張愛(ài)林 郭 康 周寶儒 楊忠?guī)?姜子欽,2

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 北京 100124； 2.北京工業(yè)大學(xué)北京市高層和大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心, 北京 100124； 3.北京建筑大學(xué)北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心, 北京 100044)

2011年8月,住建部正式公布的《建筑業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》增大了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展比例，從戰(zhàn)略鋼材儲(chǔ)備的角度考慮，出臺(tái)了大力推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑的扶持政策，把超高層鋼結(jié)構(gòu)工程和住宅結(jié)構(gòu)工程關(guān)鍵技術(shù)作為基礎(chǔ)研究課題，為開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化研究提供依據(jù)，可見(jiàn)，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)是我國(guó)建筑發(fā)展的大趨勢(shì)[1]。中共中央國(guó)務(wù)院在2016年2月發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》中指出要大力推廣裝配式建筑。裝配式鋼結(jié)構(gòu)綜合了鋼結(jié)構(gòu)和裝配式結(jié)構(gòu)兩者的優(yōu)勢(shì)，既有鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)、耐震、建筑空間布置靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又突出了裝配式結(jié)構(gòu)能夠有效縮短設(shè)計(jì)周期，采用預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)拼裝，施工效率和綜合經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景[2]。我國(guó)位于太平洋地震帶與歐亞大陸地震帶的交匯處，地震頻繁，故建筑結(jié)構(gòu)的耐震尤為重要，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的主要破壞位置，故梁柱節(jié)點(diǎn)的研究是重中之重，也是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

鋼結(jié)構(gòu)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)在地震過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的脆性破壞，因此，改進(jìn)型梁柱連接節(jié)點(diǎn)成為了世界各國(guó)鋼結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。試驗(yàn)和理論研究表明：這些改進(jìn)型節(jié)點(diǎn)能達(dá)到強(qiáng)震時(shí)塑性鉸外移的目的，避免了節(jié)點(diǎn)過(guò)早出現(xiàn)裂縫而發(fā)生脆性破壞，但在強(qiáng)震過(guò)后，運(yùn)用這些節(jié)點(diǎn)的鋼框架都會(huì)產(chǎn)生較大的殘余變形，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件塑性變形較大，震后難以恢復(fù)正常的使用功能，以至于難以修復(fù)或修復(fù)成本過(guò)大。如在1994年的美國(guó)北嶺地震[3]和1995年日本的阪神地震中建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了大量難以恢復(fù)的殘余變形[4-5]，因此，需要加強(qiáng)對(duì)震后可修復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的研究。Garlock最早進(jìn)行震后可恢復(fù)功能鋼框架研究[6]。Ricles等提出的采用后張式預(yù)應(yīng)力鋼索的裝配式自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下具有良好的彈性剛度、強(qiáng)度和延性，在循環(huán)荷載作用下，具有良好的耗能性能[7-8]；通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件DRAIN-2DX對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，對(duì)8組預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究，證實(shí)結(jié)構(gòu)的自復(fù)位能力可以實(shí)現(xiàn)。呂西林等在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的抗震設(shè)計(jì)概念——可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)，并介紹了可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)的研究情況[9-10]?；輰捥玫忍岢鲆环N頂?shù)捉卿撟詮?fù)位節(jié)點(diǎn)，并給出其M-θr關(guān)系的實(shí)用計(jì)算方法，可用于梁柱節(jié)點(diǎn)的性能研究[11]。張愛(ài)林團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多種預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)的震后可恢復(fù)性[12-15]。Kim等將螺栓摩擦耗能應(yīng)用到框架梁柱節(jié)點(diǎn)，當(dāng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷橫向變形時(shí)消散地震輸入能量，得到了很好的效果[16]。張愛(ài)林團(tuán)隊(duì)對(duì)帶狗骨削弱蓋板的梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行理論分析和有限元模擬以及試驗(yàn)研究，得出該類節(jié)點(diǎn)具有良好的承載能力和耗能能力的結(jié)論[17-18]。

通過(guò)對(duì)前人研究成果的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前對(duì)帶狗骨削弱蓋板的梁柱節(jié)點(diǎn)與預(yù)應(yīng)力拉索相互組合的自復(fù)位結(jié)構(gòu)研究相對(duì)匱乏，關(guān)于狗骨削弱蓋板厚度和預(yù)應(yīng)力拉索初始索力對(duì)結(jié)構(gòu)自復(fù)位能力的影響研究不充分。出于當(dāng)今社會(huì)對(duì)于可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)的迫切需求，本文提出了一種復(fù)合承載型自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)通過(guò)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)域、設(shè)置狗骨削弱翼緣蓋板實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)震時(shí)塑性鉸外移，通過(guò)設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索減小了節(jié)點(diǎn)強(qiáng)震后的殘余變形，使結(jié)構(gòu)具有自復(fù)位功能。本文旨在研究狗骨削弱翼緣蓋板厚度和預(yù)應(yīng)力拉索初始索力對(duì)結(jié)構(gòu)可恢復(fù)性能的影響，通過(guò)對(duì)狗骨削弱翼緣蓋板的厚度和預(yù)應(yīng)力拉索初始索力的合理設(shè)計(jì)，使節(jié)點(diǎn)具有較好的自復(fù)位效果，且震后通過(guò)更換翼緣蓋板，即可達(dá)到結(jié)構(gòu)震后修復(fù)的目的。

1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

圖1a為本文提出的一種復(fù)合承載型自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)，主要由帶懸臂梁段的圓鋼管柱、結(jié)構(gòu)梁段(包括加強(qiáng)梁段和普通梁段)、預(yù)應(yīng)力拉索、狗骨削弱翼緣蓋板、腹板拼接板和高強(qiáng)螺栓群組成。結(jié)構(gòu)梁段設(shè)計(jì)為變截面梁段，包括加強(qiáng)梁段和普通梁段，兩者通過(guò)焊接連接，預(yù)應(yīng)力拉索兩兩對(duì)稱分布在腹板兩側(cè)。因?yàn)閼冶哿憾闻c結(jié)構(gòu)梁段之間沒(méi)有縫隙，地震過(guò)程中兩者直接擠壓接觸，發(fā)生較大的擠壓應(yīng)力，為防止主體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的塑性變形，對(duì)結(jié)構(gòu)梁段進(jìn)行加強(qiáng)，以達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的。該節(jié)點(diǎn)通過(guò)設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能，通過(guò)設(shè)置狗骨削弱翼緣蓋板提高構(gòu)件的耗能能力，降低拉索預(yù)拉力，保證拉索在地震作用下具有較高的安全系數(shù)，同時(shí)降低了主體結(jié)構(gòu)的塑性損傷程度。震后節(jié)點(diǎn)只需更換狗骨削弱翼緣蓋板等連接件即可使結(jié)構(gòu)恢復(fù)正常使用功能。圖1b為所研究梁柱節(jié)點(diǎn)拆分圖，預(yù)應(yīng)力拉索通過(guò)索肋和錨具固定，狗骨削弱蓋板或腹板拼接板通過(guò)高強(qiáng)螺栓群固定在翼緣或腹板相應(yīng)位置，節(jié)點(diǎn)受地震作用時(shí)，與無(wú)翼緣狗骨削弱蓋板相比，一側(cè)狗骨削弱蓋板受到拉伸，使結(jié)構(gòu)的承載能力、耗能能力顯著增強(qiáng)，同時(shí)在保證結(jié)構(gòu)承載力的前提下，可以有效降低預(yù)應(yīng)力拉索索力的大小。預(yù)應(yīng)力拉索為高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，在地震作用下為結(jié)構(gòu)提供恢復(fù)力。

a—節(jié)點(diǎn)整體拼裝; b—節(jié)點(diǎn)拆分。圖1 復(fù)合承載型自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.1 Composite load-bearing self-resetting beam-column joints

2 有限元模型

2.1 模型設(shè)計(jì)

本文采用ABAQUS有限元分析軟件，共設(shè)計(jì)了5個(gè)節(jié)點(diǎn)算例精細(xì)化模型，各算例的圓鋼管柱分為上、中、下三段，上柱及下柱均采用φ299×14的圓鋼管，中柱采用φ299×16的圓鋼管，圓鋼管柱總長(zhǎng)度3 000 mm；加強(qiáng)梁段的截面尺寸采用H324×200×12×24的H型鋼，長(zhǎng)度為455 mm，普通梁段采用H300×200×6×12的H型鋼，長(zhǎng)度為1 005 mm；懸臂梁段長(zhǎng)度即懸臂梁段端部至柱中心的距離為650 mm，為確保懸臂梁段處于彈性狀態(tài)，對(duì)懸臂梁段進(jìn)行了加強(qiáng)，采用H324×200×12×24的H型鋼，其余尺寸如圖2所示。節(jié)點(diǎn)所有螺栓均采用10.9級(jí)M22高強(qiáng)摩擦型螺栓，蓋板尺寸和螺栓孔位置及尺寸如圖3所示。預(yù)應(yīng)力拉索設(shè)計(jì)采用公稱直徑為21.8 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，極限破斷力大小為582 kN，索肋連接板厚度20 mm。翼緣連接蓋板鋼材牌號(hào)為Q235B，其余板件鋼材牌號(hào)均為Q345B。模型拉索預(yù)拉力值、其他相關(guān)尺寸參數(shù)及板件材質(zhì)詳見(jiàn)表1。

圖2 節(jié)點(diǎn)整體裝配構(gòu)造 mmFig.2 A assembly structure of joints

圖3 狗骨削弱蓋板尺寸示意 mmFig.3 A diagram of dog-bone weakened cover plates

表1 模型主要參數(shù)Table 1 Main parameters of models

tcov,f為翼緣蓋板厚度;Tf為預(yù)應(yīng)力拉索初始索力。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系及網(wǎng)格劃分

本文中對(duì)節(jié)點(diǎn)模擬所用的鋼材本構(gòu)模型為理想雙折線彈塑性模型，采用了Mises屈服準(zhǔn)則和流動(dòng)相關(guān)性法則，強(qiáng)化段的斜率是彈性模量的0.02倍，各構(gòu)件材料屬性如表2。

表2 材料屬性Table 2 Material properties

節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格劃分中，除預(yù)應(yīng)力拉索采用T32D單元進(jìn)行劃分外，其余所有構(gòu)件均采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖4為網(wǎng)格劃分的具體形式。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分Fig.4 The mesh diagram of the finite element method

2.3 接觸關(guān)系及加載條件設(shè)置

考慮節(jié)點(diǎn)的實(shí)際邊界條件，在本模型中，圓鋼管柱的柱底、柱頂按鉸接模擬，即限制所有平動(dòng)位移并釋放所有轉(zhuǎn)動(dòng)位移；結(jié)構(gòu)梁段中加強(qiáng)段和普通段的接觸面，采用Tie連接；考慮到構(gòu)件的實(shí)際接觸關(guān)系，在本模型中，除懸臂梁段與結(jié)構(gòu)梁段的接觸面、高強(qiáng)螺栓螺桿與各板件接觸面為硬接觸外，其余各板件之間、高強(qiáng)螺栓螺帽與各板件之間的接觸面均為摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.45?？紤]到節(jié)點(diǎn)的真實(shí)受力情況，在圓鋼管柱的柱頂施加對(duì)應(yīng)0.3軸壓比的軸向壓力；考慮到節(jié)點(diǎn)的實(shí)際變形，通過(guò)設(shè)置側(cè)向約束限制了梁的側(cè)向位移。連接各板件的螺栓為10.9級(jí)M22高強(qiáng)螺栓，所施加的螺栓預(yù)緊力為190 kN，表1給出了預(yù)應(yīng)力拉索索力初始值Tf。在結(jié)構(gòu)梁段梁端施加沿柱軸線方向的豎向位移荷載，通過(guò)位移控制并按低周反復(fù)加載制度S1[19]與低周疲勞加載制度S2[20]進(jìn)行加載，加載制度S1、S2如圖5所示，節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-1、SPSJ-2和SPSJ-4先按加載制度S1進(jìn)行加載，加載結(jié)束后將結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原位，再按加載制度S2進(jìn)行疲勞加載；節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-3、SPSJ-5只按加載制度S1進(jìn)行加載。

a—加載制度S1; b—加載制度S2。圖5 加載制度Fig.5 Procedures of loading

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 荷載-位移曲線

節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-1～SPSJ-5的梁端荷載-位移曲線如圖6a～c所示，荷載-位移曲線指標(biāo)詳見(jiàn)表3。由圖6a給出的SPSJ-1、SPSJ-3、SPSJ-5三個(gè)具有不同狗骨削弱蓋板厚度和拉索預(yù)應(yīng)力的節(jié)點(diǎn)模型荷載-位移曲線對(duì)比可知：節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-1、SPSJ-3、SPSJ-5具有相同屈服荷載，SPSJ-3的最大承載力和荷載-位移曲線包絡(luò)面積均大于SPSJ-5的，即SPSJ-3的耗能能力優(yōu)于SPSJ-5的。上述現(xiàn)象表明，使用較薄的翼緣連接蓋板能夠在保證節(jié)點(diǎn)承載力的情況下，降低拉索預(yù)應(yīng)力的大小，使預(yù)應(yīng)力拉索保持在一個(gè)更為安全的彈性范圍之內(nèi)；翼緣連接蓋板的存在可以提高節(jié)點(diǎn)在地震作用下的抗震能力和耗能能力。由圖6a可知：節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-1的最大承載能力以及荷載-位移曲線包絡(luò)面積均大于SPSJ-3的，即在節(jié)點(diǎn)模型初始索力減小23%的情況下，僅增加2 mm的翼緣蓋板厚度，仍可以提高節(jié)點(diǎn)模型的極限承載力。上述現(xiàn)象表明，改變翼緣蓋板的厚度相對(duì)于改變預(yù)應(yīng)力拉索拉力對(duì)節(jié)點(diǎn)模型承載力以及耗能能力的影響更為顯著。荷載-位移曲線與橫軸的交點(diǎn)表示模型的殘余位移，殘余位移可作為節(jié)點(diǎn)自復(fù)位能力的評(píng)判指標(biāo)，與節(jié)點(diǎn)自復(fù)位能力呈負(fù)相關(guān)。由圖6a可知：節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-5的殘余位移最大，其原因是較大的初始索力使得結(jié)構(gòu)梁段在加載后期承擔(dān)了較大的附加彎矩，產(chǎn)生了更大的塑性變形，對(duì)拉索形式自復(fù)位功能產(chǎn)生了更大的阻礙，故節(jié)點(diǎn)模型在加載結(jié)束后出現(xiàn)了較大的殘余位移。

圖6b給出了SPSJ-3和SPSJ-4兩個(gè)具有不同狗骨削弱蓋板厚度、相同預(yù)應(yīng)力拉索初始索力的節(jié)點(diǎn)模型荷載-位移曲線對(duì)比。可知：節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-4的屈服荷載、初始剛度、極限荷載、曲線包絡(luò)面積和殘余位移均大于SPSJ-3的。上述現(xiàn)象表明，隨著翼緣蓋板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)模型的承載能力和耗能能力增強(qiáng)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)模型的殘余變形也會(huì)增加，但殘余變形幅值較小，說(shuō)明兩組節(jié)點(diǎn)模型均具有良好的自復(fù)位能力與震后修復(fù)能力。因此，在初始索力相同的情況下，增加狗骨削弱翼緣蓋板的厚度，可以提高節(jié)點(diǎn)模型的承載能力和耗能能力，但狗骨削弱翼緣蓋板的厚度不宜過(guò)大，由于蓋板自身的殘余變形會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能造成阻礙，過(guò)大的蓋板厚度會(huì)給節(jié)點(diǎn)帶來(lái)明顯的殘余變形。

圖6c給出了SPSJ-2和SPSJ-4兩組具有相同狗骨削弱蓋板厚度、不同預(yù)應(yīng)力拉索初始索力的節(jié)點(diǎn)模型荷載-位移曲線對(duì)比。可知：在預(yù)應(yīng)力增大29%的情況下，節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-4的屈服荷載和極限荷載略大于節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-2的，并且節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-2的包絡(luò)面積略小于SPSJ-4的。上述對(duì)比結(jié)果說(shuō)明,提高拉索的初始索力可以提高節(jié)點(diǎn)的屈服荷載、極限荷載以及耗能能力，其原理在于隨著索力的增大，懸臂梁段和結(jié)構(gòu)梁段接觸面產(chǎn)生開(kāi)口所需要的梁端荷載增大，從而提高了節(jié)點(diǎn)的承載能力與耗能能力。

圖6d為節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-1、SPSJ-2、SPSJ-4所對(duì)應(yīng)的S2疲勞加載下的荷載-位移曲線?？芍汗?jié)點(diǎn)模型SPSJ-1、SPSJ-2、SPSJ-4的屈服荷載、極限位移荷載、荷載曲線包絡(luò)面積三項(xiàng)指標(biāo)均呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明前述推論“翼緣蓋板加厚、初始索力增大可以提高節(jié)點(diǎn)的承載能力與耗能能力”在疲勞荷載的作用下同樣正確。同時(shí)從圖6d還可以看出：三個(gè)節(jié)點(diǎn)模型都具有較小的殘余位移，說(shuō)明這種節(jié)點(diǎn)形式的自復(fù)位功能不會(huì)在疲勞荷載作用下衰退。從這三個(gè)節(jié)點(diǎn)模型的荷載-位移曲線可以看出其模型疲勞性能的共同特征在于：一次疲勞加載包含30個(gè)加載周期，各加載周期所對(duì)應(yīng)的環(huán)狀曲線之間約束性良好，使得集合而成的梁端荷載-位移曲線所形成的環(huán)十分清晰。以上共同特征說(shuō)明三個(gè)節(jié)點(diǎn)模型在疲勞荷載作用下均具有良好的穩(wěn)定性，承載能力和耗能能力都未出現(xiàn)明顯下降。由此可得，該節(jié)點(diǎn)形式在疲勞荷載作用下完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，具有良好的疲勞性能。

a— SPSJ-1、3、5; b—SPSJ-3、4; c—SPSJ-2、4; d—SPSJ-1、2、4-S2。節(jié)點(diǎn)模型中S2表示節(jié)點(diǎn)模型按加載制度S2加載。圖6 荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves

表3 荷載-位移曲線指標(biāo)比較Table 3 Comparisons of indexes for loaddisplacement curves

通過(guò)以上各個(gè)節(jié)點(diǎn)模型的荷載-位移曲線的對(duì)比分析可得出，本文研究的預(yù)應(yīng)力拉索配合狗骨削弱蓋板的構(gòu)造形式，具有良好的自復(fù)位能力，無(wú)論在承載能力、耗能能力，還是保護(hù)主體結(jié)構(gòu)、降低塑性損傷方面均有明顯且良好的效果。

3.2 索力變化曲線

因預(yù)應(yīng)力拉索兩兩對(duì)稱分布在腹板兩側(cè)，本文選取了圖1b中的一根預(yù)應(yīng)力拉索LS1作為研究對(duì)象來(lái)分析索力的變化情況。圖7給出了拉索應(yīng)力與梁端加載位移的關(guān)系曲線，可以看出：大部分模型的預(yù)應(yīng)力拉索LS1的索力在加載位移零點(diǎn)處的索力值高度集中，即拉索總能在節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角回歸初始值時(shí)回到初始狀態(tài)，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力拉索處于彈性狀態(tài)范圍內(nèi)，拉索始終具備完好的功能。所有的索力變化曲線都呈現(xiàn)出了明顯的環(huán)狀部分，這表示在節(jié)點(diǎn)卸載的過(guò)程中，拉索錨固端的運(yùn)動(dòng)路徑與加載過(guò)程中的并未重合，即索力的變化趨勢(shì)在加載與卸載過(guò)程中并不是互逆的。這是由于荷載發(fā)生變化時(shí)，材料的彈性變形總發(fā)生在塑性變形之前，即加載時(shí)梁的變形順序?yàn)椤皬椥浴苄浴?，卸載時(shí)梁的變形順序仍為“彈性—塑性”，而非“塑性—彈性”，無(wú)法與加載時(shí)的變形過(guò)程形成互逆關(guān)系。圖7a給出了節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-1、SPSJ-3和SJSP-5中索LS1在加載過(guò)程中的索力變化曲線?？梢钥闯?，隨著初始索力的增加，索力變化曲線的包絡(luò)面積逐漸減小，因?yàn)檩^大的拉索索力會(huì)使拉索產(chǎn)生較大的初始彈性變形，所以在外力作用下，使拉索從彈性—塑性所需要的索力變化空間變小，所以降低了彈性變形所占的比重，使得拉索錨固端的加載位移路徑與卸載回歸路徑更加接近。對(duì)比三組節(jié)點(diǎn)模型的索力變化初始值與加載結(jié)束后索力值的吻合程度可知：SPSJ-1與SPSJ-3吻合程度較好，索力變化的曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)基本吻合，而SPSJ-5出現(xiàn)了明顯的偏差，這主要是因?yàn)镾PSJ-5的初始索力較大，在加載過(guò)程中對(duì)于梁的塑性損傷較為嚴(yán)重，造成了結(jié)構(gòu)梁段輕微的軸向壓縮變形，故表現(xiàn)出索力有少許的下降。

觀察圖7b拉索索力在加載階段的始末值可見(jiàn)，索力變化的始末值基本吻合，索力損失微小。對(duì)比圖7b中的索力變化曲線SPSJ-3、SPSJ-4可知：對(duì)于承載力相近、索力相同、翼緣蓋板厚度不同的節(jié)點(diǎn)模型，增加翼緣蓋板的厚度可以降低索力值。這是因?yàn)樵黾右砭壣w板厚度，可以推遲蓋板進(jìn)入塑性變形的時(shí)間，延后節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)剛度下降的時(shí)刻，從而減小了節(jié)點(diǎn)的整體變形量，進(jìn)而降低了預(yù)應(yīng)力鋼索的伸長(zhǎng)量，使索力變化減小。由此可知，增加翼緣蓋板厚度可以有效保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼索。對(duì)比索力變化曲線SPSJ-2、SPSJ-4可知：在翼緣蓋板厚度相同的情況下，增加預(yù)應(yīng)力拉索的索力，會(huì)使索力變化曲線的包絡(luò)面積減小，其原理已于上一段論述，此處不多做闡述。

圖7c給出了節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-1、SPSJ-2和SPSJ-4在疲勞荷載S2作用下的索力變化曲線對(duì)比。可知，三組索力變化呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)并且曲線斜率走向基本相同，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力拉索在整個(gè)疲勞加載的過(guò)程中處于彈性狀態(tài)并保持著穩(wěn)定的變化。證明了本文所研究的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，在多次余震過(guò)程中拉索的預(yù)應(yīng)力不會(huì)出現(xiàn)明顯的損失，并且預(yù)應(yīng)力拉索能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)的復(fù)位提供持續(xù)穩(wěn)定的恢復(fù)力，說(shuō)明此節(jié)點(diǎn)在罕遇地震以及多次余震中都具有很好的抗震能力和安全性能。

a—SPSJ-1、3、5; b—SPSJ-1～4; c—SPSJ-1、2、4—S2。圖7 索LS1索力變化曲線Fig.7 Curves of cable forces for cable LS1

3.3 節(jié)點(diǎn)破壞模式

圖8給出了梁端轉(zhuǎn)角達(dá)到0.03 rad時(shí)節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-1～SPSJ-5的變形應(yīng)力云圖?？梢钥闯?各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布狀態(tài)，且當(dāng)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)345 MPa時(shí)，圖形上顯示為灰色(表明該位置進(jìn)入塑性)。由圖8可知：節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)，懸臂梁段和加強(qiáng)梁段上翼緣頂緊，下翼緣開(kāi)口，節(jié)點(diǎn)上翼緣蓋板受壓發(fā)生屈曲變形，且未進(jìn)入塑性，下翼緣蓋板受拉進(jìn)入塑性，節(jié)點(diǎn)通過(guò)上翼緣蓋板鼓曲和下翼緣蓋板進(jìn)行塑性耗能。

SPSJ-5較大的初始索力使結(jié)構(gòu)梁段受到了較大軸向壓力，未設(shè)置翼緣蓋板使梁段接觸面在受到較大擠壓力的同時(shí)無(wú)輔助耗能構(gòu)件，從而導(dǎo)致該模型在加載過(guò)程中梁段接觸面附近及結(jié)構(gòu)梁段未加強(qiáng)區(qū)邊界處發(fā)生了較大的塑性變形。SPSJ-1、SPSJ-3的預(yù)應(yīng)力拉索初始索力值遠(yuǎn)小于SPSJ-5，但設(shè)置了翼緣蓋板，使得SPSJ-1、SPSJ-3與SPSJ-5具有相同的屈服荷載，且SPSJ-1、SPSJ-3的極限荷載高于SPSJ-5的，節(jié)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)塑性變形面積也大大降低。上述現(xiàn)象表明：設(shè)置翼緣蓋板既可以在保證結(jié)構(gòu)承載力的情況下降低索力，也可以有效降低結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的塑性損傷；同時(shí)利用翼緣蓋板塑性變形和鼓曲變形可以耗散地震能量，從而對(duì)保護(hù)主體構(gòu)件、增加結(jié)構(gòu)承載能力和耗能能力起到良好的作用。SPSJ-4節(jié)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)大面積進(jìn)入塑性，這是由于翼緣蓋板較厚、預(yù)應(yīng)力拉索初始索力值較大時(shí)，結(jié)構(gòu)懸臂梁段和結(jié)構(gòu)梁段拼接位置處剛度較大，擠壓力較大，致使主體結(jié)構(gòu)大面積進(jìn)入塑性。說(shuō)明增加翼緣蓋板的厚度雖然能夠提高結(jié)構(gòu)承載能力，但過(guò)厚的翼緣蓋板會(huì)使節(jié)點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大面積的塑性變形。

a—SPSJ-1; b—SPSJ-2; c—SPSJ-3; d—SPSJ-4; e—SPSJ-5。圖8 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力 MPaFig.8 Contours of stress for joints

通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)模型SPSJ-1～SPSJ-3的對(duì)比發(fā)現(xiàn):SPSJ-1和SPSJ-3的主體結(jié)構(gòu)塑性變形區(qū)域較小；SPSJ-2翼緣蓋板厚度大于SPSJ-1的，但兩模型極限承載力相差不大，說(shuō)明SPSJ-1的節(jié)點(diǎn)性能優(yōu)于SPSJ-2；SPSJ-1的翼緣蓋板厚度大于SPSJ-3，而預(yù)應(yīng)力拉索初始索力小于SPSJ-3的，SPSJ-1的極限承載力明顯優(yōu)于SPSJ-3的，說(shuō)明SPSJ-1的節(jié)點(diǎn)性能明顯優(yōu)于SPSJ-3；SPSJ-1的整體性能明顯優(yōu)于其他四組節(jié)點(diǎn)，表明翼緣蓋板厚度和預(yù)應(yīng)力拉索初始索力的合理設(shè)計(jì)，既可以提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力，同時(shí)也可以有效減小主體結(jié)構(gòu)塑性變形區(qū)域的面積，過(guò)大的初始索力和翼緣蓋板厚度都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)性能造成不利影響。

通過(guò)以上分析可知，翼緣蓋板厚度和初始拉索索力的合理設(shè)計(jì)是保證節(jié)點(diǎn)具有良好修復(fù)性能的關(guān)鍵。

3.4 性能指標(biāo)

通過(guò)數(shù)據(jù)處理，可獲得各模型的屈服彎矩My及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角θy、峰值彎矩Mu及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻的轉(zhuǎn)角θmax、位移延性系數(shù)μ等試驗(yàn)性能指標(biāo)，如表4所示。其中，θ0.8Mu為模型承載力下降至0.8Mu所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角，位移延性系數(shù)μ=θ0.8Mu/θy。可知，增加翼緣蓋板的厚度對(duì)于提高節(jié)點(diǎn)模型屈服承載力和極限承載力作用較明顯，而增大索力也可以提高節(jié)點(diǎn)模型的承載力，但作用效果不如加厚蓋板明顯。所有節(jié)點(diǎn)模型的延性系數(shù)均大于3，滿足最低抗震性能要求，結(jié)構(gòu)具有良好的延性。

表4 節(jié)點(diǎn)模型主要性能指標(biāo)Table 4 Main performance indexes of joint models

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)5組節(jié)點(diǎn)模型的對(duì)比，分析了所獲得的荷載-位移曲線、索力變化曲線、破壞模式以及應(yīng)力變化曲線等數(shù)據(jù)，研究了狗骨削弱蓋板厚度以及初始拉索預(yù)拉力大小對(duì)節(jié)點(diǎn)模型的抗震性能的影響，得到了以下結(jié)論：

1)所提出的復(fù)合承載型自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)具有良好的承載能力、耗能能力以及自復(fù)位能力、良好的延性和可修復(fù)性，同時(shí)具備承載結(jié)構(gòu)阻尼器的功能。

2)增加狗骨削弱蓋板厚度或拉索預(yù)拉力均可提升節(jié)點(diǎn)的承載能力，但狗骨削弱蓋板厚度對(duì)其影響更加顯著。

3)通過(guò)在構(gòu)件上設(shè)置翼緣連接蓋板，可有效提高構(gòu)件的耗能能力，降低拉索初始預(yù)拉力，保證拉索在地震作用下具有較大的安全系數(shù)。

4)帶狗骨削弱蓋板的節(jié)點(diǎn)在疲勞加載過(guò)程中表現(xiàn)出與不具有蓋板的節(jié)點(diǎn)在常規(guī)加載中相同的承載能力和耗能能力，證明本文研究的節(jié)點(diǎn)在震后依然能抵御多次較大余震。

5)預(yù)應(yīng)力拉索可以補(bǔ)償運(yùn)用削弱蓋板的削弱型節(jié)點(diǎn)的承載力，狗骨削弱蓋板可以在提高預(yù)應(yīng)力拉索節(jié)點(diǎn)耗能能力的同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)梁段起到保護(hù)作用，兩者的復(fù)合承載作用提高了節(jié)點(diǎn)的安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。