基于轉動摩擦鉸阻尼器的干式裝配梁-柱節點抗震性能試驗

申允，夏成建，陳強，等.2024.基于轉動摩擦鉸阻尼器的干式裝配梁-柱節點抗震性能試驗［J］.地震研究，47（1）：105-113，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0028.

Shen Y，Xia C J，Chen Q，et al.2024.Experimental investigation on seismic performance of dry-connected beam-to-column joint based on rotational friction hinge damper［J］.Journal of Seismological Research，47（1）：105-113，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0028.

摘要：基于轉動摩擦鉸阻尼器（RFHD），提出了轉動摩擦耗能干式裝配梁-柱節點（DRFDBJ）。為了驗證DRFDBJ結構對于實現預期力學性能的可行性和合理性，以施加在摩擦片表面的螺栓預緊力（P_c）為變量，開展了2個工況下的DRFDBJ試件低周往復擬靜力試驗研究。結果表明：DRFDBJ結構的力學性能主要由RFHD提供并控制，試驗中節點呈現了穩定的承載力和理想的變形、耗能能力，并實現了預期的損傷集中；2個不同P_c水準下節點承載力的試驗值與理論值誤差不超過5%，通過調整P_c可實現節點承載力的調控，為DRFDBJ結構承載力的可調控提供了支撐。

關鍵詞：裝配式框架結構；干式裝配梁-柱節點；轉動摩擦阻尼器；摩擦阻尼器

中圖分類號：TU317"""文獻標識碼：A"""文章編號：1000-0666（2024）01-0105-09

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0028

0"引言

干式裝配梁-柱節點是指裝配施工時無需現場澆筑混凝土或灌漿料的裝配式混凝土梁-柱節點。這類節點可以充分體現裝配式建筑綠色高效的特點，因此已成為裝配式建筑發展的重要趨勢和研究熱點之一（吳剛，馮德成，2018）。實現節點的裝配構造簡潔和力學性能可靠是干式裝配梁-柱節點發展的重要目標。

在改進和優化裝配構造方面，學者們提出了形式各異的干式裝配梁-柱節點：如黃祥海（2014）提出了一種基于暗牛腿和焊接連接的全干式裝配節點；丁克偉等（2021）基于牛腿和螺栓連接，提出了一種半剛性梁-柱節點；郭震等（2021）基于螺栓和焊接連接提出了插接式梁-柱節點，這種節點具有裝配效率高的特點。值得注意的是，大量學者（Hong，2019；黃煒，胡高興，2022；Esmaeili，Marsono，2020；Li et al，2020a；Moghadasi et al，2014）在干式裝配梁-柱節點中采用了螺栓連接，這些節點通常采用鋼制預埋件或接頭，裝配方式與螺栓連接的鋼結構節點類似，施工效率具有顯著優勢。此外，機械鉸連接也具有構造簡潔和傳力路徑明確的特點，同樣被應用于干式裝配梁-柱節點（葉建峰等，2021；謝魯齊等，2020；Li et al，2020b）。可見，干式裝配梁-柱節點的構造通常由一種或多種基本的連接形式組合發展形成，合理選擇基本連接形式是保證節點裝配效率的關鍵。

在保證和提升力學性能方面，干式裝配梁-柱節點構造形式靈活，可實現良好的變形能力，基于這一特性，可通過在節點中設置阻尼器，形成高性能的干式裝配梁-柱節點。如基于機械鉸連接的節點可釋放梁柱間的轉動約束，一些學者基于這一特點，結合鋼板屈服阻尼器，提出了具有高性能、損傷可控的節點（葉建峰等，2021；謝魯齊等，2020；Li et al，2020a）。Hu等（2020）基于螺栓連接和金屬屈服耗能梁端，提出了具有震后可更換特性的干式節點。除金屬屈服阻尼器外，其它類型的阻尼器也被用于提升干式節點的抗震性能，如Song等（2015）在鋼質接頭干式裝配梁-柱節點中設置了腹板摩擦阻尼器和預應力筋，形成了具有良好耗能能力和自復位能力的節點；Morgen和Kurama（2008）提出的干式梁-柱節點中，預制梁和預制柱間通過腋式摩擦阻尼器和預應力筋連接，充分利用了摩擦阻尼器的高耗能能力。

根據上述裝配梁-柱節點的發展需求和趨勢，基于機械鉸連接、螺栓連接和轉動摩擦鉸阻尼器（Rotational Friction Hinge Damper，簡稱RFHD），楊參天和李愛群（2023）提出了轉動摩擦耗能干式裝配梁-柱節點（Dry-connected Rotational Friction Dissipative Beam-to-column Joint，簡稱DRFDBJ），這種結構預期具有耗能能力強、性能可調控和損傷集中可控的特點。楊參天等（2022）在前期研究中驗證了該類節點對于提升裝配式框架結構抗震性能的有效性。為了在節點構件層次驗證實現DRFDBJ力學性能的可行性和合理性，本文以施加在摩擦片表面的螺栓預緊力（P_c）作為變量，開展了2個工況下的DRFDBJ試件低周往復擬靜力試驗研究，探究了裝配工法對DRFDBJ力學性能的影響。

1"DRFDBJ結構

DRFDBJ結構如圖1所示，其力學性能主要由RFHD提供并控制，如圖1b所示。RFHD的構造是在機械鉸的耳板間設置環形摩擦片，同時采用預緊螺栓在機械鉸的轉動平面法線方向施加壓力。RFHD的工作原理與平動摩擦阻尼器基本一致（Santos et al，2019；韓建強等，2018）。具體而言，當耳板間存在相對轉動的趨勢時，在預緊螺栓提供的壓力作用下，摩擦片與耳板的接觸面上存在靜摩擦力，耳板與摩擦片間無法自由轉動，此時RFHD處于彈性狀態；當轉動彎矩克服最大靜摩擦力形成抵抗彎矩時，耳板與摩擦片會發生轉動摩擦，此時RFHD進入摩擦耗能狀態。

DRFDBJ的預制柱端和預制梁端分別設置一組預埋件，預埋件通過錨筋與混凝土形成可靠連接，同時通過高強螺栓與DRFDBJ的關鍵組件RFHD形成干式連接。由上述構造和原理，得到基于RFHD的DRFDBJ的彎矩-轉角理論曲線（圖2）。RFHD啟動之前，節點基本處于彈性狀態，其初始剛度k_e由預埋件和RFHD的幾何尺寸決定；隨著節點轉角的增長，當節點彎矩達到RFHD的起滑彎矩時，RFHD啟動，此時節點屈服；由于摩擦型阻尼器的出力在啟動后基本保持穩定，因此隨著節點轉動的進一步增長，節點彎矩基本穩定在M_s。由圖2可見，DRFDBJ的彎矩-轉角曲線在理論上呈飽滿的平行四邊形，無下降段，其變形能力僅由幾何尺寸決定。因此DRFDBJ具備良好的耗能、延性和變形能力。

為了保證DRFDBJ的力學性能由RFHD控制，在設計時應保證梁端、柱端及各構件均保持彈性。基于這一前提，DRFDBJ具有損傷集中可控的特點，在地震作用下，節點的非線性行為和損傷集中為摩擦面的磨損，可在震后快速修復。

2"試驗方案

2.1"試件設計與制作

為了驗證DRFDBJ對于實現其預期性能的可行性，本文設計并加工了一套DRFDBJ試件。RFHD中施加在摩擦片表面的螺栓預緊力P_c是影響DRFDBJ力學性能的關鍵參數，因此本文以P_c作為試驗變量，對DRFDBJ試件進行2個工況的加載，分別為工況1和工況2，對應P_c分別為302和483 kN，摩擦面上的壓應力分別為7.1和11.4 MPa。本文研究的壓應力范圍與相關研究中摩擦阻尼器的壓應力水準基本相當。

DRFDBJ試件尺寸與配筋如圖3所示，柱子高為3 m，截面為500 mm×500 mm，梁長度為2 m，截面為300 mm×500 mm。柱端預埋件、RFHD和梁端預埋件形成的連接區段長度為580 mm，預埋件、柱端耳板和梁端耳板所用鋼板厚度分別為12 mm、18 mm和20 mm。為保證預埋件與混凝土共同工作，在梁端和柱端預埋件端板與混凝土的接觸面均焊接了抗剪鍵，在柱端預埋件的兩塊端板間焊接了錨筋，梁端預埋件的端板與梁縱筋通過穿孔塞焊連接。

DRFDBJ試件中的RFHD采用了“3+2”的耳板形式，即3塊柱端耳板與2塊梁端耳板形成機械鉸連接。耳板上設置6個螺栓孔，用于安裝M20預緊螺栓，施加摩擦片表面的壓力。為保證RFHD的轉動變形能力不受預緊螺栓限制，梁端耳板的螺栓孔直徑（48 mm）需大于柱端耳板的螺栓孔直徑（20 mm）。為避免外側的柱端耳板在螺栓預緊力作用下發生面外變形，導致摩擦片表面壓應力分布不均勻，在位于外側的柱端耳板1上焊接了如圖1所示的12 mm厚鋼板作為加勁肋，提升柱端耳板1的面外剛度。RFHD的銷軸直徑為60 mm，環形摩擦片的內徑、外徑和厚度分別為60、240和10 mm。RFHD中螺栓預緊力的穩定性是保證DRFDBJ試件力學性能可靠的關鍵，為此，M20預緊螺栓設置了碟簧組作為墊片，該措施可有效控制螺栓預緊力的衰減，兩個工況試驗全過程中螺栓預緊力衰減均小于5%，為RFHD出力性能穩定、可調控提供了重要保障（Sano et al，2019；楊參天等，2022）。

為了驗證DRFDBJ試件對于預制加工和現場裝配的可行性，對試驗試件的各個組件分別加工，并在試驗場地裝配。試件的裝配步驟如圖4所示，主要包括：①組裝RFHD。試件找裝柱端耳板、梁端耳板、環形摩擦片和銷軸，施加Pc至預定值。②安裝預制柱，將RFHD與預制柱通過端板螺栓連接。③將預制梁與RFHD通過端板螺栓連接。采用上述裝配順序的目的是盡可能保證螺栓預緊力全部轉化為摩擦面壓力。

2.2"材料性能

DRFDBJ試件采用C30等級混凝土。基于6個棱柱體試塊的軸心抗壓試驗，測得混凝土抗壓強度的平均值為30.36 MPa。預制梁柱和預埋件鋼筋均采用HRB400，梁端、柱端預埋件和耳板均采用Q345鋼板焊接而成。鋼板和鋼筋的力學性能參數見表1。為了保證摩擦系數的穩定性，采用纖維增強樹脂基復合材料制作環形摩擦片，楊參天等（2022）研究表明該材料可為轉動摩擦鉸阻尼器提供穩定的摩擦性能，其與鋼板的摩擦系數為0.254。試件所用的M20和M27螺栓均為12.9級。RFHD的銷軸采用40Cr鋼材制作。

2.3"加載和測量方案

試驗采用的加載裝置如圖5所示。DRFDBJ結構的柱子底部置于鉸支座上，鉸支座固定于試驗大廳地板，因此可限制柱底的平動、平面外轉動和扭轉自由度。柱子頂部設置滑動支座，以限制柱頂的水平移動、平面外轉動和扭轉自由度。該滑動支座是通過在機械鉸支座的銷軸連接處設置長圓孔實現的。滑動支座和鉸支座的4個角部設有通孔，用于安裝精軋螺紋鋼、千斤頂和力傳感器，從而在柱頂施加軸向壓力1 372 kN。DRFDBJ的節點轉動是通過MTS作動器在梁端施加豎向往復位移實現的，作動器上端與試驗室反力架通過鉸支座連接。如圖5b所示，在梁端設置了一組面外約束裝置，避免加載時發生不可控的面外變形。2個試驗工況的梁端荷載均采用位移控制的低周往復擬靜力加載制度，試驗過程中加載速率控制在0.5～2 mm/s（圖6）。

為了準確測量試件的變形模式，布置了如圖7a所示的位移計。值得注意的是，僅通過扭力扳手難以準確控制RFHD中的螺栓預緊力（Cavallaro et al，2018）。為了保證試驗變量精準控制，本文采用了如圖7b所示的螺栓預緊力傳感器，實現了螺栓預緊力的準確施加和試驗中預緊力衰減的監測。

3"試驗結果

3.1"關鍵現象

DRFDBJ試件的試驗現象與傳統現澆混凝土梁-柱節點具有顯著區別，關鍵現象如下：

（1）DRFDBJ試件加載前和加載至正向最大位移如圖8所示。由圖可見，預制柱、柱端預埋件和柱端耳板通過螺栓連接形成一個整體，基本保持固定；預制梁、梁端預埋件和梁端耳板通過螺栓連接形成另一個整體共同變形。上述兩個整體以銷軸為旋轉中心形成了相對旋轉。這一現象說明DRFDBJ試件試驗呈現的變形模式與預期相符，其構造合理。

（2）由圖8可見，2個加載工況試驗全程中，DRFDBJ試件的混凝土表面未出現任何肉眼可見裂縫。試驗后預埋件、耳板、銷軸和螺栓亦未呈現肉眼可見的殘余變形，說明經過合理設計，有效控制了DRFDBJ的節點損傷。

（3）如圖9所示，試驗結束后，摩擦片、柱端耳板、梁端耳板的接觸區域內呈現明顯的磨損痕跡。摩擦片表面經摩擦出現表層脫落的現象，耳板表面經摩擦呈現金屬光澤。這表明摩擦片與耳板間發生了轉動摩擦，RFHD發生了預設的工作模式，即通過轉動摩擦為DRFDBJ提供力學性能，同時也表明DRFDBJ的非線性行為集中于摩擦片的磨損，實現了預期的節點損傷集中可控。

3.2"荷載-梁端位移滯回曲線

DRFDBJ試件的荷載-梁端位移滯回曲線如圖10所示。2個不同Pc水準下的試驗工況，均實現了圖2所示的理論滯回模型，滯回曲線呈飽滿的平行四邊形，因此DRFDBJ具有理想的變形和耗能能力，節點構造實現了預期的力學性能。試件承載力隨著Pc的增長而提高，驗證了通過調整Pc對DRFDBJ力學性能調控的可行性。

3.3"骨架曲線與起滑荷載

根據滯回曲線得出了DRFDBJ試件的骨架曲線，如圖11所示，DRFDBJ試件的骨架曲線與傳統現澆梁-柱節點具有顯著區別，荷載在RFHD起滑后達到峰值，隨后荷載基本保持穩定，因此其骨架曲線僅包括一個特征點，即起滑點，2個DRFDBJ試件的起滑點見表2。

從圖11和表2可以看出：

（1）在初始階段，DRFDBJ試件基本呈彈性，荷載隨梁端位移線性增長，達到峰值時，荷載保持穩定，不再隨梁端位移的增長而變化。因此DRFDBJ呈現的力學特性與摩擦型消能減震裝置一致，這是因為DRFDBJ的力學性能是由RFHD起控制作用。

（2）DRFDBJ試件的起滑荷載公式為：

式中：n_f為單個試件包含的摩擦片數量；μ_f為摩擦片與耳板之間的名義摩擦系數；l_e為試件加載點到轉動中心（即銷軸中心）的水平距離；P為螺栓預緊力；R₁、R₂分別為摩擦片的內、外半徑。基于式（1）計算得到2個不同P_c水準下DRFDBJ試件的起滑荷載理論值F_s，t。由表2可見，2個工況下起滑荷載試驗值與理論值的誤差分別為3%、-4%，精度良好。這表明基于式（1），通過調整螺栓預緊力即可實現DRFDBJ承載力的靈活設計與調整。

3.4"耗能能力

基于滯回曲線計算了DRFDBJ試件在各位移等級下的滯回耗能，如圖12所示，由圖可見：①起滑前，由于節點基本處于彈性，DRFDBJ的滯回耗能較小；起滑后，RFHD轉動摩擦為節點提供了可觀的耗能能力，滯回耗能顯著大于起滑前。②起滑后，滯回耗能隨梁端位移增大基本呈線性增長的趨勢，這是由摩擦型滯回特性決定的。因此，DRFDBJ的滯回耗能具有穩定可預測的特征。基于這一特性，可將節點耗能需求轉化為承載力需求和設計參數（Lu，Guan，2021），因此DRFDBJ節點與基于能量的設計方法具有良好的適配性。

4"結論

本文基于轉動摩擦鉸阻尼器（RFHD）提出了一種轉動摩擦耗能干式裝配梁-柱節點（DRFDBJ）結構，以施加在摩擦片表面的螺栓預緊力P_c作為變量，開展了2個工況下的DRFDBJ試件低周往復擬靜力試驗研究，主要得出以下結論：

（1）DRFDBJ結構的力學性能和可行性得到了驗證。節點的力學性能由RFHD提供并控制，呈現了穩定的承載力和理想的變形、耗能能力。DRFDBJ試件實現了預期的損傷集中可控。

（2）DRFDBJ結構的承載力可調控性得到了驗證。2個不同P_c水準下節點承載力的試驗值與理論值誤差不超過5%。

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Experimental Investigation on Seismic Performance of Dry-connected "Beam-to-column Joint Based on Rotational Friction Hinge Damper

SHEN Yun¹，XIA Chengjian¹，CHEN Qiang¹，WANG Haoxiang²

（1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031，Sichuan，China）

（2.School of Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Civil Engineeringand Architecture，Beijing 100044，China）

Abstract

Based on rotational friction hinge damper（RFHD），the dry-connected rotational friction dissipative beam-to-column joint（DRFDBJ）is proposed.Such a joint is expected to feature a good energy-dissipation capacity，adjustable performance as well as concentrated damage.To validate the feasibility and rationality of the DRFDBJ for achieving the expected mechanical performance，two load cases of pseudo-static cyclic experimental tests are carried out.The pre-tension force applied on the surface of the friction pads（Pc），which is a critical parameter of DRFDBJ，is selected as the test variable.The results indicate that the mechanical properties of DRFDBJ are mainly provided and determined by RFHD.Stable strength，stable deformation and energy dissipation capacities are exhibited in the tests.The expected damage-concentration feature of the joint is achieved.The errors between the experimental value and the theoretical value of the joint bending moment strength with two Pc-"values are not more than 5%.The strength of DRFDBJ could be adjusted by varying Pc-value，thus laying a foundation for the strength adjustment of DRFDBJ.The results could serve as a reference for relative investigations on dry-connected precast concrete structures and frictional energy dissipation devices.

Keywords：precast concrete frame structure；dry-connected precast beam-to-column joint；rotational friction damper；friction damper

*收稿日期：2023-07-30.

基金項目：中國中鐵二院工程集團有限責任公司科研項目（KYY2019019（19-22））.

第一作者簡介：申"允（1981-），高級工程師，主要從事建筑工程設計和研究工作.E-mail：13553028@qq.com.