新型減震梁柱節(jié)點(diǎn)及其框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究

田旭，王德斌，范國(guó)璽，王世鵬，張皓

(1.大連交通大 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.營(yíng)口理工學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115000；3.中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；4.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)*

作為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件，梁柱節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)在地震中最易損壞的結(jié)構(gòu)部分，其抗震性能的加強(qiáng)極為重要.汶川地震表明，結(jié)構(gòu)的許多柱頭和梁柱節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)了先于梁、柱構(gòu)件破壞的現(xiàn)象，并伴隨有一定程度的脆性破壞，從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的整體倒塌，并未滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震要求.

有效提高節(jié)點(diǎn)的抗震能力成為結(jié)構(gòu)抗震性能研究的關(guān)鍵問題，其中安裝節(jié)點(diǎn)型阻尼器則成為提高節(jié)點(diǎn)剛度、強(qiáng)度和耗能能力的最有效方法之一.傳統(tǒng)的阻尼器均是通過支撐與結(jié)構(gòu)的主體相連，這種阻尼器有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)，施工復(fù)雜且占用大量空間.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了多種不同類型和構(gòu)造的新型阻尼器用于結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵承重部件，目的在于提高結(jié)構(gòu)的整體延性及耗能能力,包括摩擦型阻尼器、金屬型阻尼器和復(fù)合型阻尼器.CHUNG等[1]提出了一種可減小結(jié)構(gòu)變形和位移的摩擦阻尼器，該阻尼器主要應(yīng)用于剪力墻連梁中.師驍?shù)萚2]為高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼器，特點(diǎn)是可以分離鋼連梁，當(dāng)鋼連梁變形時(shí)帶動(dòng)阻尼器的彈簧變形，擠壓剎車片產(chǎn)生巨大的摩擦力，從而達(dá)到減震的效果.HOIKL等[3]提出了用于混凝土剪力墻的RBAL(Rotational Bolted Active Links)摩擦阻尼器，該阻尼器可應(yīng)用于偏心支撐框架，研究表明，該阻尼器連梁剪力墻的減震幅度大于帶剛性連梁的聯(lián)肢墻.陳子康等[4-5]提出了弧形鋼棒阻尼器，該阻尼器是通過彎曲和剪切滯回變形實(shí)現(xiàn)耗能，同時(shí)，該作者基于ABAQUS軟件通過有限元分析，研究了截面形狀、鋼棒數(shù)量，截面尺寸、跨度等對(duì)其耗能能力和承載力的影響.周云等[6-10]提出了一種應(yīng)用于梁柱節(jié)點(diǎn)的粘性阻尼器，該阻尼器由復(fù)合彈性體以及梁、柱連接板組成，結(jié)果表明，該阻尼器的力學(xué)性能主要取決于復(fù)合材料的力學(xué)性能.閆維明等[11]提出了一種新型的轉(zhuǎn)動(dòng)式鉛剪切阻尼器，該阻尼器根據(jù)耗能需求增大結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移或轉(zhuǎn)角，使阻尼器的耗能能力得到充分發(fā)揮，轉(zhuǎn)動(dòng)式鉛剪切阻尼器由鋼棒、旋轉(zhuǎn)板、固定板、蓋板、鋁、聯(lián)軸器和鉸鏈支架組成.

通過上述分析，本文基于低屈服點(diǎn)軟鋼材料的力學(xué)性能特點(diǎn)，提出了一種簡(jiǎn)單易于加工的新型減震節(jié)點(diǎn)型阻尼器，并基于ABAQUS有限元軟件采用多尺度建模方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)該新型減震節(jié)點(diǎn)型阻尼器梁柱節(jié)點(diǎn)及其平面框架結(jié)構(gòu)抗震性能的研究.

1 有限元建模及試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)范國(guó)璽等[12]人的試驗(yàn)結(jié)果，本文選用文獻(xiàn)[12]中試件JM210作為模擬對(duì)象，節(jié)點(diǎn)梁、柱截面尺寸分別為250 mm×400 mm﹑350 mm×350mm.試件梁長(zhǎng)2.6 m，柱高3.0 m，其截面尺寸及配筋如圖1所示.混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，縱筋選用HRB335級(jí)鋼筋，箍筋選用HPB235級(jí)鋼筋，混凝土和鋼筋材料參數(shù)見表1和表2.加載過程中，在柱頂端施加軸壓比為0.2的軸力，梁兩端采用位移控制的加載模式進(jìn)行單調(diào)加載，邊界條件如圖2所示.

圖1 節(jié)點(diǎn)示意圖(單位mm)

表1 混凝土基本參數(shù)

表2 鋼筋基本參數(shù)

圖2 點(diǎn)加載制度

本文采用多尺度建模方法[13-14]，其中節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土采用實(shí)體單元C3D8R，該精細(xì)化區(qū)域節(jié)點(diǎn)上下柱長(zhǎng)取為0.4 m，左右梁長(zhǎng)取為0.35 m，本構(gòu)模型采用塑性損傷本構(gòu)模型.非線性梁?jiǎn)卧械匿摻詈突炷敛牧喜捎梅阶曰⒌萚15]人開發(fā)的材料子程序，該子程序可有效模擬鋼筋和混凝土材料的非線性力學(xué)行為并應(yīng)用于隱式計(jì)算，其本構(gòu)模型見圖3、圖4，精細(xì)化節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋通過EMBEDED命令嵌入混凝土主區(qū)域.非線性梁?jiǎn)卧糠植捎玫刃娣e的方法生成鋼筋梁?jiǎn)卧喑叨冗B接方式為非線性梁?jiǎn)卧它c(diǎn)設(shè)立參考點(diǎn)，與精細(xì)化節(jié)點(diǎn)區(qū)域的重合面通過COUPLING連接，多尺度節(jié)點(diǎn)有限元模型見圖5.

圖3 鋼筋本構(gòu)模型

圖4 混凝土本構(gòu)模型

圖5 節(jié)點(diǎn)多尺度有限元模型

經(jīng)模擬得到的節(jié)點(diǎn)骨架曲線與試驗(yàn)骨架曲線對(duì)比圖，如圖6所示.可見，基于多尺度建模計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，能夠滿足節(jié)點(diǎn)計(jì)算精度要求.

圖6 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬骨架曲線對(duì)比

2 軟鋼耗能梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 梁柱節(jié)點(diǎn)型阻尼器介紹

本文參考了李鋼等人的軟鋼阻尼器設(shè)計(jì)理念[16]，設(shè)計(jì)了兩種不同環(huán)向開孔厚度的新型減震節(jié)點(diǎn)型阻尼器.該節(jié)點(diǎn)型阻尼器由兩片平行設(shè)置在外部的外扇形副鋼板及設(shè)置在中部的內(nèi)扇形主鋼板及內(nèi)外扇形鋼板之間固定的低屈服點(diǎn)耗能曲板組成，耗能曲板設(shè)有圓形孔，具體見圖7所示.

(a)阻尼器正面圖

本文耗能曲板環(huán)向開孔厚度分別取為10 mm和20 mm，中部主鋼板與外側(cè)副鋼板分別通過兩側(cè)端板與梁、柱內(nèi)部縱筋焊接并嵌于梁柱內(nèi).材料取為低屈服點(diǎn)Q235鋼，彈性模量為2.0×105MPa，屈服強(qiáng)度為235 MPa.該新型減震節(jié)點(diǎn)型阻尼器具有成本低、制作簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，并能通過主板與副板的相互錯(cuò)動(dòng)，使曲面開孔耗能曲板發(fā)生屈服進(jìn)行減震、耗能.

2.2 耗能梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

本文新型減震節(jié)點(diǎn)型阻尼器兩側(cè)端板通過ABAQUS軟件INTERCTION模塊CONSTRAINT選項(xiàng)里的TIE綁定的連接方式模擬端板與縱筋的焊接.阻尼器采用實(shí)體單元C3D8R，單元尺寸取為0.015 m，將該節(jié)點(diǎn)型阻尼器應(yīng)用于前述給出的梁柱節(jié)點(diǎn).加載過程中，軸壓比取為0.2，采用位移控制的加載模式在梁兩端施加單調(diào)位移荷載，最大位移取為50 mm.

經(jīng)模擬得到設(shè)有阻尼器和未設(shè)阻尼器的梁柱節(jié)點(diǎn)單調(diào)荷載-位移曲線，見圖8.可以看出，設(shè)有阻尼器的節(jié)點(diǎn)承載能力顯著提高，環(huán)向開孔厚度為10和20 mm的梁柱節(jié)點(diǎn)最大承載力分別提高8.3%和9.7%.兩種開孔厚度阻尼器對(duì)應(yīng)的梁柱節(jié)點(diǎn)初始剛度也均有提高，但相差不大；從節(jié)點(diǎn)延性進(jìn)行分析，可以看出設(shè)有節(jié)點(diǎn)型阻尼器的梁柱節(jié)點(diǎn)延性較原節(jié)點(diǎn)均有顯著提高，提高幅度分別為23.8%和33.3%，見表3.

圖8 梁柱節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線對(duì)比

表3 不同節(jié)點(diǎn)延性變化

通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)阻尼器在位移加載到50mm時(shí)曲面開孔鋼板均發(fā)生明顯屈服，且開孔部位屈服區(qū)域較為均勻，可見該阻尼器有效的提高了節(jié)點(diǎn)的延性及承載能力，避免了節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞的可能性，并能提高了節(jié)點(diǎn)的耗能能力.

3 鋼筋混凝土平面框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究

3.1 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于前述提出的新型減震節(jié)點(diǎn)型阻尼器，采用多尺度方法建立了三層三跨的平面框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用PKPM軟件，梁柱主筋用HRB335級(jí)鋼筋，箍筋用HPB235級(jí)鋼筋，凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，設(shè)計(jì)地震動(dòng)分組為第一組，設(shè)計(jì)場(chǎng)地類別為Ⅱ類，結(jié)構(gòu)尺寸及阻尼器設(shè)置位置見圖9(a)，圖9(b)和9(c)分別給出了結(jié)構(gòu)的梁、柱配筋詳圖.為研究節(jié)點(diǎn)型阻尼器曲板環(huán)向開孔厚度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，并保證曲板開孔區(qū)域進(jìn)入塑性屈服，相較于前文本節(jié)減小開孔厚度共建立四種平面框架結(jié)構(gòu)模型，分別為不設(shè)節(jié)點(diǎn)型阻尼器及設(shè)置曲板環(huán)向開孔厚度為1、2和4 mm的三種節(jié)點(diǎn)型阻尼器，阻尼器與結(jié)構(gòu)梁柱的連接方式同樣采用TIE綁定模擬阻尼器端板與梁柱鋼筋焊接.其中GKJ-1為無節(jié)點(diǎn)型阻尼器框架結(jié)構(gòu)，GKJ-2、GKJ-3和GKJ-4分別為曲板環(huán)向開孔厚度為1、2和4 mm的設(shè)有節(jié)點(diǎn)型阻尼器的框架結(jié)構(gòu).

(a)結(jié)構(gòu)尺寸

3.2 地震響應(yīng)計(jì)算結(jié)果分析

本文選用Taft波進(jìn)行地震動(dòng)輸入，地震加速度峰值取為罕遇地震動(dòng)加速度峰值0.4g.四種工況下平面框架結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線對(duì)比情況見圖10.從圖10可以看出，設(shè)置節(jié)點(diǎn)型阻尼器的框架結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移明顯低于未設(shè)節(jié)點(diǎn)型阻尼器的框架結(jié)構(gòu)，減震效果明顯.同時(shí)，從圖中可以看出，加速度峰值在0.4 g地震動(dòng)作用下，曲板環(huán)向開孔厚度為1、2、4 mm的框架結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移分別降低53.8%、68.9%、70.4%.可見，節(jié)點(diǎn)型阻尼器不僅為框架結(jié)構(gòu)提供了附加的側(cè)向剛度，而且增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耗能能力，進(jìn)而有效降低了結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移.

圖10 頂點(diǎn)位移對(duì)比

圖11分別為三種不同曲板環(huán)向開孔厚度的阻尼器框架結(jié)構(gòu)和無控框架結(jié)構(gòu)層間位移角在峰值加速度為0.4 g地震動(dòng)作用時(shí)隨樓層變化的層間位移角及其變化曲線，可以看出，層間位移角隨樓層的增加先增大后減小，且最大值均發(fā)生在第二樓層.無控結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值為0.000 64, 曲板環(huán)向開孔厚度為1、2、4 mm的結(jié)構(gòu)層間位移角最大值分別比無控結(jié)構(gòu)的減小6.2%、25%和25%，可以看出，在罕遇地震作用下，設(shè)有節(jié)點(diǎn)型阻尼器的框架結(jié)構(gòu)減震效果明顯.

圖11 層間位移角隨樓層變化曲線

圖12給出了四種工況下平面框架結(jié)構(gòu)的底部剪力時(shí)程曲線對(duì)比情況，從圖12可以看出，設(shè)置節(jié)點(diǎn)型阻尼器的框架結(jié)構(gòu)底部剪力顯著低于未設(shè)節(jié)點(diǎn)型阻尼器的框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過曲線可以發(fā)現(xiàn)，阻尼器曲板環(huán)向開孔厚度為1、2、4 mm的底部剪力最大值分別比無控結(jié)構(gòu)降低19.0%、33.8%、38.1%，底部剪力顯著降低.

圖12 底部剪力變化曲線

4 結(jié)論

本文基于ABAQUS有限元軟件，采用多尺度建模方法研究了新型減震梁柱節(jié)點(diǎn)及其框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，得出以下結(jié)論：

(1)基于多尺度建模方法對(duì)本文提出的新型減震梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，共設(shè)置兩種環(huán)向開孔厚度的節(jié)點(diǎn)阻尼器，結(jié)果表明,本文提出的新型節(jié)點(diǎn)型阻尼器能夠有效提高節(jié)點(diǎn)的承載能力及延性性能；

(2)將本文提出的新型節(jié)點(diǎn)阻尼器應(yīng)用于平面框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和層間位移角均顯著降低，曲板環(huán)向開孔厚度為4 mm時(shí)減震效果最佳，頂點(diǎn)位移降低70.4%，層間位移角最大值降低25%，各開孔厚度條件下，結(jié)構(gòu)底部剪力也有不同程度降低.