白久林，馮明富，李文學(xué)，陳輝明，劉明輝，金雙雙

(1. 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶 400045；2. 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045；3. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

地震是當(dāng)前人類(lèi)面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，往往造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損[1-3]。防屈曲支撐(BRB)作為一種新型的金屬耗能構(gòu)件，其在拉壓均能實(shí)現(xiàn)屈服耗能，往復(fù)荷載作用下強(qiáng)度和剛度穩(wěn)定，能耗散大量地震能量[4-5]，目前廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)形式新建結(jié)構(gòu)[6-8]的抗震和既有結(jié)構(gòu)加固中[9]。在鋼筋混凝土(RC)框架結(jié)構(gòu)中布置BRB，可為結(jié)構(gòu)提供附加剛度和強(qiáng)度，形成雙重抗側(cè)力體系[10]，在地震作用下，BRB 作為結(jié)構(gòu)的“保險(xiǎn)絲”先屈服耗能[11]，從而減少主體結(jié)構(gòu)的損傷。

一般地，BRB 通過(guò)節(jié)點(diǎn)板將支撐力傳遞給框架結(jié)構(gòu)。在BRB-RC 框架結(jié)構(gòu)中，支撐與RC 框架之間具有可靠的連接，才能保證BRB 充分發(fā)揮其優(yōu)異的力學(xué)性能。相比于BRB 與鋼框架節(jié)點(diǎn)的連接，節(jié)點(diǎn)板與RC 梁柱節(jié)點(diǎn)的連接稍顯復(fù)雜，需借助特殊構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐拉壓軸力的有效傳遞。

傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)連接采用節(jié)點(diǎn)板與梁柱混凝土里的預(yù)埋件焊接、節(jié)點(diǎn)板再與BRB 直接相連的方式[12]，諸多學(xué)者對(duì)其力學(xué)性能展開(kāi)了研究。李國(guó)強(qiáng)等[13]開(kāi)展了夾板錨式連接節(jié)點(diǎn)在復(fù)合受力狀態(tài)下的單調(diào)受力性能與滯回性能試驗(yàn)，結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)在各種受力狀態(tài)下對(duì)BRB 耗能效果影響并不顯著。宮海等[14]通過(guò)有限元模擬分析了一種新型腹板開(kāi)孔H 型鋼式連接節(jié)點(diǎn)，其適用于200 t～500 t的支撐節(jié)點(diǎn)連接。朱江和李幗昌[15]通過(guò)有限元軟件分析了鋼板-栓釘整體式節(jié)點(diǎn)的極限狀態(tài)和失效模式，該節(jié)點(diǎn)承載能力較強(qiáng)，能滿(mǎn)足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的抗震要求。

然而，對(duì)于已有的BRB-RC 框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接形式，在強(qiáng)震作用下，框架與節(jié)點(diǎn)板之間將產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，使節(jié)點(diǎn)板連接處存在焊縫疲勞撕裂的風(fēng)險(xiǎn)，易導(dǎo)致連接節(jié)點(diǎn)先于支撐發(fā)生破壞[16]。此外，由于鋼和混凝土材料性能的差異，BRB-RC 框架節(jié)點(diǎn)之間相互作用效應(yīng)更加復(fù)雜。為更好地推進(jìn)BRB 在RCF 結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，亟需發(fā)展一種傳力路徑明確、節(jié)點(diǎn)連接可靠、安全儲(chǔ)備較高的BRB-RC 框架新型連接方式。

1 新型開(kāi)孔鋼板(PBL)連接節(jié)點(diǎn)

在BRB-RC 框架結(jié)構(gòu)中，常用的連接節(jié)點(diǎn)形式有夾板錨式[13]、腹部開(kāi)孔H 型鋼[14]、預(yù)埋鋼骨式等，如圖1 所示。以BRB 軸力為依據(jù)來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)板內(nèi)力稱(chēng)為“支撐作用”，而僅考慮框架同BRB 的相互作用計(jì)算得出的節(jié)點(diǎn)板內(nèi)力稱(chēng)為“框架作用”[17]。研究表明支撐作用同框架作用在多數(shù)情況下處于同一個(gè)量級(jí)[18]，這表明傳統(tǒng)的未考慮框架作用的節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì)方法，可能會(huì)使得節(jié)點(diǎn)板成為整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，導(dǎo)致整個(gè)支撐體系提前退出工作而不能完全發(fā)揮“保險(xiǎn)絲”的作用。

圖1 BRB-RC 框架連接節(jié)點(diǎn)類(lèi)型Fig. 1 BRB-RC frame connections

框架作用又稱(chēng)“開(kāi)合效應(yīng)”，以?shī)A板錨式節(jié)點(diǎn)為例：當(dāng)BRB 受拉時(shí)(圖2(a))，混凝土框架梁柱閉合對(duì)節(jié)點(diǎn)板有擠壓作用；當(dāng)BRB 受壓時(shí)(圖2(b))，梁柱張開(kāi)對(duì)節(jié)點(diǎn)板有拉緊作用。在這兩種狀態(tài)下，框架的開(kāi)合效應(yīng)會(huì)使得節(jié)點(diǎn)板與梁柱交接面的應(yīng)力顯著提高。特別是在強(qiáng)震大變形下，地震往復(fù)作用引起的低周疲勞效應(yīng)會(huì)使得節(jié)點(diǎn)板連接處的剪切破壞先于BRB 破壞，導(dǎo)致BRB 提前退出工作而不能發(fā)揮出其優(yōu)良的耗能作用。

圖2 開(kāi)合效應(yīng)Fig. 2 Opening and closing effect

為了削弱開(kāi)合效應(yīng)的不利影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量研究。Ishii 等[19]針對(duì)BRB 在RC框架加固中的連接問(wèn)題，提出了在梁端側(cè)表面通過(guò)鋼板與BRB 相連的加固策略。Fahnestock 等[20]提出了在鋼框架梁端采用腹板拼接的連接方法，允許BRB 連接節(jié)點(diǎn)有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，但保持有限的梁端彎矩傳遞。Walters 等[21]考慮到樓板存在時(shí)腹板連接將產(chǎn)生很大的抗彎承載力，提出了截面上翼緣連接承載、腹板和下翼緣不承載僅提供轉(zhuǎn)動(dòng)的新型鋼框架-BRB 連接節(jié)點(diǎn)。隨后，Prinz 等[22]進(jìn)行了此類(lèi)連接中不考慮腹板的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，結(jié)果表明這類(lèi)節(jié)點(diǎn)具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，傳遞到節(jié)點(diǎn)的彎矩較小，且強(qiáng)震下?lián)p傷較小。Berman 等[23]為完全消除框架開(kāi)合效應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的不利影響，提出了BRB-鋼框架結(jié)構(gòu)的無(wú)約束節(jié)點(diǎn)板，即節(jié)點(diǎn)板僅與梁連接，試驗(yàn)結(jié)果表明該新型連接節(jié)點(diǎn)具有優(yōu)良的抗震性能。進(jìn)一步，曲哲等[24]將無(wú)約束節(jié)點(diǎn)板應(yīng)用到RC 框架結(jié)構(gòu)中。趙俊賢等[25]提出了節(jié)點(diǎn)板與梁柱通過(guò)滑移摩擦連接來(lái)減小節(jié)點(diǎn)板上的剪應(yīng)力的新型連接節(jié)點(diǎn)，結(jié)果表明該新型節(jié)點(diǎn)能有效減小界面的應(yīng)力水平。侯和濤等[26]提出了一種BRB 與混凝土框架的干式梁柱連接節(jié)點(diǎn)，研究表明BRB 僅與梁連接時(shí)，該節(jié)點(diǎn)具有較大的變形能力，滿(mǎn)足抗震設(shè)計(jì)要求?？梢钥闯觯延械难芯刻峁┝私档突蛳_(kāi)合效應(yīng)的一般方法和思路，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)是可行和有效的。但是，對(duì)于RC 框架結(jié)構(gòu)與BRB 的節(jié)點(diǎn)連接，目前僅聚焦在節(jié)點(diǎn)構(gòu)造試驗(yàn)上，對(duì)RC 梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力性能的影響分析及設(shè)計(jì)方法，未形成具體的、可用的解決方案。

為了保證BRB 與RC 框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接安全可靠，充分發(fā)揮BRB 的耗能減震作用，本文提出了一種新型開(kāi)孔鋼板剪力鍵(PBL)一體化連接節(jié)點(diǎn)。PBL 具有承載能力高、剪切剛度大、滑移量小的優(yōu)點(diǎn)[27]，在組合結(jié)構(gòu)中已被廣泛應(yīng)用。圖3給出了PBL 節(jié)點(diǎn)板的示意圖。一體化PBL 節(jié)點(diǎn)板按照功能可分為兩個(gè)部分，第一部分是與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)板對(duì)應(yīng)的外置部分，其裸露在梁柱混凝土外，并直接與BRB 相連；第二部分是嵌入到梁柱混凝土內(nèi)的部分，稱(chēng)為一體化節(jié)點(diǎn)板埋入部分，該部分主要通過(guò)PBL 來(lái)傳遞由外置節(jié)點(diǎn)板部分傳遞過(guò)來(lái)的BRB 軸力。

如圖3 所示，在RC 框架梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)用PBL時(shí)，應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性使得PBL 的布置為“L”形。已有PBL 的研究成果較多，但大多數(shù)分布較規(guī)整(即PBL 在開(kāi)孔鋼板上呈行、列或矩形分布)，研究成果無(wú)法直接應(yīng)用和借鑒。另外，受梁柱開(kāi)合效應(yīng)、強(qiáng)震往復(fù)大變形及低周疲勞效應(yīng)的影響，PBL 節(jié)點(diǎn)板受力復(fù)雜，特別是節(jié)點(diǎn)區(qū)域。因此，有必要對(duì)本文所提的新型節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行深入研究，提出其設(shè)計(jì)方法，明確其承載機(jī)理，為工程應(yīng)用提供參考。

2 新型節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計(jì)方法

2.1 節(jié)點(diǎn)板的設(shè)計(jì)方法

BRB 的最大軸力Pmax是節(jié)點(diǎn)板設(shè)計(jì)的最主要依據(jù)，其值可根據(jù)考慮受壓調(diào)整系數(shù) β和受拉承載力Pmax,T來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

目前節(jié)點(diǎn)板的設(shè)計(jì)方法主要有均應(yīng)力法[28]和泛應(yīng)力法[29]。由于泛應(yīng)力法能克服支撐傾角過(guò)大或者過(guò)小時(shí)，均應(yīng)力法計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)板尺寸不規(guī)則的不足，其在實(shí)際工程中運(yùn)用更多。泛應(yīng)力法假設(shè)節(jié)點(diǎn)板梁柱交界面處的力分別作用在節(jié)點(diǎn)板兩邊緣的中點(diǎn)，柱交界面處的合力延長(zhǎng)線(xiàn)交于柱控制點(diǎn)，梁交界面的合力的延長(zhǎng)線(xiàn)交于梁控制點(diǎn)，其兩合力同支撐軸力交于節(jié)點(diǎn)板控制點(diǎn)，如圖4 所示。

圖4 泛應(yīng)力法Fig. 4 Generalized uniform force method

根據(jù)式(2)～式(5)所計(jì)算的節(jié)點(diǎn)板交界面處的荷載，可以進(jìn)一步計(jì)算出節(jié)點(diǎn)板在交界面處的切向應(yīng)力和法向應(yīng)力：

式中：DCRm為等效應(yīng)力比，其值小于1 時(shí)，節(jié)點(diǎn)板能夠滿(mǎn)足應(yīng)力要求。為防止節(jié)點(diǎn)板發(fā)生面外失穩(wěn)，節(jié)點(diǎn)板尺寸不應(yīng)過(guò)大，且應(yīng)焊接邊緣加勁肋。在框架內(nèi)部，節(jié)點(diǎn)板與梁接觸的一端延伸至梁底部箍筋位置處，與柱接觸的一端同樣延伸到柱邊緣的箍筋處，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域也按此規(guī)則延伸，形成剪力鍵布置區(qū)域。

2.2 PBL 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

PBL 的設(shè)計(jì)包括鋼板的開(kāi)孔尺寸和數(shù)量、貫穿鋼筋的直徑和長(zhǎng)度。BRB 傳至節(jié)點(diǎn)區(qū)的承載力為[30]：式中：ω和β 分別為屈曲約束支撐的設(shè)計(jì)位移下應(yīng)變硬化系數(shù)和拉壓不平衡系數(shù)，本文取ω=1.1，β=1.2；Fy為BRB 的設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度值。

根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[31]，單個(gè)PBL 的承載力為：

式中：Vpud為單個(gè)PBL 在承載能力極限狀態(tài)下的抗剪承載力設(shè)計(jì)值；d和ds分別為鋼板開(kāi)孔直徑和貫穿鋼筋直徑；fcd和fsd分別為混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和貫穿鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

假定所有PBL 的形心在BRB 的軸線(xiàn)上，且每個(gè)PBL 均勻承擔(dān)BRB 軸力，則可算出PBL 個(gè)數(shù)nPBL的最低要求：

然后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)板的尺寸及PBL 間距要求(≥2.25d)，可確定PBL 的布置位置。若PBL 的布置有困難時(shí)，可通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)整節(jié)點(diǎn)板的開(kāi)孔直徑d和貫穿鋼筋直徑ds的大小來(lái)滿(mǎn)足。此外，已有的研究成果表明[32]，貫穿鋼筋的長(zhǎng)度對(duì)于PBL的承載力影響極小，因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中將貫穿鋼筋兩端可分別延伸至梁箍筋位置即可。

此外，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量保證PBL 在節(jié)點(diǎn)板上沿BRB 軸向力方向?qū)ΨQ(chēng)布置。由于設(shè)計(jì)和施工誤差造成的剪力鍵群形心不在BRB 軸向力方向時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行偏心剪力鍵群的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3 PBL 節(jié)點(diǎn)應(yīng)用探討

PBL 節(jié)點(diǎn)板的受力全過(guò)程可分為彈性階段、強(qiáng)化階段和破壞階段。在彈性階段，節(jié)點(diǎn)板與核心區(qū)混凝土的滑移量極小，節(jié)點(diǎn)板與核心區(qū)混凝土之間的粘結(jié)力未發(fā)生破壞，承載機(jī)制為混凝土榫、貫穿鋼筋以及節(jié)點(diǎn)板和核心區(qū)混凝土的粘結(jié)。在強(qiáng)化段和破壞階段，滑移量較大，節(jié)點(diǎn)板和核心區(qū)混凝土的粘結(jié)發(fā)生破壞，承載機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷灵竞拓灤╀摻睿鐖D5 所示。對(duì)于本文的PBL 一體化節(jié)點(diǎn)，在進(jìn)行PBL 設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)BRB 傳來(lái)的軸力進(jìn)行放大，以確保節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土的安全，即PBL 節(jié)點(diǎn)板受力處于彈性階段。

圖5 PBL 節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理Fig. 5 Failure mechanism of PBL connection

對(duì)于本文的新型PBL 節(jié)點(diǎn)，其在實(shí)際工程運(yùn)用時(shí)，尚應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

1)貫穿鋼筋宜采用帶肋鋼筋，能夠保證其與混凝土更好的粘結(jié)；節(jié)點(diǎn)板宜采用Q345 級(jí)以上的鋼材，保證節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度；貫穿鋼筋直徑不應(yīng)大于開(kāi)孔直徑的1/2。

2)節(jié)點(diǎn)板插入節(jié)點(diǎn)中時(shí)，與節(jié)點(diǎn)板相交的箍筋可采用鋼筋箍或鋼板箍，并采用焊接的方式與節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行連接。若節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋數(shù)量較多，且有垂直方向的縱筋穿過(guò)時(shí)，可將核心區(qū)節(jié)點(diǎn)板切割掉，僅保留梁柱部分節(jié)點(diǎn)板，如圖6 所示。

圖6 切割核心區(qū)節(jié)點(diǎn)板Fig. 6 Cutting gusset plate of core area

3)在PBL 剪力鍵設(shè)計(jì)時(shí)，剪力鍵群初步可按平均受剪設(shè)計(jì)，按偏心受剪驗(yàn)算。

3 基于開(kāi)孔鋼板(PBL)連接節(jié)點(diǎn)的BRB-RC 框架結(jié)構(gòu)

3.1 結(jié)構(gòu)分析模型

原始結(jié)構(gòu)為一座18 層的BRB-RC 框架，所在地區(qū)的設(shè)防烈度為8 度(0.20g), 場(chǎng)地特征周期為0.45 s，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)層平立面布置圖如圖7 和圖8 所示。BRB 的布置采用V 字形，結(jié)構(gòu)主梁尺寸為800 mm×400 mm，次梁為600 mm×300 mm，其余結(jié)構(gòu)信息詳見(jiàn)表1。

表1 房屋結(jié)構(gòu)尺寸信息Table 1 Information of structure

圖7 結(jié)構(gòu)平面圖Fig. 7 Structural plan layout

圖8 選取分析的框架節(jié)點(diǎn) /m Fig. 8 Selected subassemblage of BRB-RCF

3.2 防屈曲支撐的設(shè)計(jì)

BRB 沿其縱向可劃分為連接段、過(guò)渡段以及屈服段，如圖9 所示。采用基于剛度比的方法對(duì)BRB 進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中剛度比定義為樓層所有BRB的水平抗側(cè)剛度之和與該樓層框架的抗側(cè)剛度的比值，框架的樓層剛度采用D 值法計(jì)算。由于剛度比的值影響到結(jié)構(gòu)屈服承載力、極限承載能力及節(jié)點(diǎn)受力情況[33]，本文采用1.0 的剛度比來(lái)設(shè)計(jì)BRB[34]，進(jìn)而可算出單根BRB 的水平等效抗側(cè)剛度Keff。為了使BRB 盡早屈服耗能，本文采用低屈服點(diǎn)鋼材Q160LY 作為BRB 的芯材。

圖9 BRB 的內(nèi)芯組成Fig. 9 Configuration of a BRB core plate

防屈曲支撐的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖10 所示，其中單根BRB 等效抗側(cè)剛度Keff按式(13)計(jì)算。

圖10 BRB 設(shè)計(jì)流程圖Fig. 10 Design flowchart of BRB

式中：KD為單根BRB 在水平方向上的抗側(cè)剛度；α 為BRB 與樓層水平向的夾角。

BRB 沿長(zhǎng)度方向的截面積是非均勻的[35](如圖10 所示)，根據(jù)BRB 的等效抗側(cè)剛度Keff和等效彈性模量Eeff，可計(jì)算出所需要的內(nèi)芯截面面積Ac：

其中：

式中：E為BRB 芯材的彈性模量；Ac、Aj和At與Lc、Lj和Lt分別為BRB 的屈服段、過(guò)渡段和連接段的面積和長(zhǎng)度。連接段、過(guò)渡段及屈服段之間的幾何關(guān)系參考文獻(xiàn)[36]的取值，核心段材料的超強(qiáng)系數(shù)取為1.1，進(jìn)而可計(jì)算出各樓層BRB 的主要參數(shù)，如表2 所示。

表2 BRB 主要參數(shù)表Table 2 Main parameters of BRBs

4 有限元模擬

4.1 材料參數(shù)及本構(gòu)

本文采用通用有限元ABAQUS 來(lái)進(jìn)行模擬，混凝土采用塑性損傷(Concrete Damaged Plasticity)本構(gòu)模型。根據(jù)我國(guó)混凝土規(guī)范[37]，可計(jì)算出混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及對(duì)應(yīng)的損傷因子。兩種強(qiáng)度混凝土的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)如圖11 所示。所有鋼筋、箍筋及開(kāi)孔鋼板的本構(gòu)關(guān)系采用雙線(xiàn)性模型，其中第二剛度系數(shù)取1%。為了模擬BRB在軸向力作用下的拉壓不對(duì)稱(chēng)的力學(xué)行為，BRB采用OpenSees 材料庫(kù)中提供的Steel02 本構(gòu)[38]。

圖11 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)Fig. 11 Stress-strain relationship curves of concrete

4.2 相互作用與邊界條件

PBL 節(jié)點(diǎn)按彈性階段設(shè)計(jì)，由于其彈性剛度較大，其與混凝土之間的粘接滑移很小，可以忽略不計(jì)；同時(shí)忽略鋼筋骨架和混凝土之間的相對(duì)滑移。因此整體式節(jié)點(diǎn)板、貫穿鋼筋、鋼筋骨架與混凝土之間的接觸關(guān)系通過(guò)Embed 來(lái)模擬?？紤]到BRB 只承受軸力，BRB 采用Truss 單元模擬，BRB 與節(jié)點(diǎn)板的接觸形式采用MPC-pin 約束，模型的荷載及邊界條件見(jiàn)圖8。梁柱、鋼板、貫穿鋼筋采用C3D8R 單元，網(wǎng)格尺寸分別為100 mm、50 mm、15 mm。鋼筋采用T3D2 單元，網(wǎng)格尺寸為15 mm。

4.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

為了對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證，重新設(shè)計(jì)了一幢7 層BRB-RCF 原型結(jié)構(gòu)，并開(kāi)展了足尺的子系統(tǒng)試驗(yàn)。選取第二層BRB 節(jié)點(diǎn)作為本文子系統(tǒng)試驗(yàn)的對(duì)象，其中A、C、D點(diǎn)分別為上下柱反彎點(diǎn)、梁反彎點(diǎn)。試驗(yàn)裝置如圖12 所示，其中柱截面尺寸為500 mm×500 mm，梁截面為450 mm×450 mm，BRB 采用12.9 級(jí)高強(qiáng)螺栓與節(jié)點(diǎn)板和底座連接。試驗(yàn)采用擬靜力加載方式，柱端以0.3 的軸壓比施加豎向荷載，在梁柱加載點(diǎn)(A和B)同時(shí)施加逐步遞增的層間位移角幅值(±1/550、±1/200、±1/100、±1/50 和±3/100)以探究該節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下的滯回性能。

圖12 試驗(yàn)裝置圖Fig. 12 Diagram of test setup

節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)破壞情況如圖13 所示。在加載過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了兩條主要裂縫，節(jié)點(diǎn)板邊緣處最先出現(xiàn)裂縫，隨著加載位移的增大而不斷地?cái)U(kuò)展和延伸。節(jié)點(diǎn)板區(qū)域的混凝土在加載前期基本未出現(xiàn)裂縫，在較大的側(cè)向變形時(shí)才出現(xiàn)了較細(xì)的裂縫。在3%的層間位移角下，整個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷，仍可繼續(xù)承載。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型開(kāi)孔鋼板連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于混凝土框架結(jié)構(gòu)中的BRB 連接可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定耗能，節(jié)點(diǎn)的連接較為安全和可靠。

圖13 節(jié)點(diǎn)的破壞情況Fig. 13 Failure mode of connection

圖14 給出了PBL 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)與有限元模擬的層間位移角-節(jié)點(diǎn)基底剪力關(guān)系曲線(xiàn)的對(duì)比。可以看出，整個(gè)子結(jié)構(gòu)的滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)，表明該節(jié)點(diǎn)具有可靠的連接性能，能保證BRB 充分有效地耗散地震能量。此外，試驗(yàn)曲線(xiàn)與有限元模擬結(jié)果擬合較好，表明本文的數(shù)值分析能有效地模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

圖14 滯回曲線(xiàn)的對(duì)比Fig. 14 Comparison of hysteresis curves

4.4 節(jié)點(diǎn)的選取和設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步分析PBL 節(jié)點(diǎn)在地震作用下的力學(xué)性能，對(duì)18 層原型結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)、單向和往復(fù)荷載分析，研究該節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)制和破壞模式。選取圖8 中的節(jié)點(diǎn)，其中混凝土梁柱縱筋均為HRB400，箍筋采用HPB300，節(jié)點(diǎn)板采用Q345 鋼，梁柱配筋詳圖如圖15 所示。

圖15 梁柱配筋示意圖 /mmFig. 15 Details of RC components

根據(jù)前述的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法，可分別設(shè)計(jì)出節(jié)點(diǎn)板尺寸、節(jié)點(diǎn)板開(kāi)孔直徑、PBL 的數(shù)量以及貫穿鋼筋的直徑，具體尺寸可見(jiàn)圖16。其中貫穿鋼筋的直徑取為40 mm，鋼板開(kāi)孔直徑為100 mm，單個(gè)PBL 的抗剪承載力設(shè)計(jì)值為851.64 kN，PBL的布置數(shù)量取為16 個(gè)。

圖16 節(jié)點(diǎn)詳細(xì)尺寸 /mmFig. 16 Details of gusset

5 單向推覆分析

單向推覆分析時(shí)，加載控制點(diǎn)見(jiàn)圖8 所示，加載目標(biāo)位移為4%的層間位移角。

5.1 力-位移曲線(xiàn)

圖17 給出了節(jié)點(diǎn)基底剪力及BRB 的力-位移關(guān)系曲線(xiàn)。從圖17(a)中可以看出，荷載-位移曲線(xiàn)可分為3 段。當(dāng)加載層間位移角小于0.18%時(shí)，整個(gè)子結(jié)構(gòu)處于彈性段；此后，BRB 開(kāi)始屈服。由于本文分析的節(jié)點(diǎn)是一雙重抗側(cè)體系，BRB在整個(gè)節(jié)點(diǎn)中的抗側(cè)剛度占比較大，是主要的抗側(cè)力構(gòu)件。因此，BRB 屈服后整個(gè)節(jié)點(diǎn)的剛度變化明顯，曲線(xiàn)變得平緩。子結(jié)構(gòu)加載的層間位移角超過(guò)0.8%后，結(jié)構(gòu)開(kāi)始屈服，整體剛度有所下降，結(jié)構(gòu)進(jìn)入強(qiáng)化階段。圖17(b)給出了BRB 的力-位移曲線(xiàn)?？梢园l(fā)現(xiàn)BRB 在較小的層間位移角下便屈服，是抗震的第一道防線(xiàn)。

圖17 力-位移曲線(xiàn)Fig. 17 Force-displacement curve

5.2 節(jié)點(diǎn)板

節(jié)點(diǎn)板作為PBL 節(jié)點(diǎn)中重要的傳力部件，應(yīng)滿(mǎn)足承載力和穩(wěn)定性要求。節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力分布情況如圖18 所示。從圖18(a)中可以看出，節(jié)點(diǎn)板外置部分承擔(dān)的應(yīng)力明顯大于埋入混凝土部分的應(yīng)力。這是由于裸露部分的節(jié)點(diǎn)板與BRB 相連，直接承受BRB 所傳來(lái)的軸力；而埋入混凝土部分的節(jié)點(diǎn)板，由于其與混凝土的粘結(jié)作用，再加上貫穿鋼筋分擔(dān)剪力，節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力能夠有效的傳入混凝土當(dāng)中。加載過(guò)程中，隨著側(cè)向位移的增加，應(yīng)力不斷向節(jié)點(diǎn)核心區(qū)擴(kuò)散，在節(jié)點(diǎn)板上表現(xiàn)為沿BRB 軸向方向的應(yīng)力逐漸增大。整個(gè)節(jié)點(diǎn)板在4.0%的側(cè)向位移下仍然保持為彈性，表明該節(jié)點(diǎn)具有較好的安全儲(chǔ)備。

圖18 節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力情況(4%IDR) /PaFig. 18 Stress response of gusset plate

從圖18(b)可以看出，貫穿鋼筋整體處于彈性，承受的應(yīng)力水平較小。就貫穿鋼筋的應(yīng)力分布來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)板最右側(cè)角部貫穿鋼筋的應(yīng)力較其余部分要大。這是由于BRB 與梁的水平夾角大于45°，節(jié)點(diǎn)板在受到BRB 壓力作用時(shí)有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，進(jìn)而使得此處貫穿鋼筋的應(yīng)力水平稍大。

5.3 鋼筋骨架

鋼筋骨架的應(yīng)力分布如圖19 所示。在0.5%的層間位移角時(shí)，除梁底縱筋有局部屈服外，整個(gè)骨架基本處于彈性階段。在1%的層間位移角下，節(jié)點(diǎn)板邊緣部分梁底縱筋基本屈服，并且梁頂縱筋部分區(qū)域也受壓屈服。2%的層間位移角時(shí)，縱筋屈服區(qū)域不斷向兩端擴(kuò)散；同時(shí)梁受到的剪力較大，箍筋的應(yīng)力增加較快，梁變形逐漸加劇。當(dāng)加載到4%層間位移角時(shí)，梁變形十分明顯，整個(gè)節(jié)點(diǎn)板區(qū)域以外梁的鋼筋應(yīng)力水平很大，部分箍筋已經(jīng)屈服，進(jìn)入強(qiáng)化階段。

圖19 鋼筋骨架的應(yīng)力 /PaFig. 19 Stress response of rebars

4%層間位移角時(shí)，梁在節(jié)點(diǎn)板邊緣處產(chǎn)生了集中變形，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)板的存在，使節(jié)點(diǎn)域內(nèi)的剛度變大，梁的剛度相對(duì)來(lái)說(shuō)較弱，因此產(chǎn)生更大的變形。

6 滯回性能分析

為分析新型PBL 節(jié)點(diǎn)在地震作用下的抗震性能，對(duì)結(jié)構(gòu)模型施加往復(fù)荷載作用，加載模式如圖20 所示，即分別在0.2%、0.5%、1%、2%和3%的層間位移角下進(jìn)行正、反向單圈循環(huán)加載，獲得的節(jié)點(diǎn)滯回曲線(xiàn)如圖21 所示?？梢钥闯?，框架節(jié)點(diǎn)的滯回曲線(xiàn)飽滿(mǎn)，節(jié)點(diǎn)的耗能能力較強(qiáng)，當(dāng)承受地震作用的時(shí)候，采用新型PBL 節(jié)點(diǎn)的BRB-RC 框架能夠有效的抵抗地震作用。

圖20 加載模式Fig. 20 Loading protocol

圖21 PBL 節(jié)點(diǎn)滯回曲線(xiàn)Fig. 21 Hysteresis curve of PBL connection

圖22 給出了節(jié)點(diǎn)模型中，沿梁-柱-節(jié)點(diǎn)板中部切開(kāi)后截面的應(yīng)力分布圖。當(dāng)節(jié)點(diǎn)承受單向(受拉或受壓)荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)部受力機(jī)理同推覆分析相同，隨著加載位移的增大，應(yīng)力分布沿BRB 軸線(xiàn)方向往節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不斷的擴(kuò)散。在相同側(cè)向位移情況下，BRB 受拉和受壓對(duì)節(jié)點(diǎn)板的影響不同。BRB 受壓時(shí)，節(jié)點(diǎn)板產(chǎn)生的張拉效應(yīng)使節(jié)點(diǎn)板與梁中混凝土產(chǎn)生擠壓作用，導(dǎo)致該部分應(yīng)力較大。BRB 受拉時(shí)，混凝土的約束作用會(huì)使其產(chǎn)生向內(nèi)的擠壓。即框架對(duì)節(jié)點(diǎn)板產(chǎn)生的附加作用力與傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)不同，PBL 節(jié)點(diǎn)將其從節(jié)點(diǎn)板外置部分轉(zhuǎn)移到了混凝土的內(nèi)部，這相當(dāng)于其產(chǎn)生的附加作用力在框架梁柱內(nèi)部自平衡，對(duì)節(jié)點(diǎn)板外置部分產(chǎn)生的影響較小，從而有效減小開(kāi)合效應(yīng)的不利影響。

圖22 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部應(yīng)力分布 /Pa Fig. 22 Internal stress distribution of gusset

圖23 給出了在3%的層間位移下，PBL 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部混凝土受拉損傷分布圖。可以看出，對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域，混凝土的損傷較小，這是由于PBL節(jié)點(diǎn)板按照彈性階段進(jìn)行設(shè)計(jì)，BRB 的軸力主要依靠貫穿鋼筋和混凝土榫共同承擔(dān)，節(jié)點(diǎn)板與周?chē)炷林g無(wú)相對(duì)滑移，整個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同共同受力。因此，本文所發(fā)展的PBL 一體化節(jié)點(diǎn)具有較高的承載能力，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)作為受力較為復(fù)雜的區(qū)域，具有一定的安全儲(chǔ)備，可保證節(jié)點(diǎn)的可靠連接。

圖23 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部混凝土受拉損傷Fig. 23 Tensile damage of concrete in connection region

7 結(jié)論

本文提出了一種新型防屈曲支撐-RC 框架開(kāi)孔鋼板剪力鍵的連接節(jié)點(diǎn)形式，并對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元模擬和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)在單向推覆及往復(fù)荷載作用下表現(xiàn)出穩(wěn)定的力學(xué)性能。其要點(diǎn)總結(jié)如下：

(1) PBL 一體化節(jié)點(diǎn)板和貫穿鋼筋埋入混凝土中，在混凝土框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)形成節(jié)點(diǎn)剛域，可有效提高節(jié)點(diǎn)的承載能力和抗震性能，在3%的層間位移角下，連接節(jié)點(diǎn)未發(fā)生破壞，BRB 表現(xiàn)出穩(wěn)定的耗能性能。

(2) 新型PBL 一體化節(jié)點(diǎn)板能使梁端塑性鉸外移，節(jié)點(diǎn)板邊緣梁縱筋在0.5%的層間位移角下開(kāi)始屈服，節(jié)點(diǎn)板錨固區(qū)域內(nèi)鋼筋始終保持彈性。一體化節(jié)點(diǎn)板有助于實(shí)現(xiàn)損傷可控設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)原則。

(3) 分析結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)能在一定程度上減輕“框架作用”對(duì)節(jié)點(diǎn)的不利影響，只考慮支撐作用的設(shè)計(jì)方法能保證節(jié)點(diǎn)性能的可靠性。另外，PBL 在一體化節(jié)點(diǎn)板上中布置靈活，該設(shè)計(jì)方法可適用于不同噸位的BRB 節(jié)點(diǎn)連接。