楊參天，李愛群,2

(1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇，南京 210096；2.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044)

裝配式框架結(jié)構(gòu)具有良好的經(jīng)濟(jì)性、安全性和環(huán)境友好性，被廣泛應(yīng)用于各類建筑工程中[1]。裝配式梁-柱節(jié)點是裝配式框架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，對裝配式建筑的力學(xué)性能和施工效率具有重要影響。很多學(xué)者提出了各種裝配式梁-柱節(jié)點的構(gòu)造并開展了相關(guān)研究[2-13]。其中，全干式裝配梁-柱節(jié)點裝配時不需要現(xiàn)場濕作業(yè)，符合裝配式建筑的綠色高效理念，成為裝配式梁-柱節(jié)點的研究熱點和重要發(fā)展趨勢之一。

干式裝配梁-柱節(jié)點的連接構(gòu)造形式多樣，主要基于牛腿[2]、螺栓[2-3]、焊接[4-5]、機(jī)械鉸[6-7]等基本連接形式構(gòu)成。DING 等[2]基于牛腿和螺栓連接，提出了一種全干式裝配梁-柱節(jié)點，具有構(gòu)造簡潔、施工效率高的特點。葉建峰等[6]基于螺栓連接和機(jī)械鉸連接，提出了一種功能可恢復(fù)的干式裝配梁-柱節(jié)點，其變形和耗能能力強(qiáng)，可有效控制混凝土損傷。黃煒等[3]提出了一種全螺栓連接的裝配式梁-柱節(jié)點，試驗結(jié)果表明，該節(jié)點抗震性能優(yōu)于現(xiàn)澆節(jié)點，同時具有節(jié)點損傷可控的特性。

干式裝配梁-柱節(jié)點的另一特點是可實現(xiàn)理想的變形能力。基于這一特性，一些學(xué)者在干式裝配梁-柱節(jié)點中設(shè)置耗能鋼板[6,8-9]、耗能鋼筋[10-11]、摩擦阻尼器[7,12-13]等消能減震裝置，提出了具備優(yōu)良耗能能力的高性能干式裝配式梁-柱節(jié)點，可充分利用梁柱節(jié)點的變形能力提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。

基于多階受力結(jié)構(gòu)構(gòu)件或減震裝置，使整體結(jié)構(gòu)具備多個階段的受力特性，是提升結(jié)構(gòu)抗震性能的一種新型理念。例如陳云等[14]提出的分級屈服型金屬阻尼器、高華國等[15]提出的Z 型支撐分級屈服阻尼器、PAN 等提出的雙屈服點連梁阻尼器[16]和雙屈服點防屈曲支撐[17]。相關(guān)研究[17-18]表明，在框架結(jié)構(gòu)中合理設(shè)置多階段受力的減震裝置，可以在控制結(jié)構(gòu)最大變形的同時減輕結(jié)構(gòu)的損傷集中。因此，在裝配式框架中設(shè)置具有多級受力特性的梁-柱節(jié)點，是實現(xiàn)裝配式框架結(jié)構(gòu)高性能的有效途徑之一。

基于上述裝配式框架梁-柱節(jié)點的發(fā)展需求和趨勢，本研究提出了一種雙階受力干式裝配梁-柱節(jié)點(double-stage-behavior adjustable dry-connected beam-to-column joint, DADBJ)，其關(guān)鍵組件是摩擦鉸(rotational friction hinge, RFH)和預(yù)設(shè)縫防屈曲鋼板(slitted buckling restrained steel plates, SBRSP)。該節(jié)點具備兩個受力工作階段和損傷集中易修復(fù)的特性。為了驗證DADBJ構(gòu)造的合理性，揭示其雙階段受力工作機(jī)理，本研究設(shè)計加工了DADBJ 試件，以SBRSP 的預(yù)設(shè)縫隙寬度dg作為試驗變量，進(jìn)行了2 個工況的低周往復(fù)擬靜力試驗，目的是為裝配式框架結(jié)構(gòu)和多階受力型結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究提供參考。

1 雙階受力干式裝配梁-柱節(jié)點

本研究提出的雙階受力干式裝配梁-柱節(jié)點DADBJ 如圖1 所示。DADBJ 由摩擦鉸RFH、預(yù)設(shè)縫防屈曲鋼板SBRSP、梁端預(yù)埋件和柱端預(yù)埋件組成。RFH 的兩端分別與梁端、柱端預(yù)埋件通過螺栓端板連接，節(jié)點的上、下側(cè)各設(shè)置1 套SBRSP，兩端分別與梁端、柱端預(yù)埋件的翼緣通過螺栓連接。

圖1 雙階受力干式裝配梁-柱節(jié)點示意圖Fig.1 Schematic of configuration of DADBJ

RFH 由內(nèi)耳板、外耳板、環(huán)形摩擦片和預(yù)緊螺栓組成，即在傳統(tǒng)機(jī)械鉸的耳板間設(shè)置摩擦片，并在摩擦片和耳板的接觸面上施加壓力。內(nèi)耳板和外耳板通過端板分別與DADBJ 的柱端預(yù)埋件和梁端預(yù)埋件連接，當(dāng)DADBJ 的梁柱之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動變形時，RFH 的耳板與摩擦片間同樣會產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。前期試驗研究[19]表明，RFH 的力學(xué)行為與摩擦阻尼器一致，彎矩-轉(zhuǎn)角理論曲線如圖2(a)所示，初始狀態(tài)時RFH 作為一個整體保持線彈性；當(dāng)彎矩達(dá)到啟動彎矩M1時，RFH 啟動，耳板與摩擦片之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)動摩擦，彎矩基本可維持在M1，不隨變形的增加而增大，滯回曲線呈飽滿的平行四邊形。因此，RFH 可提供穩(wěn)定的承載力和耗能能力。通過調(diào)整螺栓預(yù)緊力和(或)環(huán)形摩擦片的尺寸、摩擦系數(shù)，可對RFH 的承載力M1進(jìn)行靈活設(shè)計[19]。

圖2 DADBJ 彎矩-轉(zhuǎn)角理論曲線Fig.2 Theoretical moment-rotation curve of DADBJ

SBRSP 是僅承受軸壓作用的金屬屈服型阻尼器。DADBJ 的上、下側(cè)各設(shè)置1 套SBRSP，每套均由2 塊約束板和2 塊芯板組成，2 塊芯板之間設(shè)置了初始縫隙。每塊芯板包括固定段、過渡段和屈服段。設(shè)置于DADBJ 上、下側(cè)的SBRSP 為節(jié)點提供的彎矩-轉(zhuǎn)角理論曲線如圖2(b)所示，當(dāng)DADBJ梁端和柱端的相對轉(zhuǎn)角較小時，芯板端部的縫隙不閉合，SBRSP 不受力。當(dāng)節(jié)點轉(zhuǎn)角達(dá)到預(yù)設(shè)值時，SBRSP 的2 塊芯板接觸，在軸壓力作用下變形。SBRSP 啟動后的受力特性與防屈曲約束支撐的受壓力學(xué)行為類似，芯板受壓屈服前呈線彈性，芯板受壓屈服后剛度顯著降低。因此，SBRSP的啟動位移由芯板間預(yù)設(shè)縫隙寬度dg控制，剛度和承載力由芯板的材料和幾何尺寸控制。

綜上，DADBJ 主要具備以下特征：

1) 2 個受力工作階段：第一階段由RFH 提供節(jié)點的力學(xué)性能，第二階段由RFH 和SBRSP 共同提供節(jié)點的力學(xué)性能，其彎矩-轉(zhuǎn)角理論曲線如圖2(c)所示。

2) 損傷集中、易修復(fù)：DADBJ 的非線性行為集中于RFH 的摩擦轉(zhuǎn)動和SBRSP 的芯板屈服，可以有效控制混凝土的損傷，節(jié)點采用全干式裝配構(gòu)造，易于修復(fù)或更換，具備良好的震后功能恢復(fù)能力。

2 試驗概況

2.1 試件設(shè)計與制作

為了驗證DADBJ 的雙階受力特性，本研究設(shè)計加工了如圖3 所示的DADBJ 試件。預(yù)制柱高度為3000 mm，預(yù)制梁長度為2000 mm，預(yù)制柱和預(yù)制梁的截面尺寸分別為500 mm×500 mm 和300 mm×500 mm。由第1 節(jié)描述可知，DADBJ 的力學(xué)性能受諸多參數(shù)影響，包括RFH 的設(shè)計參數(shù)和SBRSP的設(shè)計參數(shù)。筆者已通過前期試驗研究驗證了RFH構(gòu)造的可行性及其力學(xué)性能的可調(diào)控性[19]。SBRSP的預(yù)設(shè)縫隙寬度dg對DADBJ 第二階段的啟動位移起控制作用，是實現(xiàn)DADBJ 雙階受力工作的關(guān)鍵變量，本研究以dg為主要試驗變量?；趫D3所示的DADBJ 試件，通過替換SBRSP 的芯板，開展了2 個工況的試驗研究。兩個工況的編號分別為DADBJ1 和DADBJ2，dg取值分別為9 mm 和5.5 mm，對應(yīng)的芯板屈服段長度lc分別為113.5 mm和115.3 mm。為了保證約束板對芯板提供有效約束的同時，不影響SBRPS 的變形模式和受力特性，約束板間同樣設(shè)置了初始縫隙，寬度為16 mm。值得注意的是，DADBJ 試件基于芯板可更換的原則設(shè)計，即各個組件均在試驗加載中不發(fā)生屈服，以保證兩個試驗工況共用一套試件的合理性。

圖3 DADBJ 試件尺寸與配筋圖 /mmFig.3 Dimension and reinforcements of DADBJ specimen

RFH 中環(huán)形摩擦片厚度為10 mm，內(nèi)、外徑分別為60 mm 和240 mm。RFH 中的預(yù)緊螺栓采用12.9 級高強(qiáng)螺栓，每個螺栓的預(yù)緊力均為105 kN。為了保證施加在摩擦片表面的壓力穩(wěn)定，避免加載中預(yù)緊力松弛，安裝預(yù)緊螺栓時采用了圖4 所示的碟形彈簧墊片。筆者前期研究[19]和相關(guān)文獻(xiàn)[20]表明，碟形彈簧墊片可有效控制螺栓預(yù)緊力的松弛。

圖4 預(yù)緊螺栓采用碟形彈簧墊片F(xiàn)ig.4 Coned-disc spring washers for pre-tensioned bolts

SBRSP 的芯板厚度為2.5 mm，芯板的固定段和屈服段截面寬度分別為300 mm 和135 mm，如圖3 所示。在約束板表面粘貼了聚四氟乙烯膠帶，以降低芯板和約束板之間的摩擦作用，避免芯板受壓時的軸向變形受約束板影響，如圖5 所示。

圖5 約束板表面粘貼聚四氟乙烯膠帶Fig.5 Polytetrafluoroethylene tape pasted on the surface of the restraint plate

2.2 材料性能

DADBJ 試件預(yù)制梁、柱采用的混凝土強(qiáng)度等級為C30，6 個棱柱體試塊測得的混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為30.36 MPa。預(yù)埋件、SBRSP 和RFH 的鋼板均采用Q345 鋼板。鋼板的和鋼筋材性測試結(jié)果見表1。RFH 的環(huán)形摩擦片采用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制作，采用筆者前期研究[19]中提出的RFH 力學(xué)性能測試方案，得出該摩擦片其與鋼板的摩擦系數(shù)為0.254。螺栓強(qiáng)度等級均為12.9 級，銷軸采用40Cr 鋼材制作。

表1 鋼板、鋼筋材性Table 1 Properties of steel plates and reinforcements

2.3 加載和量測方案

為了模擬梁-柱節(jié)點在框架結(jié)構(gòu)中的受力，采用如圖6 所示的試驗加載裝置。柱底部為鉸支座，即釋放了柱底的轉(zhuǎn)動約束；柱頂為滑動支座，即釋放了柱頂?shù)霓D(zhuǎn)動約束和豎向平動，柱子在柱頂軸壓力作用下可產(chǎn)生豎向變形。采用精軋螺紋鋼、千斤頂和液壓油泵在柱頂施加軸力1372 kN。MTS 作動器上端與反力架連接，下端與DADBJ試件梁端連接，在梁端施加低周往復(fù)荷載。為了減小試驗加載中的面外變形，在梁端設(shè)置了面外變形約束裝置，如圖6(b)所示。

圖6 試驗裝置Fig.6 Test setups

兩個試驗工況均采用圖7 所示的位移控制加載制度，每級加載2 個循環(huán)。試驗首先加載DADBJ1 工況，更換芯板后加載DADBJ2 工況。

圖7 試驗加載制度Fig.7 Loading protocol

試驗位移計布置如圖8(a)所示。同時，為了保證螺栓預(yù)緊力的精準(zhǔn)施加和持續(xù)監(jiān)控，在RFH 的M20 預(yù)緊螺栓上設(shè)置了如圖8(b)所示的螺栓預(yù)緊力傳感器。監(jiān)測結(jié)果表明，試驗過程中螺栓預(yù)緊力的松弛小于初始值的5%。

圖8 量測方案Fig.8 Arrangement of measurements

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 試驗現(xiàn)象

梁端低周往復(fù)荷載作用下，兩個DADBJ 工況的變形模式一致且符合預(yù)期，如圖9 所示，預(yù)制梁與預(yù)制柱之間的相對轉(zhuǎn)動變形主要集中于節(jié)點區(qū)域，梁柱混凝土表面均未見裂縫，除芯板外其余鋼板均未產(chǎn)生明顯殘余變形，各部位螺栓均未松弛，說明DADBJ 試件設(shè)計實現(xiàn)了預(yù)期的損傷集中，避免了混凝土的損傷。這一現(xiàn)象同時表明，本試驗兩個加載工況采用同一個試件具有合理性。

圖9 DADBJ 試件變形Fig.9 Deformation shape of DADBJ specimen

在兩個工況的第8 個位移級(15.375 mm)，試件在加載中產(chǎn)生連續(xù)的摩擦聲響，此時RFH 啟動滑動摩擦。由圖10(a)～圖10(c)可見，試驗后摩擦片表面和耳板表面對應(yīng)接觸區(qū)域均出現(xiàn)明顯摩擦痕跡，說明RFH 的內(nèi)、外耳板存在相對轉(zhuǎn)動摩擦，RFH 呈現(xiàn)了預(yù)期的轉(zhuǎn)動摩擦變形模式。

圖10 關(guān)鍵試驗現(xiàn)象Fig.10 Critical test phenomena

SBRSP 中芯板的間隙隨著梁端位移的增大而減少，在DADBJ1 的第17 個位移級(71.75 mm)和DADBJ2 的第14 個位移級(46.125 mm)，如圖10(d)所示，SBRSP 的芯板端部縫隙并攏，芯板承受軸向壓力，呈現(xiàn)了預(yù)期的芯板受壓變形模式，此時DADBJ 進(jìn)入第二個工作階段。加載至最大位移時，如圖10(e)所示，芯板呈現(xiàn)多波屈曲的變形模式，約束板間縫隙未閉合，這表明約束板對芯板的面外屈曲提供了有效的約束作用。

3.2 滯回曲線

DADBJ1 和DADBJ2 的滯回曲線如圖11 所示，由圖可知，試驗滯回曲線與圖2 理論曲線相似，呈現(xiàn)了預(yù)期的雙階段受力特性。在第一階段，僅有RFH 處于工作狀態(tài)，此時DADBJ 的滯回曲線呈現(xiàn)為飽滿的平行四邊形，與摩擦型阻尼器的滯回曲線一致。隨著梁柱相對轉(zhuǎn)動的增加，SBRSP中芯板的預(yù)設(shè)縫隙閉合，承受軸向壓力，DADBJ進(jìn)入第二工作階段，此時SBRSP 和RFH 共同工作，滯回曲線出現(xiàn)第二個上升段。隨著梁柱相對轉(zhuǎn)動的進(jìn)一步增加，SBRSP 的芯板屈服，滯回曲線進(jìn)入平臺段。值得注意的是，SBRSP 芯板屈服后，隨著加載循環(huán)位移幅值的增加，DADBJ 的二階啟動位移也不斷增加，這是因為屈服后的SBRSP芯板產(chǎn)生了殘余變形，間接增加了芯板間預(yù)設(shè)縫的大小。兩個試驗工況的滯回曲線均未出現(xiàn)下降段，進(jìn)一步說明約束板對芯板的面外屈曲提供了有效的約束作用。同時，DADBJ 滯回曲線飽滿，表明其具有良好的耗能能力。

圖11 滯回曲線Fig.11 Hysteretic curves

3.3 骨架曲線與特征點

DADBJ1 和DADBJ2 的骨架曲線如圖12 所示，DADBJ 具備兩個工作階段，因此骨架曲線特征點包括表2 所示的一階屈服點、二階啟動點、二階屈服點和極限點。由圖12 和表2 可知：

表2 DADBJ 試件特征點Table 2 Characteristic points of the DADBJ specimen

圖12 骨架曲線Fig.12 Skeleton curves

1) DADBJ1 與DADBJ2 的一階屈服荷載Fy1基本一致，這是由于兩個工況的RFH 采用了相同的螺栓預(yù)緊力。這一現(xiàn)象同時表明，本研究采用的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料摩擦片在經(jīng)歷了38 個循環(huán)加載后摩擦性能仍保持穩(wěn)定，具有良好的抗磨損性能。

2) 在DADBJ2 二階啟動前，兩個工況的骨架曲線重合，這表明：芯板屈服后，更換芯板即可實現(xiàn)節(jié)點的快速修復(fù)，且修復(fù)后力學(xué)性能與原始狀態(tài)一致，DADBJ 試件實現(xiàn)了預(yù)期的損傷集中和易修復(fù)特性。

3) DADBJ2 的二階啟動位移Δa2(36.67 mm)明顯小于DADBJ1 的Δa2(60.64 mm)，這是由于DADBJ2的SBRSP 的預(yù)設(shè)縫隙寬度dg更小，芯板縫隙更早閉合。因此，通過調(diào)整dg可實現(xiàn)DADBJ 第二階段啟動位移的選擇性設(shè)計。

3.4 雙階段受力屈服荷載

根據(jù)庫侖摩擦定律，RFH 的啟動彎矩M1可按式(1)計算[7]：

式中：nf為摩擦片數(shù)量；P為施加在預(yù)緊螺栓上的預(yù)緊力總和；μf為摩擦片與耳板之間的動摩擦系數(shù)；R1和R2分別為環(huán)形摩擦片的外半徑和內(nèi)半徑。

SBRSP 提供的抗彎承載力屈服值M2可按式(2)計算：

式中：fyc為芯板鋼材的屈服強(qiáng)度；Ac為芯板屈服段的截面面積；hc為銷軸中心至芯板形心的高度。

基于式(1)和式(2)，DADBJ 試件的一階屈服荷載理論值Fy1,t和二階屈服荷載Fy2,t可分別按式(3)和式(4)計算：

式中，le為加載點到銷軸中心的水平距離，對于本研究的DADBJ 試件，le=1510 mm。

DADBJ 試件的Fy1,t和Fy2,t分別為35.6 kN 和57.0 kN。DADBJ1 和DADBJ2 的一階屈服荷載Fy1，見圖12，其與理論值的誤差分別為0.3%和-0.2%。DADBJ1 和DADBJ2 的二階屈服荷載Fy2與理論值的誤差分別為1%和3%。因此，式(1)～式(4)對DADBJ兩個工作階段的屈服荷載的預(yù)測精度高，可用于確定RFH 和SBRSP 的力學(xué)參數(shù)、設(shè)計DADBJ 兩個受力階段的屈服荷載。

3.5 二階啟動位移

第二階段的啟動位移Δa2是DADBJ 雙階段受力的關(guān)鍵性能參數(shù)之一。假定DADBJ 發(fā)生梁柱相對轉(zhuǎn)動時，變形完全集中于節(jié)點區(qū)域，混凝土預(yù)制梁僅產(chǎn)生剛體轉(zhuǎn)動，則DADBJ 試件的二階啟動位移理論值Δa2,t可基于dg按式(5)計算：

DADBJ1、DADBJ2 二階啟動位移理論值(Δa2,t1和Δa2,t2)見圖12，分別為62.84 mm 和38.40 mm，與二階啟動位移試驗值Δa2的誤差分別為3.6%和4.7%。因此，式(5)對DADBJ 的二階啟動位移預(yù)測精度高，可用于確定SBRSP 的dg，調(diào)控DADBJ的二階啟動位移。

4 結(jié)論

本研究提出了一種雙階受力干式裝配梁-柱節(jié)點DADBJ，其關(guān)鍵組件是摩擦鉸 RFH 和預(yù)設(shè)縫防屈曲鋼板SBRSP。為了驗證DADBJ 構(gòu)造的合理性，揭示其雙階段受力工作機(jī)理，本研究設(shè)計加工了DADBJ 試件，以SBRSP 的預(yù)設(shè)縫隙寬度dg作為試驗變量，進(jìn)行了2 個工況的低周往復(fù)擬靜力試驗，主要結(jié)論如下：

(1) 本研究提出的DADBJ 構(gòu)造實現(xiàn)了預(yù)期的雙階段受力特性，第一階段由RFH 提供節(jié)點的力學(xué)性能，第二階段由RFH 和SBRSP 共同提供節(jié)點的力學(xué)性能。

(2) 驗證了DADBJ 的損傷集中和易修復(fù)特性。試驗中混凝土未發(fā)生損傷，通過更換SBRSP的芯板對節(jié)點快速修復(fù)后的性能等同于原始狀態(tài)。

(3) 提出并驗證了DADBJ 雙階屈服荷載的理論公式，試驗值與理論計算值的誤差不超過3%。

(4) 提出并驗證了DADBJ 二階啟動位移與dg關(guān)系的理論公式，該公式的理論計算值與試驗計算值的誤差較小。