新型鋼框架節點的耗能板件參數化數值分析★

蔡佩孚 王 珺 馮玉龍 胡新航 王 順 彭佳豪

(合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230001)

0 引言

震害調查表明，傳統的鋼框架節點在地震中易發生脆性斷裂和失穩變形等不利破壞模式，嚴重影響結構性能和繼續使用[1]。因此，傳統鋼框架節點的抗震性能和可恢復功能性亟待提升。

目前可恢復功能抗震結構已成為近年來國際地震工程領域的研究熱點。呂西林等[2]研究了放松柱端約束、以預應力筋實現自復位能力的框架結構體系，研發了保證局部轉動能力的角鋼—橡膠節點。唐依偉[3]提出采用可更換結構構件及自復位搖擺構件，使結構自動恢復到正常狀態。針對可恢復功能抗震節點，姜子欽等[4]基于損傷控制及滑移耗能等思想，提出了兩種震后功能可快速恢復的裝配式中柱節點耗能裝置。張愛林等[5]提出了一種可恢復功能的裝配式鋼結構梁柱節點，通過翼緣連接蓋板的塑性變形進行耗能，確保梁柱等主要構件保持彈性不發生破壞，以實現節點的震后快速修復。

目前屈曲約束的理念主要應用在鋼支撐構件上，即屈曲約束支撐。王靜峰等[6]進行了5榀屈曲約束支撐與鋼框架節點板連接試件的水平低周往復荷載試驗，得到了很好的抗震性能；楊璐等[7]對3根全鋼型裝配式屈曲約束支撐進行了往復加載試驗，滯回曲線飽滿，耗能性能穩定。

對此，本文將“屈曲約束”理念引入節點，將一對屈曲約束耗能板件(類似于屈曲約束支撐)分別設置在框架梁上下翼緣位置，提出了一種含屈曲約束耗能組件的鋼框架節點。利用ABAQUS有限元軟件，數值分析了核心板加載端非約束長度和約束條件兩個參數對屈曲約束核心板滯回性能的影響，以此考察兩參數對節點抗震性能的影響規律。

1 節點及其屈曲約束耗能組件的概念

圖1為本文所提出的節點示意圖，節點由框架梁、框架柱以及屈曲約束耗能組件組成。圖2為屈曲約束耗能組件示意圖，屈曲約束耗能組件主要由側面連接板、耳板和屈曲約束耗能板件三部分組成。兩側連接板分別與兩側耳板在工廠焊接，兩側耳板通過銷軸連接，屈曲約束耗能板件兩側均分別與兩側連接板在工廠焊接。

圖3為屈曲約束耗能板件示意圖，屈曲約束耗能板件主要由核心板、墊板、約束板和填充板組成。核心板面外方向布置約束板，側向布置填充板，在核心板與約束板之間布置墊板(核心板兩端位置)，通過高強度螺栓連接約束板和填充板，對核心板形成屈曲約束機制；在核心板一端通過螺栓連接約束板、墊板和核心板，在核心板另一端約束板懸臂約束核心板，且設置壓縮間隙。

節點遭遇地震時，發生轉動變形，屈曲約束耗能組件主要通過耳板和銷軸傳遞梁端剪力，且設計為彈性；在梁端彎矩作用下，兩個屈曲約束耗能板件主要承擔拉壓力，形成的力矩抵抗外彎矩，由于設置屈曲約束機制，核心板率先發生屈服而不屈曲，可以高效地消耗地震能量，保證主體結構始終處于彈性變形范圍內。震后通過更換屈曲約束耗能組件即可實現可恢復功能，達到震后易修復的目的。

屈曲約束耗能板件是本文提出節點主要耗能構件，且傳遞梁端彎矩，為關鍵部件；此外，由于節點體量比較大。因此，本文選取其中屈曲約束耗能板件系統進行研究(如圖3所示)。

2 屈曲約束耗能板件參數化模型

圖4為屈曲約束耗能板件基準模型的尺寸圖。圖4的核心板包括連接段、核心段、約束段和非約束段，其中，a為核心板非約束段長度。在基準模型的基礎上對核心板非約束段長度和是否約束加載端進行改變，設計了5種對比模型(見表1)。

表1 5種對比模型

3 有限元模型的建立

本文研究的屈曲約束耗能板件除約束板僅考慮彈性，核心板、填充板、墊板均考慮塑性。彈性模量均為200 GPa，泊松比均為0.3，塑性材料采用混合強化模型，其參數設置見表2。表中，δ0為鋼材屈服應力；Q∞為屈服面變化的最大值；b為屈服面隨塑性應變變化的速率；C1,C2,C3及γ1,γ2,γ3均為強化參數。所有部件均采用C3D8R實體單元，圖5為屈曲約束耗能板件和核心板網格劃分，網格尺寸為0.01 m。

表2 材料強化參數標定

核心板端部截面設置位移耦合點，以位移控制的方法對耦合點施加軸向(Y方向)位移荷載，每個幅值只加載一圈，加載制度見圖6。本文模型邊界條件為：核心板連接段完全固定，耦合點施加X和Z方向的約束。所有的接觸均使用罰函數算法，切向摩擦力系數取值為0.1，法向接觸為硬接觸。核心板與墊板、約束板與填充板之間均采用綁定約束。

4 有限元結果分析

4.1 非約束段長度參數化分析結果

圖7為模型A，B，C，D的滯回曲線對比圖。由圖7可知，其曲線形狀基本相似，表明核心板加載端非約束長度基本不影響構件滯回性能；滯回環穩定飽滿，均呈現典型的梭形，表明構件具有良好的耗能能力。承載力未發現下降，加載剛度未出現退化；滯回曲線不是中心對稱，呈現了典型的拉壓承載力不對稱，這是由于受拉壓時，受到的摩擦力不同，在試件受壓時，核心板受擠壓與約束板接觸產生摩擦力，從而使構件承載力提高，核心板受拉時與約束板無接觸，不產生摩擦力。

圖8為模型A，B，C，D的摩擦力—時間曲線。從圖8中可以看成，加載位移小于2 mm時，核心板與約束板未接觸，未產生摩擦力；4種模型的摩擦力—時間曲線較為接近。

圖9為模型A,B,C,D受3 mm拉位移時核心板Z方向變形云圖(本文變形云圖單位均為m)，核心板Z方向變形均小于1 mm，這表明此刻核心板與約束板脫開；核心板核心段兩端和非約束段與約束段的交界處往Z軸正方向鼓出，核心板核心段往Z軸負方向變形，核心板整體呈“V”字形的變形，這主要是由于核心板進入塑性，且不同位置塑性變形大小不同，造成核心板同一截面變形不同。

圖10為受3 mm壓位移時核心板Z方向變形云圖，試件受壓時，核心板整體往Z軸正方向鼓出，僅出現一個波峰，約束段的平面外變形最大(波峰位置)；需要注意的是，非約束段由于受到邊界條件Z方向的約束，其Z方向變形小于約束段。

綜上，可以看出核心板非約束長度對核心板變形形式的影響較小。

圖11為模型A,B,C,D受3 mm壓位移時核心板PEEQ(75%等效塑性應變)云圖。核心板核心段靠近約束段位置的塑性應變最大，核心板兩端處于彈性狀態，很好地實現了該屈曲約束板件所要達到的預期性能目標。

圖12為模型受3 mm壓位移時約束板CPRESS云圖(接觸應力，本文應力云圖單位均為N/m2)。可見屈曲約束耗能板件受壓時，核心板與約束板接觸，產生了摩擦力。

4.2 端部約束參數分析結果

圖13為模型A,E的滯回曲線對比圖。可明顯看出在加載端X,Z非約束時，滯回曲線有明顯轉折，表明未約束時對構件滯回性能影響較大。在第六圈(加載點位移為3 mm)時構件承載力明顯下降。

圖14為摩擦力—時間圖。模型E在分析步時間21 s時(3 mm壓位移)，核心板和約束板產生了與模型A反向更大的摩擦力。由圖15受壓時約束板CPRESS云圖可看出，核心板與約束板接觸位置不同，模型E接觸位置在核心板非約束段與約束段之間，而模型A在核心板核心段兩端，且模型E接觸應力更大，產生了更大的摩擦力。

圖16為模型A,E核心板受3 mm壓位移時Y方向變形云圖。與模型A核心板軸向變形從非約束段往另一端呈逐漸遞減的趨勢不同，模型E核心板軸向變形集中在非約束段，核心段受壓時往外變形。

圖17為模型A,E核心板受3 mm壓位移時Z方向變形云圖。模型E核心板Z方向的變形也呈波動狀，但平面外變形集中在了非約束段。

圖18為模型A,E核心板受3 mm拉位移時Z方向變形云圖。模型E核心板非約束段有較大的Z軸負方向的平面外變形，正方向的平面外變形集中在核心段與非約束段的交界處，與模型A核心板變形相同，也呈“V”字形，但模型E的核心板平面外變形集中在核心段與非約束段之間。

圖19為核心板受壓時的PEEQ云圖。模型E在核心段與約束段交界處出現PEEQ最大值，表明當加載端位移約束較小時，核心板容易在核心段與約束段交界處發生破壞。

5 結語

1)當核心板端部約束較強時，屈曲約束耗能件的滯回性能穩定飽滿，本文提出的節點的核心板端部分別與兩側連接板焊接，約束較強，這一定程度上表明本文提出的節點具體較好的滯回性能；

2)在核心板加載端部約束較強的情況下，非約束段長度對屈曲約束耗能板的滯回性能影響較小，這一定程度上表明非約束段長度對本節點滯回性能影響較小，換言之，本節點設計時非約束段長度取值范圍可以較大；

3)核心板加載端約束對屈曲約束耗能板滯回性能影響較大，當約束較小時，核心板變形集中在非約束段，非約束段容易發生面外失穩，導致滯回曲線承載能力下降和剛度退化，核心板容易在核心段與約束段交界處發生破壞。