新型減震梁柱節(jié)點及其框架結構抗震性能研究

田旭，王德斌，范國璽，王世鵬，張皓

(1.大連交通大 土木工程學院，遼寧 大連 116028；2.營口理工學院 機械與動力工程學院，遼寧 營口 115000；3.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；4.沈陽建筑大學 土木工程學院，遼寧 沈陽 110168)*

作為結構的關鍵受力構件，梁柱節(jié)點是結構在地震中最易損壞的結構部分，其抗震性能的加強極為重要.汶川地震表明，結構的許多柱頭和梁柱節(jié)點均出現(xiàn)了先于梁、柱構件破壞的現(xiàn)象，并伴隨有一定程度的脆性破壞，從而導致了結構的整體倒塌，并未滿足“強節(jié)點弱構件”的抗震要求.

有效提高節(jié)點的抗震能力成為結構抗震性能研究的關鍵問題，其中安裝節(jié)點型阻尼器則成為提高節(jié)點剛度、強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構的主體相連，這種阻尼器有兩個明顯的缺點，施工復雜且占用大量空間.目前國內外學者研發(fā)了多種不同類型和構造的新型阻尼器用于結構的關鍵承重部件，目的在于提高結構的整體延性及耗能能力,包括摩擦型阻尼器、金屬型阻尼器和復合型阻尼器.CHUNG等[1]提出了一種可減小結構變形和位移的摩擦阻尼器，該阻尼器主要應用于剪力墻連梁中.師驍?shù)萚2]為高層鋼結構設計了一種摩擦轉動阻尼器，特點是可以分離鋼連梁，當鋼連梁變形時帶動阻尼器的彈簧變形，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現(xiàn)耗能，同時，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、跨度等對其耗能能力和承載力的影響.周云等[6-10]提出了一種應用于梁柱節(jié)點的粘性阻尼器，該阻尼器由復合彈性體以及梁、柱連接板組成，結果表明，該阻尼器的力學性能主要取決于復合材料的力學性能.閆維明等[11]提出了一種新型的轉動式鉛剪切阻尼器，該阻尼器根據(jù)耗能需求增大結構節(jié)點的相對位移或轉角，使阻尼器的耗能能力得到充分發(fā)揮，轉動式鉛剪切阻尼器由鋼棒、旋轉板、固定板、蓋板、鋁、聯(lián)軸器和鉸鏈支架組成.

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

1 有限元建模及試驗結果驗證

根據(jù)范國璽等[12]人的試驗結果，本文選用文獻[12]中試件JM210作為模擬對象，節(jié)點梁、柱截面尺寸分別為250 mm×400 mm﹑350 mm×350mm.試件梁長2.6 m，柱高3.0 m，其截面尺寸及配筋如圖1所示.混凝土強度等級為C30，縱筋選用HRB335級鋼筋，箍筋選用HPB235級鋼筋，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行單調加載，邊界條件如圖2所示.

圖1 節(jié)點示意圖(單位mm)

表1 混凝土基本參數(shù)

表2 鋼筋基本參數(shù)

圖2 點加載制度

本文采用多尺度建模方法[13-14]，其中節(jié)點核心區(qū)混凝土采用實體單元C3D8R，該精細化區(qū)域節(jié)點上下柱長取為0.4 m，左右梁長取為0.35 m，本構模型采用塑性損傷本構模型.非線性梁單元中的鋼筋和混凝土材料采用方自虎等[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行為并應用于隱式計算，其本構模型見圖3、圖4，精細化節(jié)點區(qū)域鋼筋通過EMBEDED命令嵌入混凝土主區(qū)域.非線性梁單元部分采用等效面積的方法生成鋼筋梁單元，多尺度連接方式為非線性梁單元端點設立參考點，與精細化節(jié)點區(qū)域的重合面通過COUPLING連接，多尺度節(jié)點有限元模型見圖5.

圖3 鋼筋本構模型

圖4 混凝土本構模型

圖5 節(jié)點多尺度有限元模型

經(jīng)模擬得到的節(jié)點骨架曲線與試驗骨架曲線對比圖，如圖6所示.可見，基于多尺度建模計算得到的節(jié)點骨架曲線與試驗結果基本一致，能夠滿足節(jié)點計算精度要求.

圖6 試驗結果與數(shù)值模擬骨架曲線對比

2 軟鋼耗能梁柱節(jié)點設計

2.1 梁柱節(jié)點型阻尼器介紹

本文參考了李鋼等人的軟鋼阻尼器設計理念[16]，設計了兩種不同環(huán)向開孔厚度的新型減震節(jié)點型阻尼器.該節(jié)點型阻尼器由兩片平行設置在外部的外扇形副鋼板及設置在中部的內扇形主鋼板及內外扇形鋼板之間固定的低屈服點耗能曲板組成，耗能曲板設有圓形孔，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，中部主鋼板與外側副鋼板分別通過兩側端板與梁、柱內部縱筋焊接并嵌于梁柱內.材料取為低屈服點Q235鋼，彈性模量為2.0×105MPa，屈服強度為235 MPa.該新型減震節(jié)點型阻尼器具有成本低、制作簡單、施工方便等優(yōu)點，并能通過主板與副板的相互錯動，使曲面開孔耗能曲板發(fā)生屈服進行減震、耗能.

2.2 耗能梁柱節(jié)點抗震性能研究

本文新型減震節(jié)點型阻尼器兩側端板通過ABAQUS軟件INTERCTION模塊CONSTRAINT選項里的TIE綁定的連接方式模擬端板與縱筋的焊接.阻尼器采用實體單元C3D8R，單元尺寸取為0.015 m，將該節(jié)點型阻尼器應用于前述給出的梁柱節(jié)點.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位移荷載，最大位移取為50 mm.

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

圖8 梁柱節(jié)點荷載-位移曲線對比

表3 不同節(jié)點延性變化

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)點的延性及承載能力，避免了節(jié)點發(fā)生脆性破壞的可能性，并能提高了節(jié)點的耗能能力.

3 鋼筋混凝土平面框架結構抗震性能研究

3.1 框架結構設計

基于前述提出的新型減震節(jié)點型阻尼器，采用多尺度方法建立了三層三跨的平面框架結構，結構設計采用PKPM軟件，梁柱主筋用HRB335級鋼筋，箍筋用HPB235級鋼筋，凝土強度等級為C30，設計地震動分組為第一組，設計場地類別為Ⅱ類，結構尺寸及阻尼器設置位置見圖9(a)，圖9(b)和9(c)分別給出了結構的梁、柱配筋詳圖.為研究節(jié)點型阻尼器曲板環(huán)向開孔厚度對結構抗震性能的影響，并保證曲板開孔區(qū)域進入塑性屈服，相較于前文本節(jié)減小開孔厚度共建立四種平面框架結構模型，分別為不設節(jié)點型阻尼器及設置曲板環(huán)向開孔厚度為1、2和4 mm的三種節(jié)點型阻尼器，阻尼器與結構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)點型阻尼器框架結構，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的設有節(jié)點型阻尼器的框架結構.

(a)結構尺寸

3.2 地震響應計算結果分析

本文選用Taft波進行地震動輸入，地震加速度峰值取為罕遇地震動加速度峰值0.4g.四種工況下平面框架結構的頂點位移時程曲線對比情況見圖10.從圖10可以看出，設置節(jié)點型阻尼器的框架結構頂點位移明顯低于未設節(jié)點型阻尼器的框架結構，減震效果明顯.同時，從圖中可以看出，加速度峰值在0.4 g地震動作用下，曲板環(huán)向開孔厚度為1、2、4 mm的框架結構頂點位移分別降低53.8%、68.9%、70.4%.可見，節(jié)點型阻尼器不僅為框架結構提供了附加的側向剛度，而且增強了結構構件的耗能能力，進而有效降低了結構頂點位移.

圖10 頂點位移對比

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構和無控框架結構層間位移角在峰值加速度為0.4 g地震動作用時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.無控結構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的結構層間位移角最大值分別比無控結構的減小6.2%、25%和25%，可以看出，在罕遇地震作用下，設有節(jié)點型阻尼器的框架結構減震效果明顯.

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構的底部剪力時程曲線對比情況，從圖12可以看出，設置節(jié)點型阻尼器的框架結構底部剪力顯著低于未設節(jié)點型阻尼器的框架結構，同時通過曲線可以發(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構降低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)點及其框架結構的抗震性能，得出以下結論：

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

(2)將本文提出的新型節(jié)點阻尼器應用于平面框架結構，結構頂點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時減震效果最佳，頂點位移降低70.4%，層間位移角最大值降低25%，各開孔厚度條件下，結構底部剪力也有不同程度降低.