自復(fù)位支撐鋼框架摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)性能研究

摘要： 自復(fù)位支撐在激活后具有較大的剛度和承載力，支撐連接節(jié)點(diǎn)及梁柱受力復(fù)雜，損傷風(fēng)險(xiǎn)高。提出了一種基于摩擦連接的自復(fù)位支撐鋼框架裝配式節(jié)點(diǎn)，利用摩擦滑移連接實(shí)現(xiàn)自復(fù)位支撐極限軸力可控，并為整體結(jié)構(gòu)提供附加耗能。闡述了該摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造、組裝和工作原理，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)其抗震性能進(jìn)行研究，并分析了該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其性能的影響。結(jié)果表明：采用該節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位支撐鋼框架滯回響應(yīng)更為飽滿，整體結(jié)構(gòu)耗能能力提升了20.81%，節(jié)點(diǎn)對(duì)總水平剪力的實(shí)際限制作用達(dá)17.56%，有效減緩了節(jié)點(diǎn)區(qū)塑性發(fā)展。通過(guò)改變支撐連接節(jié)點(diǎn)的摩擦片摩擦系數(shù)和高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力，能夠?qū)崿F(xiàn)起滑位移與起滑力可調(diào)。

關(guān)鍵詞： 抗震性能； 自復(fù)位支撐連接節(jié)點(diǎn)； 預(yù)制裝配； 摩擦耗能； 滯回響應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TU352.11""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A""" 文章編號(hào)： 1004-4523（2024）07-1239-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2024.07.016

收稿日期： 2022-08-29； 修訂日期： 2022-11-14

基金項(xiàng)目："北京建筑大學(xué)大型多功能振動(dòng)臺(tái)陣實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目（2021MFSTL08）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52078036）；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2022M710340）。

引 言

近年來(lái)，自復(fù)位支撐因具有良好的耗能能力和復(fù)位能力，在罕遇地震下能充分發(fā)揮其優(yōu)越的抗震性能，成為可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)［1］的研究熱點(diǎn)。學(xué)者們提出了多種不同類(lèi)型的自復(fù)位支撐，Erochko等［2?3］提出一種由摩擦裝置耗能、預(yù)應(yīng)力筋提供復(fù)位能力的自復(fù)位摩擦耗能支撐；Zhu等［4?5］設(shè)計(jì)了由形狀記憶合金提供復(fù)位能力的自復(fù)位支撐；Miller等［6?7］提出了一種設(shè)有超彈性形狀記憶合金桿的自復(fù)位防屈曲支撐；徐龍河等［8?10］研制了通過(guò)預(yù)壓碟形彈簧提供復(fù)位能力的自復(fù)位支撐，還提出了一種采用磁流體消耗地震輸入能量的自復(fù)位變阻尼耗能支撐［11］。自復(fù)位支撐獨(dú)特的旗形滯回響應(yīng)能夠在充分消耗地震輸入能量的基礎(chǔ)上提供較大的抗側(cè)與承載能力，有效減小甚至消除震后殘余變形。

在自復(fù)位支撐結(jié)構(gòu)體系中，節(jié)點(diǎn)往往是連接構(gòu)件最多的區(qū)域。一旦節(jié)點(diǎn)先于其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)隨之降低，結(jié)構(gòu)中其他構(gòu)件受力將迅速增大甚至超過(guò)其極限承載能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷程度大大加深。因此，支撐連接節(jié)點(diǎn)的性能對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗震性能的正常發(fā)揮至關(guān)重要。大量研究表明［12?14］，支撐連接節(jié)點(diǎn)域和附近梁柱受力復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)性能受諸多因素影響，因此部分學(xué)者開(kāi)始研制適用于新型支撐的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。陳云等［15］提出了一種通過(guò)梁端轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦耗能來(lái)控制節(jié)點(diǎn)損傷的裝配式梁柱轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力和穩(wěn)定的承載力。侯和濤等［16］提出了由混凝土柱內(nèi)預(yù)埋鋼梁、混凝土梁端預(yù)埋鋼板和連接板組成的干式柔性節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)在柱側(cè)伸出一段外伸鋼梁與防屈曲支撐連接。分析結(jié)果表明，這種干式柔性節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的變形能力，可避免框架柱在除底層柱腳之外的部位出現(xiàn)塑性鉸。趙俊賢等［17］提出了基于滑移連接的防屈曲支撐鋼框架節(jié)點(diǎn)，即利用低摩擦材料釋放節(jié)點(diǎn)與梁柱翼緣之間的切向約束，可顯著削弱防屈曲支撐連接節(jié)點(diǎn)與子框架之間的切向相互作用，并提升防屈曲支撐鋼框架的延性。

相較于普通鋼支撐和防屈曲支撐，自復(fù)位支撐在激活后具有更大的剛度和承載力，這導(dǎo)致與其相連的節(jié)點(diǎn)板以及包含附近梁柱在內(nèi)的節(jié)點(diǎn)域受力更大，損傷風(fēng)險(xiǎn)更高。在地震作用下若支撐連接節(jié)點(diǎn)先于自復(fù)位支撐發(fā)生破壞，將導(dǎo)致自復(fù)位支撐因失去與主體結(jié)構(gòu)的可靠連接而提前退出工作，不能充分發(fā)揮其良好的抗震性能，從安全和經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看極為不利。

為此，提出一種基于摩擦連接的自復(fù)位支撐裝配式節(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)），建立自復(fù)位支撐?連接節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)數(shù)值模型，對(duì)其滯回響應(yīng)、耗能能力、復(fù)位能力、節(jié)點(diǎn)區(qū)受力特性及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)性能的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

1 摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)

1.1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及組裝方式

摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)包含節(jié)點(diǎn)板、連接耳板、連接法蘭、高強(qiáng)螺栓和摩擦片等組件。節(jié)點(diǎn)板數(shù)目根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)需求靈活選取。以帶有3個(gè)節(jié)點(diǎn)板的摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)為例，其構(gòu)造如圖1所示。節(jié)點(diǎn)板中心區(qū)域開(kāi)有數(shù)道長(zhǎng)槽孔；連接耳板呈“T型”，長(zhǎng)邊方向開(kāi)高強(qiáng)螺栓孔，并在其與節(jié)點(diǎn)板的接觸面上嵌入摩擦片；連接法蘭通過(guò)螺栓與連接耳板和自復(fù)位支撐相連。摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)通過(guò)摩擦滑移連接，為結(jié)構(gòu)附加耗能能力，在自復(fù)位支撐因屈服破壞而退出工作前實(shí)現(xiàn)支撐最大軸力可控，避免結(jié)構(gòu)變形較大時(shí)自復(fù)位支撐向連接節(jié)點(diǎn)和主體結(jié)構(gòu)傳遞過(guò)大的荷載，滿足結(jié)構(gòu)“大震可修、巨震不倒”的高性能需求。

摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的具體組裝方式為：在外連接耳板和內(nèi)連接耳板的方形槽內(nèi)嵌入摩擦片，將節(jié)點(diǎn)板夾在一對(duì)內(nèi)外連接耳板的長(zhǎng)邊之間，使內(nèi)外連接耳板的開(kāi)孔位置和節(jié)點(diǎn)板的長(zhǎng)槽孔位置形心對(duì)齊；利用高強(qiáng)螺栓依次連接“外連接耳板?節(jié)點(diǎn)板?內(nèi)連接耳板?節(jié)點(diǎn)板?內(nèi)連接耳板?節(jié)點(diǎn)板?外連接耳板”，采用扭矩扳手對(duì)高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力；內(nèi)外連接耳板的短邊與連接法蘭螺栓連接。至此，整個(gè)摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)組裝完畢。

在建筑結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)板通過(guò)焊縫或螺栓的方式與框架梁和框架柱相連，自復(fù)位支撐通過(guò)銷(xiāo)栓與連接法蘭相連。摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，裝配化程度高，其本身由多個(gè)裝配體組裝而成，各裝配體可同時(shí)加工，并運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體組裝，可提高生產(chǎn)和建造效率。

1.2 工作原理

自復(fù)位支撐由提供耗能能力的耗能裝置和提供復(fù)位能力的復(fù)位裝置并聯(lián)組成。耗能裝置通過(guò)摩擦或金屬屈服實(shí)現(xiàn)耗能，復(fù)位裝置則采用預(yù)應(yīng)力筋、形狀記憶合金或碟形彈簧提供復(fù)位力。本文采用由預(yù)壓碟簧提供復(fù)位能力的自復(fù)位支撐［18］，其構(gòu)造如圖2所示。

自復(fù)位支撐的耗能裝置和復(fù)位裝置的并聯(lián)工作使自復(fù)位支撐的滯回響應(yīng)曲線呈現(xiàn)旗形，如圖3所示，圖中μ0為自復(fù)位支撐的激活位移。當(dāng)受力較小時(shí)，自復(fù)位支撐的剛度由傳力系統(tǒng)、復(fù)位裝置和耗能裝置共同提供，稱為第一剛度k1。當(dāng)自復(fù)位支撐軸力達(dá)到復(fù)位裝置預(yù)壓力P0與耗能裝置阻尼力T0之和（即自復(fù)位支撐激活力F0）時(shí)，傳力系統(tǒng)開(kāi)始產(chǎn)生相對(duì)位移并激活復(fù)位裝置與耗能裝置，支撐剛度減小為第二剛度k2。卸載時(shí)，復(fù)位裝置提供復(fù)位力帶動(dòng)自復(fù)位支撐回到初始位置，殘余變形為零。

摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)在受拉和受壓時(shí)具有相同的工作狀態(tài)，為便于說(shuō)明，以對(duì)摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)施加正向（受拉）位移荷載為例進(jìn)行描述。在正常使用階段，高強(qiáng)螺栓為摩擦片提供法向預(yù)壓力，進(jìn)而產(chǎn)生靜摩擦力。自復(fù)位支撐在激活后，軸力逐漸增大，但此時(shí)仍未超過(guò)摩擦片的最大靜摩擦力，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)作為一整體受力。當(dāng)自復(fù)位支撐軸力超過(guò)摩擦片的最大靜摩擦力后，摩擦片起滑，即節(jié)點(diǎn)板和內(nèi)外連接耳板發(fā)生相對(duì)滑移，高強(qiáng)螺栓沿節(jié)點(diǎn)板的長(zhǎng)槽孔滑動(dòng)，摩擦片開(kāi)始耗能，此時(shí)自復(fù)位支撐軸力及其傳遞到梁柱節(jié)點(diǎn)域的荷載保持不變。當(dāng)自復(fù)位支撐軸力開(kāi)始卸載至小于摩擦片的最大靜摩擦力時(shí)，摩擦片間不再發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)板和內(nèi)外連接耳板恢復(fù)相對(duì)靜止，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)再次維持整體受力狀態(tài)。

因此，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)與自復(fù)位支撐組成系統(tǒng)的拉壓對(duì)稱協(xié)同工作可分為5個(gè)階段，其理論滯回響應(yīng)曲線如圖4所示。圖4中，μac為摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的起滑位移；μmax為摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的極限位移，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)抗震需求確定；Fac為摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的起滑力。

以該系統(tǒng)受拉工作為例，當(dāng)摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)中摩擦片間未出現(xiàn)相對(duì)位移時(shí)，系統(tǒng)滯回響應(yīng)與自復(fù)位支撐本身的滯回響應(yīng)相同，即在自復(fù)位支撐激活前，系統(tǒng)整體剛度近似為支撐第一剛度k1，隨著荷載的增加，自復(fù)位支撐激活，系統(tǒng)整體剛度轉(zhuǎn)變?yōu)橹蔚诙偠萲2。當(dāng)自復(fù)位支撐軸力達(dá)到摩擦片的最大靜摩擦力后，摩擦片間出現(xiàn)滑移，自復(fù)位支撐軸向力不再增大，而摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)本身的位移持續(xù)增加，此時(shí)系統(tǒng)整體剛度為0。當(dāng)系統(tǒng)位移達(dá)到最大值并開(kāi)始減小時(shí)，自復(fù)位支撐開(kāi)始卸載，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)中的摩擦力反向，但摩擦片間未出現(xiàn)相對(duì)位移，此時(shí)系統(tǒng)整體剛度近似為支撐第一剛度k1。在自復(fù)位支撐內(nèi)外管間相對(duì)位移逐漸減小至0的過(guò)程中，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)中的摩擦片始終未起滑，系統(tǒng)整體剛度為支撐第二剛度k2。當(dāng)水平力減小至0并開(kāi)始反向增大后，系統(tǒng)進(jìn)入受壓工作階段。

2 支撐?節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)數(shù)值模型

2.1 原型結(jié)構(gòu)及本構(gòu)關(guān)系

為研究摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的抗震性能，基于通用有限元軟件ABAQUS分別建立自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)和自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的數(shù)值模型，如圖5所示。原型結(jié)構(gòu)為一單層單跨自復(fù)位支撐鋼框架，層高4 m，柱間距6 m；梁截面為HW250 mm×200 mm×6 mm×12 mm，柱截面為HM400 mm×300 mm×10 mm×16 mm；單斜桿式自復(fù)位支撐第一剛度k1=260 kN/mm，第二剛度k2=16 kN/mm；激活位移μ0=3.7 mm；預(yù)壓力P0與阻尼力T0相等，為481 kN，構(gòu)件具體尺寸見(jiàn)文獻(xiàn)［18］。

模型中，采用桁架單元T3D2與設(shè)置在其兩端的軸向連接器疊加模擬自復(fù)位支撐。其中，桁架單元呈理想彈塑性響應(yīng)，其拐點(diǎn)力等于自復(fù)位支撐阻尼力；軸向連接器呈雙線性響應(yīng)，其拐點(diǎn)力等于自復(fù)位支撐預(yù)壓力。二者疊加后即可在數(shù)值模型中表現(xiàn)出與自復(fù)位支撐一致的旗形滯回響應(yīng)。

其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用Q355B鋼，采用實(shí)體單元C3D8R和雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型模擬。鋼材初始彈性模量E0=206 GPa，屈服后切線模量Et=0.03E0，泊松比ν=0.30。摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)中僅設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)板，初始高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力為450 kN，選用12.9級(jí)M30高強(qiáng)螺栓，極限滑移行程對(duì)應(yīng)3%的層間位移角。

2.2 加載方式與接觸關(guān)系

自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)基于四水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)設(shè)計(jì)，即“小震及中震不壞，大震可更換、可修復(fù)，巨震不倒塌”，具有比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更好的抗震性能［1］。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）［19］和可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究［20］，在四水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)下，大震作用下的結(jié)構(gòu)層間位移角限值取1/75，巨震作用下的結(jié)構(gòu)層間位移角限值取2%。設(shè)計(jì)合理的摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑位移對(duì)應(yīng)1.4%的結(jié)構(gòu)層間位移角。在大震作用下，自復(fù)位支撐充分發(fā)揮其復(fù)位能力和耗能能力，而摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)不起滑，實(shí)現(xiàn)“大震可更換、可修復(fù)”的抗震設(shè)防目標(biāo)；在巨震作用下，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑，耗散地震能量，實(shí)現(xiàn)“巨震不倒塌”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

為對(duì)比自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)和自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的滯回性能，分別對(duì)其施加低周往復(fù)荷載，采用多級(jí)位移控制加載，各級(jí)加載幅值分別對(duì)應(yīng)層間位移角1/1000，1/750，1/500，1/250，1/200，1/100，3/200，1/50，每級(jí)加載循環(huán)2次，加載制度如圖6所示。在研究設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的影響時(shí)，施加對(duì)應(yīng)±4%層間位移角的單調(diào)荷載，以研究摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限滑移行程后整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。

框架梁柱間與框架柱底均為固接，自復(fù)位支撐兩端均為鉸接。摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)中的節(jié)點(diǎn)板固結(jié)于框架梁和框架柱，并與連接耳板之間設(shè)置摩擦接觸，摩擦系數(shù)取為0.2；連接耳板的“短邊”部分固結(jié)于連接法蘭；高強(qiáng)螺栓的螺桿側(cè)面與摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)中的節(jié)點(diǎn)板的長(zhǎng)槽孔、連接耳板的開(kāi)孔處設(shè)置硬接觸。普通節(jié)點(diǎn)板直接固結(jié)于框架梁柱上。

3 不同連接節(jié)點(diǎn)性能對(duì)比分析

3.1 支撐?節(jié)點(diǎn)?框架整體性能

3.1.1 能力曲線

圖7為自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)和自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的能力曲線。對(duì)于設(shè)計(jì)合理的自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)，隨著自復(fù)位支撐的激活，其耗能能力和復(fù)位能力被充分發(fā)揮；當(dāng)荷載逐漸增加，自復(fù)位支撐軸力達(dá)到預(yù)設(shè)限值時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑開(kāi)始工作，使自復(fù)位支撐軸力保持在這一限值，避免軸力持續(xù)增加，二者共同耗散地震能量；摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限滑移行程后結(jié)束滑移，自復(fù)位支撐軸力再次增加，隨后自復(fù)位支撐破壞失效，最終以結(jié)構(gòu)柱底形成塑性鉸宣告結(jié)構(gòu)失效。

3.1.2 滯回特性

圖8為低周往復(fù)荷載下分別采用普通節(jié)點(diǎn)和摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位支撐滯回響應(yīng)曲線。對(duì)于自復(fù)位支撐本身，無(wú)論采用何種節(jié)點(diǎn)，相同變形量下的滯回環(huán)飽滿且相似，殘余位移都極小，均具有良好的耗能能力和復(fù)位能力。在摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)滑移期間，自復(fù)位支撐變形、軸力不變，其滯回響應(yīng)始終處于圖8中最左側(cè)頂點(diǎn)（支撐受拉時(shí)）或最右側(cè)頂點(diǎn)（支撐受壓時(shí)）。在層間位移角達(dá)到2%時(shí)，相比采用普通節(jié)點(diǎn)，采用摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位支撐變形量由61.0 mm減小至33.8 mm，減少了44.59%；對(duì)應(yīng)的支撐軸力由1881.7 kN減小至1442.4 kN，減少了23.35%；支撐的殘余變形均為3.7 mm。在結(jié)構(gòu)承受相同的側(cè)向位移荷載時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)不影響自復(fù)位支撐正常發(fā)揮自身優(yōu)良的耗能能力和復(fù)位能力，通過(guò)節(jié)點(diǎn)滑移限制自復(fù)位支撐的變形量和最大軸力，與自復(fù)位支撐共同耗散地震能量，提高自復(fù)位支撐安全富余量或降低自復(fù)位支撐的設(shè)計(jì)需求。

圖9為低周往復(fù)荷載下自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)和自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的滯回響應(yīng)曲線。

自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的滯回響應(yīng)曲線與自復(fù)位支撐自身的滯回響應(yīng)曲線相似，呈旗形，受拉和受壓時(shí)均分為4個(gè)階段。在加載初期，結(jié)構(gòu)處于彈性階段；當(dāng)位移荷載逐漸增大時(shí)，自復(fù)位支撐激活，結(jié)構(gòu)整體剛度發(fā)生顯著變化；當(dāng)位移荷載開(kāi)始減小后，結(jié)構(gòu)剛度具有明顯的兩階段；當(dāng)位移荷載完全卸載后殘余位移較小。自復(fù)位支撐鋼框架結(jié)構(gòu)具有良好的復(fù)位能力和耗能能力。

自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的滯回響應(yīng)在位移荷載較小時(shí)與前者基本相同。隨著位移荷載的繼續(xù)增加，當(dāng)層間位移角達(dá)到1.4%時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑，自復(fù)位支撐軸力保持不變，結(jié)構(gòu)耗能主要由節(jié)點(diǎn)中的摩擦片提供；位移荷載達(dá)到極限后開(kāi)始減小時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)停止滑移，節(jié)點(diǎn)板和連接耳板保持相對(duì)靜止，此時(shí)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的兩階段卸載過(guò)程。由于摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)此時(shí)并未處于其初始位置，自復(fù)位支撐在結(jié)構(gòu)卸載途中會(huì)提前開(kāi)始反向加載，滯回響應(yīng)再次出現(xiàn)兩階段加載過(guò)程。在隨后的加載過(guò)程中，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)反向起滑，自復(fù)位支撐軸力再次保持不變。在施加低周往復(fù)荷載過(guò)程中，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)始終處于正常工作階段，未達(dá)到極限滑移行程。

3.1.3 耗能能力

圖10為各級(jí)位移荷載下自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)和自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的滯回耗能均值。位移荷載較小時(shí)，由于摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)未起滑，兩類(lèi)系統(tǒng)的滯回響應(yīng)基本相同，耗能能力由自復(fù)位支撐提供，耗能均值相等。當(dāng)層間位移角超過(guò)1.4%后，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑，耗散更多的能量。當(dāng)層間位移角達(dá)到1.5%和2%時(shí)，自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)比自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)分別多耗散7.71%和38.53%的能量。在整個(gè)施加低周往復(fù)荷載的過(guò)程中，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)使整體結(jié)構(gòu)耗能能力提升了20.81%。摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)在為自復(fù)位支撐與鋼框架之間提供可靠連接的同時(shí)，顯著增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的耗能能力，進(jìn)而提高其在遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)的抗震性能。

對(duì)數(shù)值模型施加對(duì)應(yīng)層間位移角為4%的單調(diào)荷載，以分析摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)超過(guò)極限滑移行程后的耗能能力與普通節(jié)點(diǎn)的差異。表1為自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)和自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)摩擦耗能、自復(fù)位支撐耗能和鋼框架中鋼材塑性耗能。在正常工作階段，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)使結(jié)構(gòu)在相同的位移荷載下的塑性耗能明顯減少，總耗能由于摩擦片的貢獻(xiàn)顯著增加。當(dāng)層間位移角未達(dá)到3%時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)正常工作，依靠摩擦滑移耗散大部分外界輸入的能量，節(jié)點(diǎn)板與附近梁柱基本保持彈性，整體結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展受到限制。當(dāng)位移荷載超過(guò)3%后，高強(qiáng)螺栓抵住節(jié)點(diǎn)板的長(zhǎng)槽孔，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限滑移行程，停止摩擦耗能。隨著位移荷載繼續(xù)增加，整體結(jié)構(gòu)的塑性損傷持續(xù)增加，塑性耗能逐漸增大并超過(guò)先前累積的摩擦耗能。

3.1.4 總水平剪力

圖11為各級(jí)位移荷載下自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)和自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的總水平剪力峰值。當(dāng)層間位移角小于1.4%時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)未起滑，二者的總水平剪力峰值基本相同；當(dāng)層間位移角達(dá)到1.4%后，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑，節(jié)點(diǎn)板和連接耳板發(fā)生相對(duì)位移，限制自復(fù)位支撐軸力進(jìn)一步增加。當(dāng)層間位移角達(dá)到1.5%時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)使整個(gè)結(jié)構(gòu)在受拉和受壓時(shí)的總水平剪力峰值分別減少2.72%和1.32%；當(dāng)層間位移角達(dá)到2%時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)使整個(gè)結(jié)構(gòu)在受拉和受壓時(shí)的總水平剪力峰值分別減少10.59%和9.89%。

在自復(fù)位支撐激活前，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)未起滑，尚未限制整體結(jié)構(gòu)總水平剪力的發(fā)展。由于自復(fù)位支撐第二剛度顯著小于第一剛度，且摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)在自復(fù)位支撐激活后才會(huì)起滑，因此摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑時(shí)自復(fù)位支撐軸力較自復(fù)位支撐激活力并未顯著增大，此時(shí)整體結(jié)構(gòu)的總水平剪力無(wú)明顯增加。僅根據(jù)總水平剪力峰值的減小程度，不能全面反映摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)水平剪力的限制作用，故定義系數(shù)δ以更加準(zhǔn)確地反映自復(fù)位支撐激活后摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)總水平剪力的實(shí)際限制作用。系數(shù)δ表示為：

（1）

式中 Fn為采用普通節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)總水平剪力；Fm為采用摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)總水平剪力；F1為自復(fù)位支撐達(dá)到激活力F0時(shí)整體結(jié)構(gòu)總水平剪力。δ越大，表明摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)總水平剪力的實(shí)際限制作用越強(qiáng)。

當(dāng)層間位移角達(dá)到1.5%時(shí)，系數(shù)δ在受拉和受壓時(shí)分別為4.89%和2.44%；當(dāng)層間位移角達(dá)到2%時(shí)，系數(shù)δ在受拉和受壓時(shí)分別為17.56%和16.75%。隨著位移荷載的增加，系數(shù)δ逐漸增大，表明在保持正常工作的前提下，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的總水平剪力的限制作用愈加明顯，可為結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件提供更強(qiáng)的保護(hù)。

3.1.5 復(fù)位能力

摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)和自復(fù)位支撐協(xié)同工作，在不同情況下充分發(fā)揮各自的優(yōu)良性能。在較小的位移荷載下，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)未起滑，整個(gè)結(jié)構(gòu)依靠自復(fù)位支撐具有極好的復(fù)位能力；在較大的位移荷載下，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑后，由于節(jié)點(diǎn)自身不具有復(fù)位能力且在滑移后有一定的滑移位移，即使自復(fù)位支撐自身仍具有極好的復(fù)位能力，但整體結(jié)構(gòu)的復(fù)位能力會(huì)出現(xiàn)一定程度的削弱。

由圖9可知，當(dāng)層間位移角小于1.4%時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)未起滑，自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的復(fù)位能力與自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的一致。當(dāng)施加對(duì)應(yīng)1.5%和2%層間位移角的位移荷載時(shí)，自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的殘余位移分別為12 mm和30.4 mm，較自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的殘余位移僅分別增加2.4 mm和9.6 mm；殘余變形角分別為0.3%和0.76%。摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)在小、中、大震下并未削弱結(jié)構(gòu)的復(fù)位性能，而在巨震下，結(jié)構(gòu)不追求完全復(fù)位，耗能能力顯著提高，總水平剪力減小，塑性損傷大幅減少，有效確保了結(jié)構(gòu)安全不倒塌。

3.2 節(jié)點(diǎn)區(qū)受力特性

支撐連接節(jié)點(diǎn)在自復(fù)位支撐與鋼框架之間傳遞荷載，節(jié)點(diǎn)區(qū)塑性發(fā)展情況對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗震性能至關(guān)重要。等效塑性應(yīng)變是構(gòu)件在承受荷載發(fā)生變形直至破壞的過(guò)程中持續(xù)累積的塑性應(yīng)變，反映構(gòu)件材料損傷情況。當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變達(dá)到0.02時(shí)，認(rèn)為該區(qū)域累積了足夠的塑性應(yīng)變從而進(jìn)入屈服破壞狀態(tài)。圖12為低周往復(fù)荷載下自復(fù)位支撐?普通節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)和自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)區(qū)等效塑性應(yīng)變分布。

與普通節(jié)點(diǎn)相比，應(yīng)用摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)后，加載端梁柱交界面未出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性損傷，框架塑性鉸轉(zhuǎn)移至節(jié)點(diǎn)板端部；框架梁的塑性損傷區(qū)域有所減小，且框架梁上翼緣的塑性損傷明顯大于下翼緣；框架柱未出現(xiàn)明顯的塑性損傷。在非加載端的節(jié)點(diǎn)區(qū)，各部位塑性損傷程度和范圍均減小?？梢?jiàn)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)能有效減小節(jié)點(diǎn)區(qū)的塑性損傷程度，較好地保護(hù)節(jié)點(diǎn)板與梁連接、節(jié)點(diǎn)板與柱連接以及梁柱連接處。

4 摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)影響

摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括摩擦片摩擦系數(shù)和高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力。本節(jié)對(duì)數(shù)值模型施加對(duì)應(yīng)層間位移角為4%的單調(diào)荷載，利用控制變量法就上述參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響進(jìn)行分析，分析工況如表2所示。

4.1 摩擦片摩擦系數(shù)的影響

圖13為不同摩擦片摩擦系數(shù)（工況1～5）下自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的骨架曲線。隨著摩擦系數(shù)的增大，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑時(shí)對(duì)應(yīng)的層間位移角逐漸增大。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.10時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)在自復(fù)位支撐激活前起滑，在滑移過(guò)程中自復(fù)位支撐軸力保持不變，在摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限滑移行程后自復(fù)位支撐才激活，連接節(jié)點(diǎn)并未按照預(yù)期正常工作。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.15～0.25時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)在自復(fù)位支撐激活后起滑，起滑時(shí)對(duì)應(yīng)的層間位移角依次為1.1%，1.4%和2.2%，在摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大滑移行程后，自復(fù)位支撐軸力繼續(xù)增大，此時(shí)整體結(jié)構(gòu)的剛度與摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑前相似。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.30時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑時(shí)刻對(duì)應(yīng)的層間位移角為3.2%，即使加載完畢，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)仍未達(dá)到最大滑移行程。

圖14為不同摩擦片摩擦系數(shù)下自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)各構(gòu)件耗能。在摩擦系數(shù)為0.15的情況下，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)由于在自復(fù)位支撐激活后較早起滑，當(dāng)層間位移角達(dá)到2%時(shí)可耗散更多的能量，減少整體結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展。隨著位移荷載的增大，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限滑移行程，層間位移角達(dá)到4%時(shí)摩擦耗能占比下降。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.25時(shí)，在2%層間位移角對(duì)應(yīng)的位移荷載下，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)未起滑，框架塑性耗能增加明顯，但當(dāng)層間位移角達(dá)到4%時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)充分利用滑移行程，摩擦耗能占比最多達(dá)47.46%。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3時(shí)，由于摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)在層間位移角達(dá)到3.2%時(shí)才起滑，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)耗能較少，受壓時(shí)尤為明顯，占比僅為12.04%，整體結(jié)構(gòu)主要通過(guò)自復(fù)位支撐和框架塑性變形耗散地震能量。

4.2 高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的影響

圖15為不同高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力（工況1，6～9）下自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)的骨架曲線，可見(jiàn)預(yù)緊力僅對(duì)摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)滑移時(shí)的曲線平臺(tái)段有影響。受拉和受壓時(shí)，系統(tǒng)骨架曲線幾乎一致。隨著高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的逐漸增大，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑時(shí)對(duì)應(yīng)的層間位移角依次為0.7%，1.1%，1.4%，1.8%和2.1%，起滑力增幅依次為22.47%，38.02%，47.74%和57.72%。

圖16為不同高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力下自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)?框架系統(tǒng)各構(gòu)件耗能。當(dāng)層間位移角達(dá)到2%時(shí)，隨著預(yù)緊力逐漸增大至500 kN，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)耗能逐漸減少，自復(fù)位支撐耗能顯著增加，而框架部分的塑性耗能幾乎一致。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力越大，起滑越晚，摩擦耗能越少。當(dāng)層間位移角達(dá)到4%時(shí)，隨著預(yù)緊力逐漸增大至500 kN，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的摩擦耗能逐漸增加，增幅可達(dá)41.18%，而自復(fù)位支撐耗能和框架塑性耗能幾乎不變。當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到550 kN時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑時(shí)對(duì)應(yīng)的層間位移角為2.1%，在對(duì)應(yīng)2%層間位移角的位移荷載下，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)未起滑耗能，而當(dāng)層間位移角達(dá)到4%時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的摩擦耗能最大，但相比預(yù)壓力為500 kN的工況，增幅僅為9.21%。

綜上，當(dāng)摩擦片摩擦系數(shù)為0.20左右，高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力處于400～500 kN時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)使結(jié)構(gòu)在小震、中震、大震和巨震下均有較好的抗震性能。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，在保證傳力可靠的前提下，選擇合適的摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的摩擦片摩擦系數(shù)和高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力，調(diào)整起滑位移和起滑力，以適應(yīng)不同的抗震性能需求。

5 結(jié) 論

本文提出了一種應(yīng)用于自復(fù)位支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的摩擦裝配式支撐連接節(jié)點(diǎn)，闡述了自復(fù)位支撐?摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的工作原理，通過(guò)數(shù)值模擬將其與普通支撐連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，分析了摩擦片摩擦系數(shù)和高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)中，高強(qiáng)螺栓和摩擦片組成可靠的連接界面，當(dāng)自復(fù)位支撐軸力達(dá)到其最大靜摩擦力時(shí)，摩擦片間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，使傳遞到節(jié)點(diǎn)區(qū)和梁柱的荷載不再增大，防止自復(fù)位支撐因節(jié)點(diǎn)過(guò)早破壞而提前退出工作，從而保證主體結(jié)構(gòu)抗震性能充分發(fā)揮。此外，摩擦片起滑后輔助自復(fù)位支撐耗散更多的地震能量，起到多種耗能方式協(xié)同工作的作用。

（2）在施加低周往復(fù)荷載的過(guò)程中，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)使整體結(jié)構(gòu)耗能能力提升了20.81%，隨著位移荷載的增加，總水平剪力減少10.59%，對(duì)其實(shí)際限制作用可達(dá)17.56%，有效減小了節(jié)點(diǎn)區(qū)的塑性損傷程度。

（3）隨著摩擦片摩擦系數(shù)的逐漸增大，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)起滑時(shí)對(duì)應(yīng)的層間位移角由1.1%逐漸增大至3.2%，而其提供的摩擦耗能先逐漸增大，占比高達(dá)47.46%，隨后迅速減小，占比僅為12.04%，自復(fù)位支撐耗能和框架塑性耗能逐漸增加。

（4）隨著高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力的逐漸增大，當(dāng)層間位移角達(dá)到2%時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)提供的摩擦耗能逐漸減少，自復(fù)位支撐耗能增加。當(dāng)層間位移角達(dá)到4%時(shí)，摩擦裝配式節(jié)點(diǎn)的摩擦耗能逐漸增加，增幅可達(dá)41.18%，而自復(fù)位支撐耗能和框架塑性耗能幾乎不變。

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Performance study of frictional prefabricated connection nodes in self-centering braced steel frame

XU Long-he， HUANG Chu-cheng， XIE Xing-si

（School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract： Self-centering brace has greater stiffness and bearing capacity after being activated. The brace connection， beam and column are subjected to more complex forces and higher risk of damage. A novel frictional prefabricated connection node in self-centering braced steel frame is proposed to control ultimate axial force of the self-centering brace by frictional slipping. It provides additional energy dissipation for the whole structure. Configuration， assembly and working principles of the connection nodes are described. By numerical simulation， its seismic performance is studied. The effects of design parameters of the connection node on performance are analyzed. The results show that the hysteretic response of the self-centering braced steel frame with the novel connection node is fuller. The energy dissipation capacity of the overall structure is increased by 20.81%. The actual limiting effect of the connection node on total shear force reaches 17.56%， effectively regarding the plastic development of connection node region. By changing the friction coefficient of the friction plate and the preload force of the high-strength bolts of the connection node， the slipping displacement and force can be adjusted.

Key words： seismic performance； self-centering braced connection nodes； prefabricated assembly； frictional energy dissipation； hysteretic response

作者簡(jiǎn)介： 徐龍河（1976―），男，博士，教授。電話：（010）51683956；E-mail：lhxu@bjtu.edu.cn。

通訊作者： 謝行思（1992―），男，博士，講師。電話：（010）51687237；E-mail：98930237@bjtu.edu.cn。