梁-柱節(jié)點抗連續(xù)倒塌性能研究進展

裴強, 程智

(1.大連大學(xué)建筑工程學(xué)院， 大連 116622； 2.西南交通大學(xué)希望學(xué)院土木工程學(xué)院， 成都 610400)

結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的發(fā)生是因為局部構(gòu)件在遭遇偶然荷載后，發(fā)生了破壞，隨后這種破壞就像多米洛骨牌一樣向周邊發(fā)展，造成了范圍更大、更廣的破壞[1-3]。這種更廣的破壞一旦發(fā)生就會對人員和財產(chǎn)造成不可估量的傷害，而且還會對社會造成一定的惡劣影響。

為防止建筑結(jié)構(gòu)在各種誘發(fā)連續(xù)倒塌因素造成破壞成為建筑結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計的最后一道防線?；诖说婪谰€，許多學(xué)者對建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌進行了研究，研究的主要內(nèi)容為建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌分析、倒塌機制、倒塌模式、倒塌設(shè)計以及倒塌性能評估等等[4-6]。

許多建筑結(jié)構(gòu)形式都會出現(xiàn)連續(xù)倒塌的問題，要想保持結(jié)構(gòu)的完整性就取決于梁柱節(jié)點產(chǎn)生大變形后的變形能力。梁柱節(jié)點是指梁柱構(gòu)件重疊的區(qū)域，也是梁柱交匯的節(jié)點區(qū)域，梁柱節(jié)點作為結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵性部位，不僅起著傳遞荷載的重要作用，還是決定結(jié)構(gòu)整體性的重要因素。

因此，中外許多學(xué)者針對梁柱節(jié)點開展了受力性能研究多集中，Meinheit等[7]考慮了諸多變量對梁柱節(jié)點抗剪切性能的影響，發(fā)現(xiàn)梁柱節(jié)點的極限抗剪能力與軸壓比的大小無關(guān)，但是軸壓比的大小對節(jié)點的開裂剪力有很大的影響。Soleimani等[8]對十字形梁柱節(jié)點進行了受力性能試驗研究，發(fā)現(xiàn)無論梁主筋在錨固有無的情況下都完全失效，而梁固定端的轉(zhuǎn)角在整個過程起著十分重要的作用，因為它是非彈性行為主要集中的位置，一旦梁主筋在節(jié)點完全失效，結(jié)構(gòu)的整體性也就隨之失效。與此同時，也有學(xué)者進行了節(jié)點抗彎性能的研究。Hakuto等[9]進行了配箍率對梁柱節(jié)點抗震性能的影響試驗研究，發(fā)現(xiàn)沒有配箍筋的梁柱節(jié)點在強震作用下的抗震性能很差，且抗剪強度也很小；隨后，又對節(jié)點進行了加固，并提出了采用外包技術(shù)來增強梁柱抗震性能的方案，但是此方案施工比較困難。Yang等[10]在研究結(jié)構(gòu)倒塌事故時，發(fā)現(xiàn)破壞通常始于受異常荷載作用的梁柱節(jié)點，特別是鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。劉世朋等[11]研究了梁柱節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度對鋼框架抗連續(xù)倒塌性能的影響。肖宇哲等[12]研究了梁、柱構(gòu)件在動力損傷和材料應(yīng)變率影響下的抗倒塌性能。

可見，梁-柱節(jié)點的受力性能已然成為結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌方向的研究熱點問題。為了進一步加強核電等重大工程結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌研究力度，提高此類工程結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能并改善其設(shè)計方法，圍繞這一熱點問題，對梁-柱節(jié)點抗連續(xù)倒塌的研究成果進行了歸納和總結(jié)，梳理出各種類型節(jié)點抗連續(xù)倒塌研究方法和進展；總結(jié)對比了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法，從抗連續(xù)倒塌機制、抗連續(xù)倒塌(破壞)模式及抗連續(xù)倒塌設(shè)計等方面回顧了梁柱節(jié)點破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的研究現(xiàn)狀；介紹了梁柱節(jié)點構(gòu)造形式及其各自抗連續(xù)倒塌性能特點，為改善和改進傳統(tǒng)節(jié)點設(shè)計以提高其抗連續(xù)倒塌性能提供參考；并結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究提升節(jié)點抗連續(xù)倒塌性能進行了初步方案設(shè)計，提出了新的抗連續(xù)倒塌節(jié)點設(shè)計模型。

1 結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌形式

在建筑結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌機制中，由于偶然荷載造成結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)位置不同，那么引起建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌形式也就不同，主要分為：一種為結(jié)構(gòu)的水平構(gòu)件在受到偶然荷載下產(chǎn)生了一定的變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件發(fā)生了失穩(wěn)或倒塌，隨后，因結(jié)構(gòu)水平方向上的剛度和強度不足， 使得結(jié)構(gòu)反復(fù)地傳遞荷載，最終就形成了多米諾骨牌式的水平連續(xù)倒塌(圖1)；另一種為由于結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件在受到外力作用下，造成了一定的剪切破壞后，進而導(dǎo)致了相鄰的梁板節(jié)點要承受反向的彎矩，繼而造成破壞。此時，建筑的上層結(jié)構(gòu)因失去了下部豎向構(gòu)件的支撐造成失穩(wěn)，從而對下層結(jié)構(gòu)造成一定的沖擊，而下層結(jié)構(gòu)處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，最終導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)在豎直方向的連續(xù)倒塌(圖2)。

圖片來源：百度圖片https://www.sohu.com/a/60896932_161791圖1 水平連續(xù)倒塌Fig.1 Horizontal progressive collapse

圖片來源：百度圖片https://bbs.co188.com/thread-9092175-1-1.html圖2 Ronan Point 公寓倒塌事故Fig.2 Ronan Point apartment collapse

2 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法

目前關(guān)于結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌分析的主要方法有：概念設(shè)計法、拉結(jié)強度設(shè)計法、拆除構(gòu)件法以及關(guān)鍵構(gòu)件法，具體如下[13]。

2.1 概念設(shè)計法

概念設(shè)計法[14]主要是從結(jié)構(gòu)的設(shè)計概念上出發(fā)，包括合理的結(jié)構(gòu)布置、合理的連接構(gòu)造、結(jié)構(gòu)的冗余度以及考慮結(jié)構(gòu)的反向荷載和構(gòu)件承受橫向荷載的能力等。

概念設(shè)計的優(yōu)點在于較為簡單，且在設(shè)計過程中沒有額外的工作量，因此在要求考慮抗連續(xù)倒塌能力的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該采用概念設(shè)計法。但是概念設(shè)計法也存在難以量化處理這樣的缺點，并且該方法很依賴設(shè)計人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗。

2.2 拉結(jié)強度設(shè)計法

拉結(jié)強度法[15]主要是針對完整的結(jié)構(gòu)，即已有的結(jié)構(gòu)，并通過構(gòu)件間的拉結(jié)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體性的增強以及多種傳荷路徑。拉結(jié)強度法根據(jù)位置的不同分為內(nèi)部拉結(jié)和周邊拉結(jié)，根據(jù)作用不同分為對外圍柱/墻和角柱的拉結(jié)和豎向拉結(jié)，如圖3[15]所示。

圖3 拉結(jié)示意圖[15]Fig.3 Rachel schematic[15]

2.3 拆除構(gòu)件法

拆除構(gòu)件法[16]是針對結(jié)構(gòu)整體發(fā)生局部破壞來進行受力性能分析，考慮剩余結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)進行設(shè)計。實則是為整體結(jié)構(gòu)提供有效的備用傳荷路徑，因此又被稱為替代路徑設(shè)計法。此方法能夠從結(jié)構(gòu)的體系角度對冗余傳荷路徑進行設(shè)計和檢驗，并且通過計算來定量的提高結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力。這種方法對已有建筑物提高抗連續(xù)倒塌能力有較好的實用價值。

《聯(lián)邦政府辦公樓以及大型現(xiàn)代建筑連續(xù)倒塌分析和設(shè)計指南》(GSA2003)中規(guī)定，對于典型結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)每層外圍的長邊中柱(墻)、短邊中柱(墻)以及角柱(墻)須拆分進行分析，如圖4[16]所示。

圖4 柱、墻拆除位置示意圖[16]Fig.4 Schematic diagram of column and wall removal[16]

2.4 關(guān)鍵構(gòu)件法

關(guān)鍵構(gòu)件法[17]是在結(jié)構(gòu)體系在發(fā)生破壞后，其結(jié)構(gòu)的剩余構(gòu)件無法實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)替代路徑的代價太大，從而針對發(fā)生破壞的構(gòu)件進行針對性設(shè)計與加強，以增加結(jié)構(gòu)體系的抗連續(xù)倒塌能力。各國規(guī)范中，關(guān)于抗連續(xù)倒塌的設(shè)計方法的論述各不相同，各側(cè)重點不同，如表1所示。

在試驗條件允許的前提下，一般最常用的是備用荷載路徑法[18]，即改變力的傳遞路徑。呂大剛等[19]采用備用荷載路徑方法對建筑結(jié)構(gòu)進行Pushover分析和對損傷結(jié)構(gòu)的極限承載能力進行評估，該分析中考慮了移除框架柱后的瞬間動力效應(yīng)。王景玄等[20]基于備用荷載路徑法，對鋼管混凝土空間框架柱失效后的剩余結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌機制進行了非線性動力分析。玄偉等[21]基于備用荷載路徑法，對中柱失效工況下的方鋼管混凝土柱-組合梁抗倒塌性能進行了抗力機制及抗倒塌性能的影響因素分析。

表1 各國規(guī)范中抗連續(xù)倒塌設(shè)計方法特點Table 1 Characteristics of design methods against progressive collapse in national codes

3 梁柱節(jié)點破壞導(dǎo)致的連續(xù)性倒塌研究現(xiàn)狀

3.1 抗連續(xù)倒塌機制

在現(xiàn)有的抗連續(xù)倒塌研究中，總結(jié)出抗連續(xù)倒塌機制一般分為梁機制、壓拱機制、懸鏈線機制和空腹機制。梁機制主要是指一種較好的結(jié)構(gòu)整體彎曲效應(yīng)，其一般發(fā)生在結(jié)構(gòu)的小變形階段。即中柱失效后，利用剛性節(jié)點的彎矩來抵抗外荷載的抗倒塌機制(圖5[22])。壓拱機制是伴隨梁機制的出現(xiàn)而出現(xiàn)，其需要兩側(cè)提供足夠的水平約束才能產(chǎn)生[22]。懸鏈線機制又稱懸索機制，發(fā)生在結(jié)構(gòu)的大變形階段，主要是指結(jié)構(gòu)中的梁構(gòu)件在遭遇大變形時，以自身的拉力來抵御外荷載的一種機制，懸索效應(yīng)是結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌的最后一道防線(圖6[22])?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的頂層依賴軸壓力和梁彎矩來抵御連續(xù)倒塌的機制稱為空腹機制。

圖5 框架抗連續(xù)倒塌梁機制[22]Fig.5 Frame beam progressive collapse resistance mechanism[22]

圖6 框架抗連續(xù)倒塌懸鏈線機制[22]Fig.6 Catenary mechanism of progressive collapse of frame structure[22]

喬惠云等[23]在研究多層框架結(jié)構(gòu)時，將其簡化成單層結(jié)構(gòu)，并且提出了關(guān)于梁機制和懸索機制抗力的計算方法，驗證了其正確性；后又分析了空腹機制對多層框架整體受力的影響。周育瀧等[24]基于樓蓋系統(tǒng)微觀受力機理的分析，對壓拱機制下的梁板子結(jié)構(gòu)進行了連續(xù)倒塌抗力分析。袁鑫杰等[25]對裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點連接在壓拱機制和懸鏈線機制下的抗連續(xù)倒塌性能進行了研究。杜軻等[26]對鋼筋混凝土(reinforce concrete，RC)框架結(jié)構(gòu)在拆除中柱后的抗連續(xù)倒塌能力進行了擬靜力加載試驗研究，得到純框架子結(jié)構(gòu)首先進入梁機制，隨后進入壓拱機制，最后進入懸鏈線機制來抵抗結(jié)構(gòu)的外來荷載。李易等[27-28]基于能量平衡原理，考慮了結(jié)構(gòu)在梁機制下連續(xù)倒塌過程中的非線性和動力效應(yīng)的影響，推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)在梁機制和懸索機制下子結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件抗連續(xù)倒塌非線性動力的抗力需求和線性靜力的抗力需求之間的關(guān)系。何慶鋒等[29]研究表明，鍵槽連接節(jié)點裝配式梁柱結(jié)構(gòu)倒塌性能時，外荷載作用下，節(jié)點在變形過程中能夠較好地形成梁機制、壓拱機制以及懸鏈線機制來提高結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。鄧小芳等[30]在研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁-柱子結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能試驗時，發(fā)現(xiàn)框架子結(jié)構(gòu)主要依靠鋼筋產(chǎn)生的懸鏈線機制來抗倒塌。高佳明等[31]研究表明，得到帶板混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力先后由梁拱-板壓膜機制、梁拱-板拉膜機制、梁懸索-板拉膜機制、板拉膜機制提供。丁陽等[32]通過分析鋼框架在節(jié)點影響下的抗連續(xù)倒塌性能時，發(fā)現(xiàn)鋼框架的主要抗連續(xù)倒塌效應(yīng)為懸索效應(yīng)和樓板薄膜力效應(yīng)。

3.2 抗連續(xù)倒塌(破壞)模式

建筑結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的破壞模式一般有梁端破壞和柱身破壞兩種，分別圖7、圖8所示。節(jié)點主要靠子結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性來避免脆性破壞，造成損失。

張富文等[33]分別對框架結(jié)構(gòu)的強梁弱柱型倒塌模式和強柱弱梁型倒塌模式進行了數(shù)值模擬研究和分析。楊明飛等[34]考慮建筑結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)構(gòu)件的雙重非線性和材料應(yīng)變失效的影響，在結(jié)構(gòu)動力特性的基礎(chǔ)上研究了高層鋼框架結(jié)構(gòu)在強震作用下的倒塌模式。程東輝等[35]研究了建筑結(jié)構(gòu)子結(jié)構(gòu)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板-柱的抗連續(xù)倒塌模式。

圖片來源：百度圖片https://www.sohu.com/a/240414709_278208圖7 梁端破壞Fig.7 Beam end failure

圖片來源：百度圖片https://www.sohu.com/a/155819900_739481圖8 柱身破壞Fig.8 Pillar failure

李玲等[36]通過擬靜力試驗對中柱失效下的圓鋼管柱外環(huán)板節(jié)點與方鋼管柱內(nèi)隔板節(jié)點進行了抗連續(xù)性倒塌工況下的破壞模式研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)點破壞模式可分為梁端連續(xù)性破壞、梁端間斷性破壞與柱身破壞三類，并用梁柱子結(jié)構(gòu)的豎向抗力來評估了梁柱節(jié)點的魯棒性。李國強等[37]對瞬時沖擊去柱后的平面鋼框架進行了抗連續(xù)倒塌模式研究。李爽等[38]在研究節(jié)點對框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能影響時，得到構(gòu)件的破壞模式以彎曲破壞為主，未發(fā)現(xiàn)剪切破壞。

3.3 抗連續(xù)倒塌設(shè)計(力學(xué)性能)

常用的建筑結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計方法包括局部加強法、拉結(jié)構(gòu)件法和拆除構(gòu)件法[39]。李國華等[40]對外伸端板鋼框架結(jié)構(gòu)的剛性節(jié)點和半剛性節(jié)點進行了節(jié)點剛度抗倒塌性能影響研究。孟寶等[41]通過中柱施加靜力荷載大變形試驗(局部加強法)，對受節(jié)點剛度影響的鋼框架梁柱子結(jié)構(gòu)進行了抗倒塌性能試驗研究。胡曉斌等[42]提出了增加冗余度、加強梁柱連接以及從截面承載力設(shè)計三個方面進行抗連續(xù)倒塌能力設(shè)計。王景玄等[43]分析了豎向中柱失效后(拆除構(gòu)件法)，考慮到鋼筋拉結(jié)作用對鋼管混凝土節(jié)點抗連續(xù)倒塌能力的影響。方有珍等[44]對T形件加強型節(jié)點新型部分外包混凝土組合柱(partially encased composite column，PEC)PEC 柱-鋼梁組合框架層間倒塌機理進行了試驗研究，表明了該節(jié)點滿足了“強節(jié)點”的抗震要求，具有較好的抗連續(xù)倒塌性能。史艷莉等[45]以中柱失效工況下的節(jié)點為研究對象，對圓鋼管混凝土柱-H鋼梁內(nèi)隔板式節(jié)點的抗連續(xù)倒塌機理進行了分析。王偉等[46-49]以隔板貫通式節(jié)點、內(nèi)隔板式剛性節(jié)點以及栓焊節(jié)點為研究對象，對其進行了抗連續(xù)倒塌能力分析，提出了改進型全螺栓連接和加固型栓焊連接的鋼框架梁柱剛性節(jié)點設(shè)計方法，并通過試驗和數(shù)值模擬驗證了改進節(jié)點的可行性。鄭龍等[50]對鋼管混凝土柱-鋼梁穿心螺栓外伸端板式節(jié)點進行了連續(xù)倒塌工況下的整體變形、破壞形態(tài)、節(jié)點抗力以及關(guān)鍵截面應(yīng)變發(fā)展以及節(jié)點的失效模式、節(jié)點核心區(qū)應(yīng)力及抗力機制分析。高山等[51]設(shè)計了一種鋼板加固的半剛性節(jié)點，對其進行了抗倒塌性能分析。易偉建等[52]對結(jié)構(gòu)不同位置節(jié)點的抗連續(xù)倒塌魯棒性指標(biāo)進行了研究。

4 梁柱節(jié)點構(gòu)造形式

4.1 梁柱節(jié)點體系

4.1.1 裝配式混凝土框架節(jié)點體系分類

典型的裝配式混凝土框架節(jié)點體系主要有預(yù)制疊合梁體系、預(yù)制預(yù)應(yīng)力體系、世構(gòu)體系(prefabricated prestressed assembled monolithic concrete frame structure，SCOPE)和鋼筋混凝土柱(reinforced concrete column) 和鋼梁(steelbeam) 組成的框架結(jié)構(gòu)體系, 簡稱RCS體系[53]。具體如下。

(1)預(yù)制疊合梁體系。預(yù)制疊合梁體系(圖9[53])主要是融合了現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和裝配式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和長處，利用預(yù)留的梁上后澆層將預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆構(gòu)件形成較好的整體結(jié)構(gòu)[54]。

(2)預(yù)制預(yù)應(yīng)力體系。1997年，預(yù)制預(yù)應(yīng)力抗震結(jié)構(gòu)體系(precast seismic structural system research program，PRESSS)中提出來一種節(jié)點體系(圖10[53])，該節(jié)點體系能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的延性和耗能性能[55]。

圖9 預(yù)制疊合梁體系[53]Fig.9 Prefabricated composite beam system[53]

圖10 預(yù)制預(yù)應(yīng)力體系[53]Fig.10 Precast prestressed system[53]

(3)世構(gòu)體系(SCOPE)。SCOPE體系(圖11[50])是法國的一種預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，其采用了先張拉技術(shù)，由預(yù)應(yīng)力疊合板、預(yù)制疊合板和預(yù)制柱構(gòu)成[53]。

(4)RCS框架體系。RCS框架體系(圖12[54])集鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點于一身，其自身由鋼梁和混凝土柱組成，主要形式有梁貫通式和柱貫通式[53-54]。

圖11 世構(gòu)體系[50]Fig.11 SCOPE[50]

圖12 RCS框架體系[54]Fig.12 RCS framework[54]

裝配式混凝土梁柱節(jié)點除上述4種典型的節(jié)點體系外，還有許多的新型節(jié)點連接形式，尤其是在混凝土結(jié)構(gòu)這一塊，大體可分為干連接節(jié)點、濕連接節(jié)點、預(yù)應(yīng)力連接節(jié)點以及半剛性連接節(jié)點[56-57]。

4.1.2 自復(fù)位梁柱節(jié)點

自復(fù)位節(jié)點是一種比較顯著的可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)，其能夠有效的控制構(gòu)件的殘余變形，而且在卸載后能夠部分恢復(fù)或全部恢復(fù)到加載前，從而減少結(jié)構(gòu)受到荷載后的修復(fù)。自復(fù)位節(jié)點成為近年來中外研究減小結(jié)構(gòu)殘余變形的熱點。王先鐵等[58]對一種楔形裝置的自復(fù)位方鋼管混凝土柱-鋼梁節(jié)點進行了低周往復(fù)荷載試驗研究，得到該節(jié)點具有良好的自復(fù)位性能和耗能能力。韓建平等[59]提出了一種無黏結(jié)后張預(yù)制鋼筋混凝土梁柱自復(fù)位節(jié)點，并通過有限元對其進行了數(shù)值分析，分析表明：該節(jié)點不但具有足夠的強度和剛度，還具有良好的自復(fù)位性能。馬俊峰等[60]提出了一種含暗牛腿的頂?shù)啄Σ梁哪茴A(yù)應(yīng)力裝配式自復(fù)位混凝土框架(friction damper self-centering prestressed concrete beam-column connection with hidden corbel，HCFD-SCPC)梁柱節(jié)點，并分析了該節(jié)點的工作機理和滯回性能。文聞等[61]提出了一種高強螺栓摩擦裝置的裝配式自復(fù)位框架梁柱節(jié)點(prefabricated self-centering frame beam-column connection，PSCC)。這種節(jié)點的特點是可以避免高層建筑施工時的現(xiàn)場高空張拉。并對PSCC的力學(xué)性能進行了試驗研究和數(shù)值模擬。李燦軍等[62]在梁柱節(jié)點中引入非石棉(non-asbestos organic material，NAO)摩擦耗能器和超彈性形狀記憶合金(shape memory alloys，SMA)桿，形成摩擦耗能型SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(NAO-SMA-SC)，可有效解決傳統(tǒng)梁柱節(jié)點震后殘余變形較大和耗能較低的問題。毛晨曦等[63]在柱—基礎(chǔ)節(jié)點及梁柱節(jié)點中，用價格低廉且同樣具有較好耗能能力的普通角鋼替代作為阻尼器，并開展了擬靜力試驗。劉哲峰等[64]對懸臂摩擦式自復(fù)位混凝土框架節(jié)點進行了低周反復(fù)加載試驗研究，并對該節(jié)點在往復(fù)荷載下的復(fù)位機制和耗能特性進行了分析，得到了鋼絞線和螺桿預(yù)應(yīng)力對節(jié)點力學(xué)性能的影響。潘振華等[65]對一種具有自復(fù)位能力的鋼框架節(jié)點的力學(xué)性能進行了研究，并通用有限元分析軟件分析了鋼框架邊節(jié)點在往復(fù)加載下該節(jié)點的自復(fù)位能力。張艷霞等[66]對4個裝配式自復(fù)位鋼框架梁柱節(jié)點進行了研究，并對擬靜力試驗進行了數(shù)值模擬分析，將分析結(jié)果與試驗結(jié)果及理論計算結(jié)果相對比。

4.2 新型節(jié)點設(shè)計

通過以上關(guān)于梁柱節(jié)點抗連續(xù)倒塌性能研究的歸納和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前研究的梁柱節(jié)點構(gòu)造雖有自己的特點，但也存在著一些缺陷。其中，一部分梁柱節(jié)點構(gòu)造的改變雖然提高了延性和耗能，但是不具有可修復(fù)性；另一部分梁柱節(jié)點構(gòu)造的變化雖然提高了結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌的能力，但同時其剛度和強度又降低了。綜上所述，可以設(shè)計一種節(jié)點構(gòu)造能夠滿足多方面受力性能，即強度、延性、可修復(fù)性。

從框架的梁-柱節(jié)點方向入手，設(shè)計了一種新型節(jié)點，不僅在強度和剛度方面滿足要求，而且該節(jié)點的變形能力和抵抗外來的偶然荷載的效果能力好。即使在遭遇突發(fā)的超設(shè)計基準(zhǔn)荷載作用下，節(jié)點也不會產(chǎn)生突然破壞而造成嚴(yán)重的人員和財產(chǎn)損失。而且節(jié)點在遭受小破壞后，也能夠及時的搶救和修復(fù)，讓結(jié)構(gòu)繼續(xù)正常工作狀態(tài)。

故針對普通框架邊節(jié)點力學(xué)性能薄弱的問題，提出了新型自復(fù)位框架邊節(jié)點，即在節(jié)點中加入新型材料形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)[67]，其構(gòu)造示意圖如圖13所示。新型自復(fù)位框架邊節(jié)點是由鋼板(固定作用)、SMA筋、普通鋼筋及混凝土構(gòu)成。自復(fù)位框架邊節(jié)點在遭遇偶然荷載的來臨時，利用SMA自身的超彈性和形狀記憶效應(yīng)給節(jié)點提供恢復(fù)性能，且該節(jié)點在充分發(fā)揮超彈性SMA自復(fù)位特性的同時，還具有耗能、構(gòu)造簡單以及易于替換等特點。

要想讓所設(shè)計的新型節(jié)點能夠滿足所期望的效果，還需考慮SMA筋與混凝土之間的接觸，以及內(nèi)置SMA筋后所造成的鋼筋擁擠等問題，以及能否找到一種性價比高的材料來代替SMA筋，這些還需大量的數(shù)值模擬進行研究和分析。通過有限元軟件來模擬新型的自復(fù)位梁柱節(jié)點在循環(huán)荷載下的滯回曲線、骨架曲線、延性、性能退化、耗能以及殘余變形情況進行分析，并和普通的梁柱節(jié)點進行受力性能對比，從而得到新型自復(fù)位梁柱節(jié)點的復(fù)位能力和可行性研究。

圖13 節(jié)點構(gòu)造Fig.13 Joint construction

5 結(jié)論與展望

當(dāng)前，學(xué)者們對梁、柱構(gòu)件性能有了充分的研究和認(rèn)識，這使得結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到了節(jié)點區(qū)域。因此，關(guān)于節(jié)點的研究具有重要的意義。結(jié)構(gòu)不發(fā)生連續(xù)倒塌的關(guān)鍵在于失效柱正上方梁柱節(jié)點不遭受到破壞，而且框架在遭受偶然荷載后的完整性取決于梁柱節(jié)點產(chǎn)生大變形后的變形能力。即梁柱節(jié)點的抗連續(xù)倒塌研究對倒塌相關(guān)規(guī)范的完善和設(shè)計指導(dǎo)具有重要的意義。得出如下結(jié)論。

(1)從梁柱節(jié)點抗連續(xù)倒塌的倒塌機制、破壞模式以及設(shè)計方法出發(fā)，大量地總結(jié)和分析了梁柱節(jié)點在抗連續(xù)倒塌領(lǐng)域的研究和現(xiàn)狀。結(jié)果表明，關(guān)于梁柱節(jié)點抗連續(xù)倒塌領(lǐng)域的研究一直是學(xué)者們研究的熱點，且研究的角度深刻、全面，且取得了諸多代表性的成果。

(2)在梁柱節(jié)點抗連續(xù)倒塌相關(guān)研究方面，知道懸鏈線機制是結(jié)構(gòu)抵抗連續(xù)倒塌的最后一道防線；并基于局部加強法和拆除構(gòu)件法的試驗與數(shù)值模擬研究都得到了統(tǒng)一的相對薄弱的梁柱節(jié)點，為后續(xù)的有關(guān)研究打下了堅實的基礎(chǔ)，也進一步推動了中國在加強薄弱梁柱節(jié)點的抗連續(xù)倒塌方面的研究。與此同時，中國在關(guān)于梁柱節(jié)點抗連續(xù)倒塌研究中還存在許多亟待探索和解決的工作，需進一步進行的研究方向包括：①明確梁-柱節(jié)點的破壞特征和魯棒性，在理解結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的基礎(chǔ)上優(yōu)化節(jié)點的連接構(gòu)造形式，并建立節(jié)點定量的計算和試驗設(shè)計；②研究該新型自復(fù)位梁柱節(jié)點的受力性能和抗倒塌性能，并提出該新型節(jié)點結(jié)構(gòu)在偶然荷載設(shè)計作用下的動力反應(yīng)分析及相應(yīng)設(shè)計方法；③進一步研究出節(jié)點的最優(yōu)連接形式，包括合理的破壞位置和優(yōu)化的連接方式等；④在總結(jié)和分析以往有關(guān)梁柱節(jié)點抗連續(xù)倒塌研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并建立出更全面的節(jié)點抗連續(xù)倒塌理論。