既有建筑與加裝電梯的可滑移節(jié)點抗震研究

陳 東，甄雪虎，李今保，張保謙

（1.安徽建筑大學土木工程學院，合肥 230601；2.江蘇東南特種技術(shù)工程有限公司，南京 210018；3.中國建筑第四工程局有限公司，合肥 230601）

引言

傳統(tǒng)半剛性節(jié)點[1]（見圖1）在多遇荷載作用下，并不能實現(xiàn)有效的耗能，往往是依靠鋼材自身的塑性變形來消耗地震作用，這樣對結(jié)構(gòu)整體是不利的，因此半剛性節(jié)點的研究應受到各界學者和專家的重視。而國內(nèi)對半剛性節(jié)點的研究未形成成熟的理論成果和節(jié)點設計體系，很多半剛性節(jié)點問題還有待解決。

圖1 傳統(tǒng)半剛性節(jié)點

Wang 等[2]和France 等[3]通過對單邊螺栓連接的外伸端板形式的方鋼管柱-H 梁的連接節(jié)點進行反復加載的性能試驗，發(fā)現(xiàn)該節(jié)點的轉(zhuǎn)動性能與耗能性能良好。Nair 等[4]通過對T 型件連接節(jié)點進行單調(diào)靜力加載試驗，確定了T 型件連接節(jié)點的屈服承載力和初始剛度兩種計算模型的可行性與準確性。Jin 等[5]通過對14 種梁柱節(jié)點形式的構(gòu)件進行單調(diào)反復荷載的試驗，研究了鋼框架薄壁形方鋼管柱-H型鋼的連接節(jié)點形式的抗震性能。針對傳統(tǒng)抵抗地震方式的局限性和缺陷，人們通過長期的研究和實踐，找到了一種新的抵抗地震的思路，即減、隔震技術(shù)[6]。隋?等[7]通過實際工程案例分析和軟件模型計算（在剪力墻中的連梁上設置粘滯阻尼器）來推導帶阻尼器連續(xù)梁的最優(yōu)參數(shù)。劉昆鵬[8]巧妙地利用了“以柔克剛”的思想，發(fā)現(xiàn)添加隔震支座后發(fā)生破壞的位置主要是排架底部。韓慶華等[9-10]提出將鑄鋼節(jié)點加入到方鋼管柱-H型鋼梁節(jié)點中，采用往方鋼管柱里面填充混凝土的方式進行研究，發(fā)現(xiàn)節(jié)點區(qū)域的抗彎最大載荷提高較多。

李景龍[11]通過對節(jié)點模型施加不同的軸壓力，分析了軸壓力對連接節(jié)點的影響。李鑫海[12]對6 種加強型T 型鋼連接節(jié)點進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)增加T型連接件厚度、肋板寬度和螺栓強度，可顯著提高節(jié)點的剛度和抗彎性能。劉美香[13]設計了單層底板可滑移柱腳節(jié)點和雙層底板可滑移柱腳節(jié)點，有限元模擬結(jié)果表明指數(shù)函數(shù)對剪力-滑移、彎矩-轉(zhuǎn)角曲線有較好的擬合效果。

本文主要提出一種適用于電梯入口平臺與既有建筑連接的可滑動節(jié)點。為研究這種節(jié)點的抗震性能，完成4個試件的擬靜力實驗，實驗主要變化參數(shù)為節(jié)點的開孔形狀以及墊板上是否有橡膠墊，同時建立精細的有限元模型，分析在反復水平力下的抗震性能。

1 實驗概況

1.1 試件設計

本實驗在進行現(xiàn)場調(diào)研后，以相關電梯入口平臺與既有建筑的連接節(jié)點為原型，根據(jù)電梯安裝工程設計圖紙得出相關尺寸，通過使用1∶1 模型對測試節(jié)點的組件進行改進。試驗梁構(gòu)件選用方鋼管梁，除螺栓外均選用Q235鋼。節(jié)點采用矩形截面鋼梁，截面尺寸為300 mm×300 mm×10 mm，梁 高1000 mm，底座尺寸為460 mm×900 mm×20 mm×20 mm。螺栓采用半徑為10 mm 的M20 高強度螺栓，見表1。

表1 試件主要參數(shù)

1.2 實驗裝置、加載過程和測量內(nèi)容

本文共設計了4個節(jié)點，名稱分別為傳統(tǒng)節(jié)點、PC1、PC2和PC3。實驗構(gòu)件明細見表2，節(jié)點設計如圖2 所示。實驗共采用24 組應變片用以記錄節(jié)點區(qū)域的應力變化情況，其中墊板分布12 個測點，鋼梁上分布應變片12只，主要測量節(jié)點核心區(qū)的受力情況，根據(jù)荷載-位移曲線分析節(jié)點的抗震性能。

表2 實驗構(gòu)件明細

圖2 節(jié)點設計

本實驗采用位移控制加載制度，主要分為4 個加載階段：第一階段荷載步1～4 mm，每一荷載步增加3 mm，循環(huán)1 次；第二階段荷載步4～14 mm，每一荷載步增加5 mm，循環(huán)1次；第三階段荷載步共14～26 mm，采用4 mm 為一級加載，循環(huán)次數(shù)為3 次；第四階段共1 個荷載步26～38 mm，亦采用4 mm 為一級加載，循環(huán)3次。

2 實驗現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 實驗現(xiàn)象

傳統(tǒng)節(jié)點試件初始加載階段，節(jié)點處有輕微響動，方管上油漆出現(xiàn)裂紋。當位移增大時，圓孔板兩側(cè)出現(xiàn)微翹，中間出現(xiàn)凹陷，圓孔板翹曲現(xiàn)象明顯。當位移增大到14 mm 時，圓螺栓孔凹陷，螺母彎曲（見圖3）。當位移增加到26 mm 時，螺栓墊片彎曲，孔位凹陷。當位移增加到38 mm 時，螺栓彎曲，孔處凹陷加重、板端翹曲增大。PC1節(jié)點初始加載階段，螺栓開始出現(xiàn)滑移，擠出少量橡膠墊（見圖4）。加載后期，螺栓滑移量增大，橡膠墊被擠出，墊板與橡膠墊之間出現(xiàn)空隙。加載后期PC2節(jié)點長圓孔位置出現(xiàn)劃痕，板兩邊出現(xiàn)輕微翹曲、中間凹陷的現(xiàn)象（見圖5）。PC3 節(jié)點在方鋼梁鋼墊板與底座之間增設了橡膠墊，橡膠墊作為不可壓縮材料在加載時只能向外膨脹，墊板與底座限制橡膠的向外膨脹，墊板與橡膠墊之間出現(xiàn)空隙，如圖6所示。

圖3 傳統(tǒng)節(jié)點實驗現(xiàn)象

圖4 PC1節(jié)點實驗現(xiàn)象

圖5 PC2節(jié)點實驗現(xiàn)象

圖6 PC3節(jié)點實驗現(xiàn)象

2.2 實驗結(jié)果

圖7 所示為節(jié)點滯回曲線圖，在循環(huán)荷載作用下，PC1節(jié)點的滯回曲線為梭形，滯回環(huán)形狀相對飽滿，面積較大，構(gòu)件的耗能能力和抗震性能最好。

圖7 節(jié)點滯回曲線圖

圖8 所示為節(jié)點骨架曲線圖。由圖8 可以看出，PC1節(jié)點具有明顯的彈性階段、彈塑性階段和極限破壞階段。初始加載階段，試件處于彈性階段，隨著加載位移的增大，荷載呈緩慢增長趨勢。加載到相同位移時，PC1 節(jié)點所需的荷載小于其他節(jié)點。這是因為一方面，橡膠板在其中起著緩震作用；另一方面，構(gòu)件的橢圓孔使其滑動，減輕了地震荷載的作用。

圖8 節(jié)點骨架曲線圖

3 數(shù)值分析

為了研究構(gòu)造參數(shù)對既有建筑與加裝電梯的節(jié)點抗震性能的影響，采用有限元計算軟件ABAQUS進行有限元參數(shù)分析。本文以實驗所示的PC1節(jié)點為基礎試件，參照PC1節(jié)點改變橡膠墊的厚度，研究不同厚度橡膠墊對構(gòu)件抗震性能的影響。

3.1 有限元模擬

試件的有限元結(jié)果與實驗結(jié)果的滯回曲線吻合程度較好，如圖9 所示。實驗過程中的“捏縮”效應較為明顯，其原因一方面是橡膠墊和橢圓孔在試驗中產(chǎn)生滑移；另一方面，考慮到實驗中螺栓孔直徑略大于螺栓直徑，其本身存在滑移。與實驗結(jié)果相比，有限元模擬結(jié)果的骨架曲線差異不大，能較好地模擬既有電梯建筑在往復荷載作用下的抗震性能，如圖10所示。

圖9 滯回曲線對比圖

圖10 骨架曲線對比圖

3.2 參數(shù)分析

為了研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對既有建筑與加裝電梯節(jié)點抗震性能的影響，采用ABAQUS 對試驗構(gòu)件進行參數(shù)分析。本文以實驗中所示PC1 節(jié)點為基礎試件，根據(jù)基礎試件改變橡膠墊厚度，研究不同厚度橡膠墊對構(gòu)件抗震性能的影響。通過PC1節(jié)點與實驗結(jié)果的對比，驗證了有限元模型的準確性。本文設計XJ 系列節(jié)點，節(jié)點參數(shù)細則見表3，3 種類型的構(gòu)件分別記為XJ-1、PC1、XJ-2。

表3 橡膠厚度細則

在ABAQUS 軟件中采用位移加載模擬，加至荷載-位移曲線出現(xiàn)下降段或者荷載下降至最大荷載的85%時停止，加載制度如圖11所示。

圖11 XJ系列模型節(jié)點加載制度圖

圖12 所示為XJ 系列試件的滯回曲線。從圖12可見，PC1 節(jié)點滯回曲線的形狀呈現(xiàn)較為飽滿的梭形（圖12 (b)），與XJ-1 節(jié)點（圖12 (a)）相比，滯回線形狀較為飽滿，滑移量較XJ-1 節(jié)點小。XJ-2 節(jié)點的滯回曲線如圖12 (c)所示，曲線呈現(xiàn)出飽滿的梭形，說明節(jié)點塑性變形能力優(yōu)于前兩個節(jié)點，能較好地吸收地震帶來的能量。

圖13 所示為XJ 系列的骨架曲線。從圖13 可見，XJ-1節(jié)點、PC1節(jié)點、XJ-2節(jié)點的承載力最大值分別為147.56、159.94、154.65 kN。加載制度為負時，位移加載達到最大時，XJ-1節(jié)點、PC1節(jié)點、XJ-2節(jié)點的承載力最大值分別為-163.49、-166.61、-156.51 kN。XJ-1 節(jié)點、XJ-2 節(jié)點正向承載力最大值與PC1節(jié)點相比變化值為12.38%、5.29%，XJ-1節(jié)點、XJ-2 節(jié)點反向承載力最大值與PC1 節(jié)點相比變化值為1.9%、6.4%。不難得出，橡膠厚度選取10 mm時最佳，節(jié)點的承載能力得到提高。

橡膠墊和螺栓的延性使試件節(jié)點具有抵抗變形的能力，隨著節(jié)點受到的荷載不斷增加，構(gòu)件達到屈服強度時的變形小于產(chǎn)生的變形時，橡膠墊和螺栓仍然具有延性，而使結(jié)構(gòu)不遭到破壞。延性系數(shù)是判斷結(jié)構(gòu)抗震能力的相關指標，延性系數(shù)大于3.0 的節(jié)點或構(gòu)件具有一定的變形能力和剛度。延性系數(shù)常用μ來表示，可通過以下表達式進行計算。

其中，Du表示梁頂端的極限位移，Dy表示梁頂端的屈服位移。

計算可知：XJ-1節(jié)點的延性系數(shù)為3.22，PC1節(jié)點的延性系數(shù)為3.30，XJ-2 節(jié)點的延性系數(shù)為3.07，均滿足相關規(guī)范的要求。PC1 節(jié)點與其他兩個節(jié)點相比延性系數(shù)較大，可以在后期表現(xiàn)出較強的變形能力。

表4 列出了節(jié)點的耗能參數(shù)。由表4 可知，隨著橡膠墊厚度的增加，節(jié)點的耗能能力增加。在加載制度相同時，橡膠墊厚度越大，節(jié)點等效粘滯阻尼系數(shù)與等效耗能系數(shù)越大。

表4 節(jié)點的耗能參數(shù)

4 結(jié)論

通過對既有建筑與加裝電梯節(jié)點受力機理及受力特性的分析，并參考相關鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的連接方式，提出了一種抗震性能優(yōu)異的新型可滑移節(jié)點。該節(jié)點符合相關抗震規(guī)范中鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的設計特點，且該節(jié)點結(jié)構(gòu)形式簡單，施工方便。主要結(jié)論如下：

1）傳統(tǒng)節(jié)點滯回環(huán)面積小，耗能能力不明顯，抗震性能較差。與傳統(tǒng)節(jié)點相比，新型可滑移節(jié)點的滯回曲線形狀更飽滿、光滑，呈現(xiàn)出一定的“捏縮”現(xiàn)象,說明連接螺栓孔和橡膠墊的厚度會影響節(jié)點的抗震性能。

2）PC1 節(jié)點存在橡膠墊和橢圓孔，橡膠的超彈性特性為節(jié)點抵消了部分荷載，能夠吸收地震的能量，這是實驗過程中螺栓部分滑移造成。因此可利用橢圓孔的滑動效應和橡膠墊塊的超彈性效應抵消地震帶來的能量，從而提高節(jié)點的抗震能力。

3）數(shù)值模擬結(jié)果表明：當橡膠厚度為10 mm時，滑移效果較好，正向和反向承載能力也最大。因此，對于PC1 可滑節(jié)點，橡膠墊的厚度為10 mm時，效果最好。