摘要
为了减轻传统钢框架的梁柱节点在强震作用下的损伤与破坏,提出了一种装配式梁柱转动摩擦耗能节点,阐述了该节点的构造形式与工作机理,对其进行了低周反复加载试验,系统研究了该节点的抗震性能,建立了其恢复力模型,并与试验结果进行了对比分析。研究结果表明,装配式梁柱转动摩擦耗能节点利用连接钢板与黄铜板之间的转动摩擦耗能,其滞回曲线近似为饱满的平行四边形,具有良好的耗能性能;耗能节点在循环加载下强度退化较小,力学性能很稳定;节点通过梁端的转动摩擦耗能有效控制梁柱节点的损伤,试验后梁柱节点保持为弹性,能量耗散集中在转动摩擦铰处;耗能节点的变形模式在设定的加载过程中可分为两个阶段:第一阶段为节点的弹性变形阶段;第二阶段为节点的刚体转动变形阶段。基于恢复力模型的计算结果与试验结果吻合较好,表明提出的恢复力模型能够较好地反映转动摩擦耗能节点在循环往复荷载作用下的滞回性能。
传统钢框架设计一般遵循“强节点弱构件”的抗震设计思想,但仍可能无法避免节点在强震作用时产生应力集中和发生脆性破坏等问
MUALLA
为了进一步提高钢框架梁柱节点的抗震性能,本文研发了一种耗能⁃承载一体化的装配式梁柱转动摩擦耗能节点,阐述了该节点的构造形式与工作机理,对转动摩擦耗能节点进行了低周反复加载试验,全面分析了节点的受力变形特点、滞回曲线、骨架曲线、强度退化、刚度退化和耗能性能,并提出了其恢复力模型,以期为该消能节点早日实现工程应用提供初步的技术支撑。
装配式梁柱转动摩擦耗能节点构造形式如

图1 装配式梁柱转动摩擦耗能节点构造示意图
Fig.1 Configuration details of the prefabricated beam to column rotation friction energy dissipation connection
本次试验采用悬臂式的梁柱节点试验加载方式,如

图2 加载装置示意图
Fig.2 Loading setup
综合考虑试验场地要求与作动器出力等因素,本次试验采用1/4的缩尺模型,钢梁总长1000 mm,长梁段的尺寸为HM180 mm×180 mm×10 mm×12 mm,长度为850 mm;短梁段的尺寸为HM200 mm×200 mm×10 mm×12 mm,长度为150mm;长梁段与短梁段之间的预留间隙为30 mm;作动器的加载中心至摩擦铰的销轴距离为620 mm;钢柱的尺寸为HM240 mm×240 mm×12 mm×14 mm,长度为590 mm;所有铰接孔直径均为30 mm,转动摩擦铰的摩擦片采用3 mm厚的黄铜板,在安装前表面已经过喷砂处理。
钢柱、钢梁和加劲肋采用Q345B钢制作,钢地梁采用Q235钢制作,所有钢材的力学性能均通过万能试验机进行单调拉伸材性试验确定。根据中国GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法
本次试验根据转动摩擦耗能节点的摩擦垫片初始预压力的不同可分为4个工况,分别为50,100,150和200 kN。初始预压力不能施加过大,防止由于初始摩擦力过大而导致节点在发生转动前就产生非弹性变形。每个工况采用位移控制加载,在加载位移为1~8 mm时,幅值增量为1 mm,每级位移幅值加载1圈。在加载位移为8~16 mm时,幅值增量为2 mm,每级位移幅值加载3圈。在加载位移为16~40 mm时,幅值增量为4 mm,每级位移幅值加载3圈。试验加载装置如

图3 试验加载图
Fig.3 Test setup

图4 加载制度
Fig.4 Loading protocol
试验中采集和量测了加载装置处的水平荷载、水平位移和关键部位的应变等。沿钢梁方向布置的水平位移计用以量测钢梁不同高度处的水平位移。在钢地梁沿水平推力的方向布置了水平位移计,用于量测钢地梁可能产生的滑移。试件的应变片主要布置在梁柱节点、加载装置连接处对应的梁腹板以及短梁段的翼缘和腹板等关键受力部位。
由

图5 试验现象
Fig.5 Test phenomenon

图6 试件应变图
Fig.6 Test strain of specimen
梁柱节点在低周反复荷载作用下的滞回曲线能够全面反映节点的抗震性能,同时也能为建立节点的本构模型提供试验支撑。在不同初始预压力的作用下,装配式梁柱转动摩擦节点的滞回曲线如

图7 试验滞回曲线
Fig.7 Test hysteresis curves
传统的金属阻尼器加载后由于塑性屈服产生的残余变形是不可恢复的,不具备可恢复性。该转动摩擦耗能节点在循环加载后存在残余变形,但是该残余变形是由于加载结束时摩擦节点相对于初始位置的转动而产生的,在释放销轴的预压力后可通过矫正而恢复,具有可恢复性。
节点的骨架曲线能够直观反映节点在低周反复荷载作用下初始刚度与承载力等力学性能指标的变化规律,是节点抗震性能的重要表征。在不同初始预压力作用下,装配式梁柱转动摩擦耗能节点的骨架曲线如

图8 试验骨架曲线
Fig.8 Test skeleton curves
由
节点在同一加载幅值下循环多次后承载力会有所下降,抗震设计中将这一现象称为节点的强度退化,反映了节点在低周反复荷载作用下的累积损伤,是衡量节点抗震性能的重要指标。本文采用强度退化率λ来定义节点的强度退化程度,其值越接近1,表明其强度退化越小。具体表达式如下:
(1) |
式中 和分别为节点在同一加载幅值下循环第三圈和第一圈的最大承载力。鉴于本次试验是从10 mm以后每级位移下开始循环3圈,故强度退化率从10 mm开始计算,如

图9 强度退化曲线
Fig.9 Strength degradation curves
结构抗震性能分析中常通过结构在每一级加载幅值下割线刚度的变化情况来评价结构在整个加载过程中的刚度退化规律。割线刚度的定义如下:
(2) |
式中 为第次加载时结构的割线刚度,和为第次加载时结构正负两个方向的峰值承载力,和为第次加载时结构正负两个方向的峰值承载力所对应的水平加载位移。
根据试验结果计算得到的转动摩擦节点的刚度退化曲线如

图10 刚度退化曲线
Fig.10 Stiffness degradation curves
耗能能力也是评价节点抗震性能的一个重要力学性能指标,抗震设计中一般采用总耗能和等效黏滞阻尼系数来表征节点的耗能性能。总耗能数值上等于节点滞回曲线所包围的面积,表征了整体节点的绝对耗能性能。等效黏滞阻尼系数为节点在一个循环加载周期内能量耗散量与振幅最大处所具有的弹性势能的比值。综合反映了节点的相对耗能性能,其数值越大,节点耗散能量的效率就越高,同时也表征在这一加载位移下耗散的能量越多。总耗能和等效黏滞阻尼系数的定义如下:
(3) |
(4) |
式中 为结构的等效黏滞阻尼系数,为滞回曲线包围的面积,和为三角形包围的面积,如

图11 计算简图
Fig.11 Simplified calculation diagram
根据试验结果计算得到的试件总耗能与等效黏滞阻尼系数分别如

图12 总耗能
Fig.12 Total energy dissipation curves

图13 等效黏滞阻尼系数
Fig.13 Equivalent viscous damping coefficient curves
装配式梁柱转动摩擦节点通过连接钢板与黄铜板之间的转动摩擦耗能,其节点的受力特性可归结为节点转动摩擦力矩与节点转角的关系。根据节点的滞回曲线形状,提出基于节点转动摩擦力矩与节点转角的恢复力模型,如

图14 恢复力模型
Fig.14 Restoring force model

图15 力学分析简图
Fig.15 Mechanical analysis simplified model
转动摩擦节点在第一加载阶段的受力简图如
(5) |
求临界转动水平侧移可简化为求解一个一次超静定问题的位移计算,做出外荷载作用下的弯矩图,与其对应的任意一个静定结构在单位荷载作用下的弯矩图进行图乘,可得产生的水平弹性侧移为:
(6) |
临界节点转角θ1可由下式确定:
(7) |
梁端在转动过程中会受到摩擦界面的摩擦力相对于转动点O产生的转动摩擦力矩的作用,简化分析方法如
(8) |

图16 摩擦力矩计算简图
Fig.16 Calculation of friction force moment
设作用在摩擦面上的正压力为,则摩擦面的压强为:
(9) |
设摩擦界面的动摩擦系数为,则微元部分受到的转动摩擦力和转动摩擦力矩分别为:
(10) |
(11) |
将微元部分受到的摩擦力矩分别从到积分,得到单个摩擦面所受的转动摩擦力矩:
(12) |
根据以上分析,恢复力模型中的为两个摩擦界面的之和,则:
(13) |
由
(14) |
转动后刚度可根据节点试验结果取为。
根据
(15) |
式中 θ2由抗震性能目标直接给定,负向加载的关键性能点确定方法和正向加载一致,至此恢复力模型所有关键参数均已确定。
由上述恢复力模型可求得每一级加载位移对应的总耗能的理论计算公式,具体表达式如下:
转动后刚度取为0时:
(16) |
转动后刚度取为时:
(17) |
式中 为摩擦铰转动后每一级加载的位移幅值所对应的节点转角。将试验中的水平推力与水平位移关系曲线转化为节点弯矩与节点转角的关系曲线,并与基于恢复力模型的计算结果进行对比(计算结果分为转动后刚度为0和两种情况),结果如

图17 滞回曲线对比
Fig.17 Comparison of hysteresis curves

图18 总耗能对比
Fig.18 Comparison of total energy dissipation
由
根据以上分析,设计该节点时,初步的工程实用设计建议如下:
a.根据工程地质条件、建筑功能要求和概念设计初步进行传统连接钢框架结构设计。
b.将传统钢框架结构反应谱分析得到的梁端弯矩和剪力等效为转动摩擦节点提供的弯矩和剪力,同时结合
c.根据提出的转动摩擦耗能节点的恢复力模型,结合文中
本文提出了一种耗能⁃承载一体化的装配式梁柱转动摩擦耗能节点,阐述了该节点的构造形式与工作机理,设计加工了一缩尺比例为1/4的装配式梁柱摩擦耗能节点试件。通过低周反复加载试验研究分析了转动摩擦节点的受力变形特点、滞回曲线、骨架曲线、强度退化、刚度退化和耗能性能,提出了其恢复力模型并与试验结果进行了对比分析,初步得到以下结论:
(1)装配式梁柱转动摩擦节点通过梁端的转动摩擦耗能有效控制了梁柱节点的累积损伤,在低周反复荷载作用下梁柱节点保持为弹性,能量耗散集中在转动摩擦铰处。
(2)装配式梁柱转动摩擦节点的变形模式在整个加载过程中根据其受力特点可以分为两个阶段,第一阶段为节点的弹性变形机制,第二阶段为节点的刚体转动变形机制。
(3)装配式梁柱转动摩擦节点利用连接钢板与黄铜板之间的转动摩擦耗能,其滞回曲线近似为饱满的平行四边形,表明转动摩擦节点具有较好的耗能性能和稳定的承载力。
(4)基于恢复力模型的计算结果与试验结果吻合较好,证明提出的恢复力模型能够较好地预测装配式梁柱转动摩擦节点在循环往复荷载作用下的滞回性能,初步为装配式梁柱转动摩擦耗能节点的设计奠定基础。
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