裝配式耗能減震節點連接中削弱型約束鋼板阻尼器滯回性能試驗

顏桂云，黃冠驊，滕 軍，鄭蓮瓊，薛潘榮

(1.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室，福建工程學院土木工程學院，福州 350118；2.哈爾濱工業大學(深圳)土木與環境工程學院，廣東 深圳 518055)

裝配式結構是綠色建筑及建筑產業化的重點發展方向，其生產效率高、施工進度快、建筑垃圾少、節能環保等優點得到了國內外的關注，裝配式梁柱節點與連接是抗震的薄弱環節，成為國內外裝配式結構的研究熱點，為此國內外學者展開大量裝配式結構節點與連接形式的研究。吳剛等[1]從試驗研究、數值模擬與設計方法等三個方面系闡述了國內外關于裝配式混凝土框架節點的研究進展，指出裝配式混凝土框架結構關鍵部位為梁柱連接節點。周德恒等[2]闡述裝配式鋼筋混凝土框架結構節點連接性能研究的重要性，指出全裝配式鋼筋混凝土框架結構采用耗能節點對提高結構的抗震性能具有重要意義。康婷等[3]提出一種兼具承載-耗能的新型梁柱節點，利用薄板小撓度理論推導了此新型節點的屈服彎矩和轉角以及極限彎矩和轉角，分析得出此新型節點具有更好的延性和耗能能力。李祚華等[4]提出裝配式混凝土梁柱塑性可控鋼質節點并進行了該裝配式節點的足尺加載試驗，試驗表明裝配式混凝土梁柱塑性可控鋼質節點具有較好的抗震性能。韓春等[5]提出一種新型全裝配式預應力混凝土梁與高強鋼筋約束混凝土柱端板螺栓連接節點形式，進行了6個裝配式預應力中間節點試件和1個現澆節點試件的對比試驗，試驗表明新型試件的滯回曲線飽滿，抗震性能良好。楊松森等[6]對裝配式外套筒-加強式外伸端板組件梁與柱連接節點試件進行加載試驗，結果表明控制梁柱對拉螺栓連接產生的“對拉效應”，可以提高節點的剛度以及耗能能力。吳從曉等[7]提出一種基于扇形鉛黏彈性阻尼器的新型預制裝配式消能減震混凝土框架節點，并對該節點進行低周反復加載試驗，結果表明該節點實現了“強節點弱構件、強剪弱彎”的性能要求。楊曌等[8]研究基于螺栓連接的新型鋼筋混凝土框架裝配式節點的抗震性能，并與裝配整體式混凝土結構框架節點進行對比，結果表明新型節點相對于裝配整體式節點，承載力、延性等降低，但具有更好的耗能能力。Hossein等[9]提出一種新的延性抗彎梁-柱連接，為裝配式結構提供良好的結構完整性。Marco等[10]通過環形接頭和鋼纖維現澆混凝土來實現裝配式結構梁與柱的連續性，試驗表明其在強度和延展性方面優于現澆結構。Nzabonimpa等[11]采用鋼和混凝土填充板進行機械連接，研究表明該連接方式可以取代傳統的整體式現澆混凝土框架。Fathi等[12]提出在預制混凝土梁和柱之間通過鋼連接元件相互連接，達到可延展與可更換的目的。Aninthaneni等[13]研究帶有端板連接的框架子組件的滯后行為，研究表明該端板梁柱連接可用作剛性彎矩連接，且使用端板梁柱連接的預制混凝土框架系統是可拆卸的。Ghayeb等[14]在往復荷載作用下測試兩個用于外部梁到柱連接的預制混凝土接頭和兩個整體混凝土接頭。上述研究表明，國內外學者嘗試通過不同材料、不同構造形式優化節點與連接的抗震性能，解決裝配式框架節點與連接抗震能力不足的問題。然而，裝配式結構節點及連接仍存在構造復雜、結構整體性較差、震損后難修復等問題，有必要發展一種易裝配、可更換與耗能減震的高性能新型裝配式框架節點及連接來滿足更高抗震性能目標需求。

提出一種易裝配、可更換的裝配式耗能減震節點連接，該節點連接為可更換的耗能減震鉸。對耗能減震鉸中關鍵部件削弱型約束鋼板阻尼器，進行4個不同類型開孔削弱試件的低周往復加載試驗，考察其承載能力、耗能能力、剛度退化與延性等滯回性能，揭示阻尼器的失效破壞機制等。

1 裝配式耗能減震節點連接

提出裝配式耗能減震節點連接，如圖1所示。該節點連接由削弱型約束鋼板阻尼器、高強鋼腹板、銷軸等部件組成的耗能減震鉸，典型模塊如圖1(b)所示。削弱型約束鋼板阻尼器包括削弱型鋼板、約束套筒，如圖1(c)所示。裝配式框架的預制梁與節點核心區的外伸梁段通過耗能減震鉸相連接，控制強震中節點的塑性耗能、損傷與破壞集中在削弱型約束鋼板阻尼器上，避免節點失效，實現易裝配、耗能減震、可修復等功能。

(a)裝配式耗能減震節點連接 (b)典型模塊 (c)削弱型約束鋼板阻尼器

削弱型約束鋼板阻尼器作為耗能減震鉸的翼緣連接部件，承擔由彎矩分解后產生的拉(壓)軸向力作用，其力學特性是裝配耗能減震節點傳力與塑性耗能的關鍵。為此，有必要對削弱型約束鋼板阻尼器進行擬靜力往復軸向加載試驗，考察其承載能力、滯回性能、失效機制及能量耗散能力等性能指標，并通過不同的開孔削弱形式優化阻尼器構造。

2 可更換削弱型約束鋼板阻尼器試驗

2.1 試驗試件設計

削弱型約束鋼板阻尼器構造如圖2所示，分別在鋼板中間部位進行了豎縫開孔連續削弱、豎縫開孔不連續削弱與狗骨削弱。約束套筒的設計參考文獻[15]關于防屈曲支撐的相關要求，其抗彎剛度滿足阻尼器整體不發生失穩，約束套筒構造如圖2(b)、(c)所示。削弱型鋼板與約束套筒法向接觸存在1 mm或3 mm的微小間隙，用機油填充間隙，減小阻尼器工作中削弱型鋼板與約束套筒的接觸摩擦力，且工作中約束套筒能夠有效地約束削弱型鋼板的受壓屈曲；削弱型鋼板與約束套筒寬度方向兩側間隙各10 mm。豎縫開孔連續削弱形式用V1(vertical seam)表示，豎縫開孔不連續削弱形式用V2表示，狗骨削弱形式用D1(dog bone)表示。以試件V2-10-200為例對編號進行說明：V2(vertical seam)表示豎縫開孔不連續削弱形式，10表示削弱型鋼板的厚度為10 mm，200表示兩排豎縫開孔長度相加的削弱長度為200 mm。

(a)試件等效尺寸參數

試件V1-10-100與試件D1-10-100可對比鋼板不同削弱形式對阻尼器的影響；試件D1-10-100與試件D1-6-100可對比受拉時不同削弱鋼板厚度對阻尼器的影響，受壓時厚度方向不同間隙對阻尼器的影響；試件V1-10-100與試件V2-10-200可對比不同削弱長度對阻尼器的影響，其中V2-10-200兩排開孔中間的間隔距離50 mm，可等效到兩端，則等效約束非屈服段為75 mm。

削弱型鋼板的總長度為650 mm，有效長度為370 mm(因試驗機圓盤型平推夾具的直徑為140 mm，夾持鋼板兩端)，寬度為125 mm。其他主要尺寸如圖2與表1所示。

表1 可更換削弱型約束鋼板阻尼器尺寸參數

2.2 材料性能

削弱型約束鋼板阻尼器的削弱鋼板采用的鋼材為Q235級鋼材，約束套筒的鋼材均為Q345級鋼材。鋼材拉伸試驗參考《金屬材料拉伸試驗方法》(GB/T228.1—2010)，鋼材的材性試驗結果見表2。

表2 鋼材力學性能

2.3 試驗裝置及加載方案

采用100 t SANS微機控制電液伺服拉壓試驗機進行軸向拉(壓)滯回性能試驗。該試驗裝置與加載方案如圖3所示，主要包括底座、平推夾具、作動器，其中平推夾具為直徑140 mm的圓盤型夾具。試驗加載過程中，可更換削弱型約束鋼板阻尼器始終保持下端固定，上端進行軸向加載。

(a)試驗裝置

根據《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ101—2015)的要求，加載程序采用荷載-位移雙控制的方法，即試件屈服前采用荷載控制。試件屈服后采用位移控制，以該位移值的倍數(1.0Δy、2.0Δy、3.0Δy、4.0Δy、5.0Δy、6.0Δy…)為級差進行控制加載直至試件破壞，其中Δy為試件的屈服位移。另外，每級荷載循環的圈數也不同，屈服前，采用荷載控制加載時，每級荷載分別循環1圈，加載速率控制在1 kN/s；屈服后采用位移控制加載時，循環3圈，加載速率為1 mm/s。

2.4 量測內容

試驗過程中，通過加載系統及采集箱記錄軸向荷載的大小以及削弱型鋼板的軸向位移。由于約束套筒的存在，無法在削弱型鋼板上布置應變片，為了監測約束套筒是否協同削弱型鋼板參與軸向受力，故在約束套筒上布置應變片，以監測約束套筒的受力情況，具體應變片布置如圖4所示。

(a)套筒正面

3 試驗結果分析

3.1 試驗現象與滯回曲線

試驗過程中，由于約束套筒覆蓋了削弱型鋼板的約束屈服段(即削弱總長度)，無法觀察到削弱型鋼板中的實時變形情況，只能借由加載系統采集的荷載P-位移Δ實時數據(圖5)判斷削弱型鋼板的工作情況。

由圖5(a)表明，試件V1-10-100的荷載P-位移Δ滯回曲線飽滿，未出現捏縮現象，在試件開裂之前，試件的強度未出現退化，承載力沒有出現下降。在位移幅值3.3 mm的第二圈受拉過程承載力出現下降，無明顯聲響，判斷削弱型鋼板在其中部開裂，此時受拉最大承載力為284.0 kN，受壓最大承載力為312.4 kN。在位移幅值3.3 mm的第三圈受拉過程承載力出現明顯下降，無明顯聲響，受拉最大承載力為198.0 kN，受壓最大承載力為308.4 kN，判斷削弱型鋼板在其中部局部斷裂，結束試驗。

由圖5(b)表明，試件V2-10-200的荷載P-位移Δ滯回曲線飽滿，未出現捏縮現象。在位移幅值5.7 mm的第三圈受壓過程承載力出現下降，且之后的加載，受壓過程中承載力逐漸緩慢下降，受拉過程中承載力沒有出現下降，判斷豎縫開孔不連續削弱型鋼板發生側向屈曲；在位移幅值為5.7 mm的第三圈加載中削弱型鋼板的受拉最大承載力為291.3 kN，受壓最大承載力為270.7 kN。在位移幅值6.9 mm的第二圈受拉過程承載力出現下降，判斷鋼板削弱截面部分拉裂，受拉最大承載力為245.4 kN，受壓最大承載力為230.5 kN；在位移幅值6.9 mm的第三圈受拉過程中承載力明顯下降，有明顯聲響，受拉最大承載力為158.9 kN，受壓最大承載力為212.7 kN，判斷削弱型鋼板發生斷裂，結束試驗。

由圖5(c)表明，試件D1-10-100的荷載P-位移Δ滯回曲線飽滿，未出現捏縮現象，在試件開裂之前，試件的強度未出現退化。在位移幅值4.5 mm的第一圈受拉過程中承載力出現下降，無明顯聲響，判斷為削弱截面處開裂，此時受拉承載力為244.3 kN，受壓中最大承載力為372.7 kN；在位移幅值4.5 mm的第二圈受拉過程中承載力出現明顯下降，無明顯聲響，此時受拉承載力降為77.8 kN，判斷狗骨削弱型鋼板削弱截面在其中部斷裂，結束試驗。

由圖5(d)表明，試件D1-6-100的荷載P-位移Δ滯回曲線在位移幅值2.7 mm之前較飽滿，未出現捏縮現象；在位移幅值2.7 mm的第一圈受壓過程中承載力出現下降，且之后的加載，受壓過程中承載力逐漸下降，由于該試件約束套筒與削弱型鋼板間隙較大，判斷為削弱型鋼板發生受壓屈曲，在位移幅值為2.7 mm的第三圈加載中削弱型鋼板的受拉最大承載力為169.9 kN，受壓最大承載力為146.8 kN；在位移幅值3.3 mm的第三圈受拉過程承載力出現下降，判斷為削弱截面處開裂；在位移幅值為3.9 mm的第一圈受拉過程中，有“彭”一聲明顯聲響，判斷削弱型鋼板在其中部斷裂，結束試驗。

(a)V1-10-100

3.2 破壞模態

加載過程中，4個試件的約束套筒均無明顯鼓脹變形。將4個試件的約束套筒沿兩邊側向切開，觀察削弱型鋼板的破壞模態，如圖6所示。由正視圖表明，試件V1-10-100在豎縫開孔中間出現斷裂；試件V2-10-200削弱型鋼板發生明顯的平面內側向屈曲，主要由于中間削弱區間較長影響，加載時一側的豎縫底部發生局部斷裂，削弱型鋼板中心軸處沒有出現裂縫；試件D1-10-100在狗骨削弱中間出現較明顯斷裂；試件D1-6-100在削弱截面中部出現斷裂。從厚度方向觀察內核心板，試件V1-10-100、V2-10-200沒有明顯頸縮現象；試件D1-10-100、D1-6-100在斷口處頸縮較明顯，且D1-6-100削弱長度區域出現較明顯的面外屈曲。

(a)正視圖

試件V1-10-100與D1-10-100為合理的失效模式。根據試件V2-10-200產生平面內屈曲，主要因為開孔削弱的長度較長，試件D1-6-100產生平面外屈曲，主要因為約束套筒與削弱鋼板的間隙為3 mm，套筒約束作用減弱。因此，應控制開孔削弱長度及約束套筒與削弱鋼板的間隙，防止屈曲變形，得到合理失效模式。

3.3 荷載P-位移Δ骨架曲線

圖7為各試件荷載P-位移Δ骨架曲線。由圖表明，各試件的骨架曲線均呈S型，阻尼器的受力過程均可分為三個階段，即彈性階段、塑性強化階段和斷裂破壞階段。在位移加載前的各級往復加載的峰值點連線基本為一條直線，說明各試件在往復荷載作用初期處于彈性階段；隨著加載位移的增加，各試件的割線剛度降低，削弱鋼板削弱截面處屈服，試件進入塑性強化階段；達到各試件的極限荷載或極限位移后，試件在削弱鋼板削弱截面處開裂或斷裂，試將失效。

根據各試件的骨架曲線獲得承載能力與特征位移如表3所示。由表3可得，試件V1-10-100與試件V2-10-200的屈服位移、屈曲荷載與受拉極限荷載基本一致，但試件V1-10-100的受壓極限荷載為-314.4 kN，大于試件V1-10-200的受壓極限荷載-302.18 kN，主要由于試件V1-10-200豎縫開孔長度較大，受壓產生了平面內側向屈曲所致。結合表3與圖7(a)，表明試件V2-10-200的極限位移明顯大于試件V1-10-100，極限位移平均值為試件V1-10-100的2.07倍，因此，豎縫開孔削弱型鋼板阻尼器的削弱長度、削弱形式與不連續間隔距離(a2=50 mm)，是影響削弱型鋼板阻尼器承載力與變形能力的重要參數。

(a)豎縫開孔削弱

結合表3與圖7(b)說明，厚度(t=10 mm)、削弱長度相同(a=100 mm)的情況下，試件D1-10-100的屈服承載力、極限承載力與極限位移均大于試件V1-10-100，表明不同削弱形式是削弱型鋼板阻尼器工作性能的重要參數，狗骨削弱型鋼板阻尼器的工作性能優于豎縫開孔削弱約束鋼板阻尼器。試件D1-6-100(t=6 mm)的屈服承載力、極限承載力與極限變形分別為試件D1-10-100(t=10 mm)的60.9%、49.8%與80.2%，表明削弱型鋼板的厚度t是影響阻尼器承載能力與變形能力的重要參數。

表3 試件承載能力與特征位移

3.4 強度退化

圖8為各試件的強度退化曲線。由圖表明，當Δ/Δy<6時，各試件強度退化系數λ2、λ3隨位移加載的增大變化不明顯，基本在1左右變化，故各試件基本無強度退化，具有良好的強度退化性能；當Δ/Δy>6后，不同阻尼器試件的削弱型鋼板陸續出現開裂或斷裂等破壞，強度退化系數λ2、λ3開始降低，尤其λ3，表明削弱型鋼板開裂后，存在明顯強度退化。對比各試件的λ2、λ3表明，狗骨型削弱的試件D1-10-100強度退化性能優于豎縫開孔削弱試件V1-10-100，而開孔長度為200 mm的試件V2-10-200強度退化性能優于開孔長度為100 mm的試件D1-10-100與試件V1-10-100，說明開孔削弱形式與開孔削弱長度是影響削弱型鋼板阻尼器的重要參數。

(a)

3.5 剛度退化

圖9為各試件的剛度退化曲線。由圖表明，厚度為10 mm的試件V1-10-100、V2-10-200、D1-10-100在Δ/Δy<1時，剛度基本沒有退化，或者退化很小，剛度退化系數的最小值為0.96；但厚度為6 mm的試件D1-6-100則出現較明顯的剛度退化。當Δ/Δy>1后，削弱型鋼板的損傷累計越來越大，剛度退化系數隨著位移的增大而減小，各試件出現嚴重的剛度退化；試件V1-10-100、V2-10-200、D1-10-100的剛度退化系數曲線基本重合，說明開孔削弱形式、開孔削弱長度對削弱型鋼板阻尼器試件的剛度退化性能影響不大。試件D1-6-100的剛度退化系數則比其他3個試件都小，剛度退化速度更加明顯，說明鋼板厚度是影響試件剛度退化性能的重要參數。

圖9 剛度退化曲線

3.6 能量耗散能力

圖10為各試件的累積滯回耗能Ep。由圖表明，各試件的累積滯回耗能隨著無量綱化位移的增大而增長，且增長速率越來越快。厚度相同的試件V1-10-100、D1-10-100前期的累積滯回耗能曲線基本重合，但由于狗骨削弱的試件D1-10-100變形能力更好，導致了最終累積滯回耗能更強。開孔削弱長度為200 mm的試件V2-10-200最終累積滯回耗能大于其他3個開孔削弱長度為100 mm的試件，主要由于開孔削弱長度影響試件的變形能力，進一步導致影響試件的最終累積滯回耗能。厚度為6 mm的試件D1-6-100在同一位移條件下的累積滯回耗能小于其他3個厚度為10 mm的試件。綜上可得，開孔削弱形式、開孔削弱長度與鋼板厚度均為影響試件耗能能力的重要參數。

圖10 累積滯回耗能對比

圖11為各試件的等效黏滯阻尼系數ζ。由圖表明，各試件的等效黏滯阻尼系數前期隨無量綱位移的增加而增大，之后逐漸趨于穩定，等效黏滯阻尼系數在0.4以上。試件V1-10-100與試件V2-10-200在各級無量綱位移下的等效黏滯阻尼系數基本相同，說明開孔削弱長對黏滯阻尼系數的影響不大。而狗骨型削弱的試件D1-10-100、D1-6-100黏滯阻尼系數大于豎縫開孔削弱的試件V1-10-100、V2-10-200，說明開孔削弱形式是影響黏滯阻尼系數重要參數。

圖11 等效黏滯阻尼系數對比

3.7 延性系數

表4為各試件的延性系數。由表可知，各削弱型鋼板阻尼器試件的平均延性系數均大于7，具有良好的延性性能。豎縫開孔削弱時，削弱長度為200 mm的試件V2-10-200平均延性系數大于削弱長度為100 mm的試件V1-10-100，說明試件開孔削弱長度長，延性性能好。相同開孔削弱長度與鋼板厚度，狗骨形削弱試件D1-10-10的平均延性系數大于豎縫開孔削弱的試件V1-10-100，說明狗骨形開孔削弱形式較優。此外，通對比試件D1-10-10與試件D1-6-100的平均延性系數表明，兩試件的平均延性區別不大，削弱型鋼板厚度對阻尼器的延性影響較小。

表4 試件延性系數

3.8 應變結果分析

由于約束套筒的存在，試驗無法在內核心板布置應變片測試內核心板的應變，將應變片布置在約束套筒上監測約束套筒的受力情況，應變片布置如圖4。分析采集箱所采集的應變數據表明，4個削弱型鋼板阻尼器中約束套筒的應變數值均很小。以試件V1-10-100、D1-10-100中的應變片數據為例進行說明，試件V1-10-100、D1-10-100中應變片采集數據如圖12與圖13所示。由圖表明，約束套筒在試件處于彈性狀態時，應變數值很小，隨著加載繼續，應變片所采集的數值增大，但增長緩慢，數值依然較小。表明約束套筒在試件加載過程中，自身剛度足夠且起到了約束削弱型鋼板變形的作用，約束套筒基本不協同削弱型鋼板參與軸向受力。

(a)

(a)

4 結 論

通過對裝配式節點可更換削弱型約束鋼板阻尼器進行低周往復軸向加載試驗與分析，得出如下結果：

(1)可更換削弱型約束鋼板阻尼器具有合理的失效模式：削弱型鋼板在削弱截面部位開裂或斷裂，實現了阻尼器的塑性耗能與失效模式可控。約束套筒能有效地約束削弱型鋼板屈曲變形且無明顯鼓脹，實現了阻尼器具備承載-耗能雙重功能。

(2)可更換削弱型約束鋼板阻尼器具有良好的承載、耗能雙重性能。各試件在位移延性系數Δ/Δy<6時，承載能力穩定，無強度退化，具有良好的強度退化性能；荷載P-位移Δ滯回曲線飽滿，等效黏滯阻尼系數約為0.4，具有良好的耗能能力；各試件的平均延性系數均大于7，具有良好的延性。削弱型約束鋼板阻尼器在裝配式節點中易裝配，實現震損后可更換、可恢復功能。

(3)相同參數條件下的狗骨削弱型約束鋼板阻尼器的承載能力、耗能能力與延性性能優于豎縫開孔削弱型約束鋼板阻尼器。削弱長度為200 mm時阻尼器的耗能與延性大于削弱長度為100 mm時阻尼器相應性能，但削弱鋼板發生側向屈曲；削弱型鋼板厚度對阻尼器的承載能力與剛度退化性能影響較大，而對延性影響較小；約束套筒與削弱型鋼板間隙較大時，約束套筒不能有效發揮作用，易導致削弱型鋼板發生受壓屈曲。綜上說明，開孔削弱形式、開孔削弱長度、削弱鋼板厚度以及約束套筒與削弱型鋼板間隙是影響阻尼器工作性能的重要參數。