yù)應(yīng)力筋貢獻(xiàn),而現(xiàn)澆梁柱節(jié)點(diǎn)已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形,混凝土開始有損傷累積,導(dǎo)致現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的承載力小于干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn);B點(diǎn)之后,干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)剛度突然減小,代表螺栓已經(jīng)屈服,此時(shí)節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度主要由預(yù)應(yīng)力筋提供,剛度小于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),繼續(xù)加載至C點(diǎn),直至節(jié)點(diǎn)極限承載力,預(yù)應(yīng)力筋屈服。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載曲線中的A點(diǎn),可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)打開過程中壓力為0時(shí)的零壓彎矩為171.78 kN·m,理論計(jì)算的零壓彎矩為164.36 kN·m;根據(jù)文獻(xiàn)[7]的分析結(jié)果,節(jié)點(diǎn)有限元模擬的承載力為794 kN·m,自復(fù)位比為λ=1.21,表明有限元模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合,說明有限元建模能夠較好模擬節(jié)點(diǎn)的破壞狀態(tài)及受力狀態(tài)。

2.3.2單調(diào)加載節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布及破壞機(jī)理

節(jié)點(diǎn)單調(diào)加載至破壞狀態(tài)時(shí)現(xiàn)澆與干連接自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力及損傷云圖如圖9所示?？梢钥闯觯簩?duì)于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的破壞模式是梁柱混凝土部分形成塑性鉸;而干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)損傷主要集中在混凝土梁的受壓區(qū)。因?yàn)榉潘闪褐?jié)點(diǎn)處的約束,可利用搖擺截面的螺栓塑性變形來消耗能量,一部分損傷由螺栓代替,所以干連接自復(fù)位的混凝土塑性損傷明顯小于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

a—現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力云圖,MPa;b—現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)混凝土塑性損傷云圖;c—干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力云圖,MPa;d—干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)混凝土塑性損傷云圖。圖9 節(jié)點(diǎn)的Mises應(yīng)力云和混凝土塑性損傷云圖Fig.9 Nephograms of Mises stress and concrete plastic damage of joints

節(jié)點(diǎn)螺栓的塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示?？梢钥闯觯含F(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)內(nèi)置螺栓的塑性應(yīng)變明顯小于干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn),因?yàn)樵谕夂奢d作用時(shí),干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)耗能螺栓首先屈服來消耗地震能量,從而減小混凝土的損傷,做到節(jié)點(diǎn)損傷位置可控,而螺栓在實(shí)際工程中是可以更換的,有效降低結(jié)構(gòu)震后修復(fù)成本。

a—現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn);b—干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)。圖10 節(jié)點(diǎn)螺栓塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.10 Nephograms of plastic strain of joint bolt

2.3.3初始預(yù)應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響

為探究初始預(yù)應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響,以自復(fù)位節(jié)點(diǎn)模型JD為基礎(chǔ),選取不同初始預(yù)拉力Tpt,initial=1 000,2 000 kN的節(jié)點(diǎn),命名為JD-T1和JD-T2,分別進(jìn)行單調(diào)加載有限元模擬,得到節(jié)點(diǎn)的F-Δ曲線,如圖11所示?？梢钥闯觯弘S著初始預(yù)拉力Tpt,initial的增大,節(jié)點(diǎn)的零壓彎矩Mdec有一定的增大,但不明顯;從節(jié)點(diǎn)脫開到螺栓屈服的這一過程中,隨著初始預(yù)拉力Tpt,initial的增大或減小,節(jié)點(diǎn)剛度也相應(yīng)地增大或減小,但都大于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)剛度。這是因?yàn)槌跏碱A(yù)拉力Tpt,initial的增大,約束了節(jié)點(diǎn)處變形,需要更大的外荷載才能使螺栓屈服,這也證明此階段干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的剛度主要由預(yù)應(yīng)力筋和螺栓來提供;螺栓屈服后,節(jié)點(diǎn)的剛度只由預(yù)應(yīng)力筋提供,圖11中曲線后半部分幾乎是平行上升也證明了這一點(diǎn)。

圖11 不同初始預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線Fig.11 Load-displacement curves of different initial prestressed joints

根據(jù)圖11、圖12可以計(jì)算出JD-T1和JD-T2有限元模擬的節(jié)點(diǎn)零壓彎矩Mdec、節(jié)點(diǎn)自復(fù)位比λ和節(jié)點(diǎn)承載力Mn,將其與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比,匯總于表1中?？煽闯觯河邢拊M結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合,說明有限元建模能夠較好模擬節(jié)點(diǎn)的破壞狀態(tài)及受力狀態(tài)。

表1 不同初始預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的理論計(jì)算值與有限元計(jì)算值對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis of theoretical and finite element calculation values of mechanical properties of different initial prestressed joints

a—JD-T1梁截面;b—JD-T2梁截面;c—JD-T1螺栓;d—JD-T2螺栓;e—JD-T1預(yù)應(yīng)力筋;f—JD-T2預(yù)應(yīng)力筋。c為等效受壓區(qū)高度。圖12 不同初始預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)部件應(yīng)力云圖 MPaFig.12 Stress cloud diagram of components at different initial prestressed nodes

根據(jù)圖13、圖14可知：增加預(yù)應(yīng)力筋的初始預(yù)拉力,節(jié)點(diǎn)受壓區(qū)混凝土損傷也隨之增大,耗能螺栓的塑性應(yīng)變也隨之增加。這是因?yàn)殡S著初始預(yù)拉力增大,節(jié)點(diǎn)抗彎承載力會(huì)有顯著提升,螺栓受力也隨之增大,需要更高的混凝土受壓區(qū)參與受力,導(dǎo)致混凝土損傷增大。因此,實(shí)際工程中設(shè)計(jì)自復(fù)位節(jié)點(diǎn)不能過分追求自復(fù)位性能而加大初始預(yù)應(yīng)力,有可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋屈服前受壓區(qū)混凝土被壓碎。

a—JD-T1;b—JD;c—JD-T2。圖13 不同初始應(yīng)力節(jié)點(diǎn)混凝土塑性損傷云圖Fig.13 Nephogram of plastic damage of concrete at joints with different initial stresses

a—JD-T1螺栓;b—JD螺栓;c—JD-T2螺栓。圖14 不同初始應(yīng)力節(jié)點(diǎn)螺栓塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.14 Cloud diagram of plastic strain of bolts at nodes with different initial stresses

2.3.4螺栓強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響

為探究螺栓強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的影響,以節(jié)點(diǎn)模型JD為基礎(chǔ),選取不同的螺栓屈服強(qiáng)度,分別為fy=240,480 MPa,命名為JD-L1和JD-L2分別進(jìn)行單調(diào)加載數(shù)值模擬,得到節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線,如圖15所示?？梢缘弥弘S著耗能螺栓強(qiáng)度等級(jí)增加,節(jié)點(diǎn)承載力顯著提升;在加載初期,3種自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線完全重合,代表3種節(jié)點(diǎn)具有相同的節(jié)點(diǎn)打開彎矩;節(jié)點(diǎn)打開后到螺栓屈服前,3種節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度也相同,這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的初始預(yù)應(yīng)力相同,只是螺栓的屈服強(qiáng)度不同,螺栓規(guī)格、彈性模量都一致,故曲線在加載初期完全重合,區(qū)別在于節(jié)點(diǎn)的屈服點(diǎn)不同,節(jié)點(diǎn)屈服后,3條曲線幾乎平行上升,這階段節(jié)點(diǎn)的剛度只由預(yù)應(yīng)力筋提供;當(dāng)位移達(dá)到100 mm時(shí),對(duì)于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)的曲線開始下降,代表節(jié)點(diǎn)已經(jīng)開始破壞,而對(duì)于自復(fù)位節(jié)點(diǎn),只要預(yù)應(yīng)力筋不失效,節(jié)點(diǎn)的承載力不會(huì)降低。

根據(jù)圖15、圖16可以計(jì)算出JD-L1和JD-L2有限元模擬的節(jié)點(diǎn)自復(fù)位比λ和節(jié)點(diǎn)承載力Mn,并將其與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比,匯總于表2。可看出：有限元模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合,說明有限元建模能夠較好模擬節(jié)點(diǎn)的破壞狀態(tài)及受力狀態(tài)。

a—JD-L1梁截面;b—JD-L2梁截面;c—JD-L1螺栓;d—JD-L2螺栓;e—JD-L1預(yù)應(yīng)力筋;f—JD-L2預(yù)應(yīng)力筋。圖16 不同螺栓強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)部件應(yīng)力云圖 MPaFig.16 Stress cloud diagram of components at different bolt strength nodes

表2 不同螺栓強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的理論計(jì)算值與有限元計(jì)算值對(duì)比分析Table 2 Comparative analysis of theoretical and finite element calculation values of mechanical properties of different bolt strength joints

不同螺栓強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)的混凝土塑性損傷云圖及螺栓塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖17a～c、圖18所示?？梢钥闯觯哼_(dá)到設(shè)計(jì)位移時(shí),隨著螺栓強(qiáng)度等級(jí)增加,節(jié)點(diǎn)受壓區(qū)混凝土塑性損傷逐漸減小,這是因?yàn)槁菟◤?qiáng)度等級(jí)增加,螺栓對(duì)截面彎矩貢獻(xiàn)增加,且螺栓的塑性變形增大,螺栓耗能能力增強(qiáng),能消耗更多地震能量,保護(hù)主體結(jié)構(gòu),所以混凝土塑性損傷減小。如圖17d～f所示,到達(dá)加載后期,JD-L2節(jié)點(diǎn)的塑性損傷明顯大于其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn),這是因?yàn)椴捎?.8級(jí)螺栓延性較其他兩個(gè)螺栓好,能夠產(chǎn)生較大的塑性變形,屈服應(yīng)力較大,需要更高的受壓區(qū)高度保持截面平衡,導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生更大的壓力,所以混凝土塑性損傷較高。因此,增加螺栓屈服強(qiáng)度,會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的耗能能力,但會(huì)使得節(jié)點(diǎn)延性有所下降。

a—JD-L1混凝土;b—JD混凝土;c—JD-L2混凝土;d—加載后期JD-L1混凝土;e—加載后期JD混凝土;f—加載后期JD-L2混凝土。圖17 同螺栓強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)混凝土塑性損傷云圖Fig.17 Nephograms of concrete plastic damage of joints with different bolt strength

a—JD-L1螺栓;b—JD-L2螺栓。圖18 不同螺栓強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)螺栓塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.18 Cloud diagrams of bolt plastic strain of joints with different bolt strength

2.4 節(jié)點(diǎn)抗震性能

2.4.1加載曲線

低周往復(fù)荷載的加載制度根據(jù)ATC-24(1992)[11]的建議：試件的加載采用位移控制,分別按照0.25Δy、0.5Δy、0.7Δy進(jìn)行加載;試件屈服后,采用1.0Δy、2.0Δy、3.0Δy、5.0Δy、6.0Δy進(jìn)行加載。試件屈服前的三級(jí),每級(jí)循環(huán)2圈,試件屈服后各級(jí),前面三級(jí)(1.0Δy、2.0Δy、3.0Δy)循環(huán)3圈,其余的循環(huán)2圈,加載制度如圖19所示。

圖19 加載制度Fig.19 Loading system

2.4.2節(jié)點(diǎn)滯回曲線與損傷云圖

為了更好地分析干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)抗震性能,對(duì)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)和干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行滯回分析,分別提取了現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)(XJ)和干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)(JD)模型的滯回曲線,如圖20所示?？梢钥闯觯含F(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的滯回曲線呈現(xiàn)飽滿的梭形,具有良好的耗能能力,但當(dāng)力為零時(shí),現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的位移并不為零,說明現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)殘余變形較大;干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)滯回曲線的滯回環(huán)相對(duì)飽滿,說明干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)也具有良好的耗能能力;同時(shí)與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)數(shù)值較小,代表節(jié)點(diǎn)的殘余變形得到有效控制。理論上當(dāng)節(jié)點(diǎn)自復(fù)位比λ大于1時(shí),節(jié)點(diǎn)應(yīng)沒有殘余變形,這是因?yàn)槔碚撝豢紤]了預(yù)應(yīng)力筋與螺栓的相對(duì)關(guān)系。在實(shí)際加載過程中,梁混凝土不可能完全不受力,梁靴和混凝土共同受壓,混凝土也會(huì)產(chǎn)生塑性變形(塑性損傷),在滯回加載初期,混凝土還未產(chǎn)生塑性變形,節(jié)點(diǎn)具備完全的自復(fù)位性能,但在加載后期,混凝土產(chǎn)生塑性損傷,所以加載后期自復(fù)位節(jié)點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)完全恢復(fù)。

圖20 節(jié)點(diǎn)滯回曲線Fig.20 Joint hysteretic curves

如圖21所示,現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)處混凝土發(fā)生較大的損傷,破壞機(jī)制為梁柱產(chǎn)生塑性鉸發(fā)生破壞。對(duì)于干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn),只在梁端產(chǎn)生少量混凝土塑性損傷,柱節(jié)點(diǎn)部位幾乎無損傷,破壞機(jī)制為預(yù)應(yīng)力筋受拉屈服,可見干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)能夠有效地控制節(jié)點(diǎn)處的塑性損傷。

a—現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn);b—干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)。圖21 節(jié)點(diǎn)混凝土塑性損傷云圖Fig.21 Nephograms of plastic damage of joint concrete

2.4.3初始預(yù)應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響

為了分析初始預(yù)應(yīng)力對(duì)干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的滯回性能的影響,分別提取了JD-T1、JD-T2的滯回曲線,如圖22所示。滯回環(huán)的面積大小表征節(jié)點(diǎn)耗能能力,滯回環(huán)面積越大耗能能力越強(qiáng),滯回環(huán)面積越小則耗能能力越弱?？梢钥闯觯涸龃蠊?jié)點(diǎn)的初始預(yù)應(yīng)力,節(jié)點(diǎn)自復(fù)位比增大,節(jié)點(diǎn)的殘余變形越來越小,但節(jié)點(diǎn)的耗能能力也隨之減小。

圖22 不同初始預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)滯回曲線Fig.22 Hysteretic curves of different initial prestressed joints

2.4.4螺栓強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響

為了分析螺栓強(qiáng)度對(duì)自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的滯回性能的影響,分別提取了JD-L1、JD-L2的滯回曲線,如圖23所示。可以看出：隨著螺栓強(qiáng)度的增加,節(jié)點(diǎn)自復(fù)位性能逐漸減弱,但耗能能力增強(qiáng)。在加載級(jí)數(shù)較小時(shí),JD-L1的累計(jì)耗能最大,這是因?yàn)镴D-L1螺栓屈服強(qiáng)度低,螺栓率先屈服開始耗能;但隨著加載級(jí)數(shù)的增加,JD-L2耗能的優(yōu)勢(shì)開始顯現(xiàn)出來,累計(jì)耗能逐漸增加。隨著位移的增大,各試件累計(jì)耗能隨之增加。

圖23 不同螺栓強(qiáng)度節(jié)點(diǎn)滯回曲線Fig.23 Hysteretic curves of joints with different bolt strength

3 結(jié)束語

針對(duì)提出的新型干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)形式,采用有限元軟件ABAQUS對(duì)新型干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單調(diào)加載和低周往復(fù)荷載作用下的數(shù)值模擬,對(duì)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布、破壞機(jī)理及抗震性能進(jìn)行了分析,研究了節(jié)點(diǎn)的滯回性能、剛度退化、耗能性能,得到以下主要結(jié)論：

1)干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)具有相當(dāng)?shù)某跏紕偠取，F(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的破壞模式是梁柱混凝土部分形成塑性鉸,而新型干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)的損傷云圖主要集中在梁受壓區(qū),表明除受壓區(qū)混凝土輕微剝落以外,主體結(jié)構(gòu)無失效性損傷,保證結(jié)構(gòu)可快速修復(fù)投入正常使用。

2)放松梁柱節(jié)點(diǎn)處的約束,可利用搖擺截面的螺栓塑性應(yīng)變來消耗能量,且很大一部分損傷由螺栓承擔(dān),所以干連接自復(fù)位的混凝土塑性損傷明顯小于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),保證損傷可控。

3)提升節(jié)點(diǎn)的初始預(yù)應(yīng)力大小,有利于提升節(jié)點(diǎn)的零壓彎矩、節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力和自復(fù)位比,但混凝土的塑性損傷也隨之提高;隨著螺栓強(qiáng)度的增加,節(jié)點(diǎn)的承載力隨之增加,但在加載后期,混凝土損傷也相對(duì)低屈服點(diǎn)螺栓嚴(yán)重。

4)從節(jié)點(diǎn)的滯回曲線可以看出,干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相比,具備相當(dāng)?shù)暮哪苣芰?同時(shí)干連接自復(fù)位節(jié)點(diǎn)殘余變形小于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了震后自復(fù)位。

5)隨著初始預(yù)應(yīng)力的增加,節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位性能提高,但節(jié)點(diǎn)的耗能能力和延性都有所下降;隨著螺栓強(qiáng)度等級(jí)提升,自復(fù)位性能下降,節(jié)點(diǎn)耗能能力提升,但節(jié)點(diǎn)延性下降。