帶可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的裝配式框架結(jié)構(gòu)抗震性能

劉如月，薛潘榮，顏桂云

(1.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118；2.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118)

裝配式結(jié)構(gòu)是綠色建筑及建筑工業(yè)化領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向，具有提高生產(chǎn)效率、節(jié)能環(huán)保，減少污染等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。然而，裝配式框架結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點(diǎn)及連接部位是抗震薄弱環(huán)節(jié)，易引起結(jié)構(gòu)的破壞。為改善裝配式框架結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)裝配式框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)及連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一系列改進(jìn)和創(chuàng)新，并對(duì)改進(jìn)的連接形式進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究。

孫巖波[1]、趙斌[2]和陳適才等[3]發(fā)現(xiàn)裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)與其現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)均為梁端塑性鉸破壞，可達(dá)到與現(xiàn)澆混凝土類似的抗震性能。潘鵬等[4]研究了后張無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力干式裝配梁柱節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下的承載能力、初始剛度、損傷控制及變形能力等性能。李祚華[5]、吳從曉[6]、趙均海[7]、操禮林等[8]分別提出了幾種不同形式的新型預(yù)制裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)，研究表明新型預(yù)制裝配式具有較好的承載力、變形能力、延性及耗能性能。姜子欽等[9]提出震后可更換的裝配式中柱節(jié)點(diǎn)耗能裝置，研究表明兩種節(jié)點(diǎn)都具有良好的延性、耗能及承載能力。李哲明等[10]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)裝配式混凝土金屬消能減震連接體系的抗震性能優(yōu)于普通預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)；Nzabonimpa等[11]認(rèn)為采用鋼和混凝土填充板機(jī)械連接的框架結(jié)構(gòu)可以替代傳統(tǒng)的整體式現(xiàn)澆混凝土框架。Ghayeb等[12]發(fā)現(xiàn)由鋼板、鋼管和鋼連接器連接的混合節(jié)點(diǎn)能夠有效地將塑性鉸移到連接區(qū)之外，具有較好的抗震性能；Nakaki等[13]利用節(jié)點(diǎn)中的低屈服點(diǎn)高耗能合金連接桿塑性變形消耗能量，保護(hù)主體構(gòu)件受損害。Morgen等[14]通過(guò)在節(jié)點(diǎn)中增設(shè)摩擦型阻尼器提高結(jié)構(gòu)的耗能能力；Song等[15]提出帶有腹板摩擦裝置的自復(fù)位混凝土梁柱新型連接方式，該節(jié)點(diǎn)能夠減輕結(jié)構(gòu)損傷，減小殘余變形能力。Aninnthaneni等[16]對(duì)帶有端板連接的框架結(jié)構(gòu)滯回性能進(jìn)行了研究，該連接方式可做剛性彎矩連接且預(yù)制混凝土框架的拆卸。

上述研究均表明新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下具有與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相當(dāng)?shù)目拐鹦阅埽岣吡搜b配式框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。但目前對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)的往復(fù)彎曲耗能機(jī)理和結(jié)構(gòu)失效機(jī)理等研究較少。為滿足裝配式框架結(jié)構(gòu)震后功能可恢復(fù)的性能目標(biāo)，需對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)在地震作用下的工作機(jī)理、承載能力、耗能性能和失效模式等進(jìn)行研究，在滿足結(jié)構(gòu)承載能力的情況下，控制結(jié)構(gòu)的損傷分布，使損傷集中預(yù)期的部件中，避免主體結(jié)構(gòu)的損傷，保證結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性?；诖耍狙芯刻岢鲆环N帶可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的裝配式框架結(jié)構(gòu)體系，以裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)作為可更換的耗能部件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的耗能性能和功能可恢復(fù)性。通過(guò)對(duì)可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析，探討節(jié)點(diǎn)的作用機(jī)理；對(duì)帶可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的可恢復(fù)功能裝配式框架、現(xiàn)澆混凝土框架及一個(gè)節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型混凝土框架進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步考察可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

1 可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)及其框架結(jié)構(gòu)體系

可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)主要由帶削弱型約束鋼板的可更換耗能鉸、鋼套筒約束的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)和預(yù)制梁柱結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，如圖1所示。其中，可更換耗能鉸由削弱型約束鋼板、高強(qiáng)鋼腹板、銷軸等部件組成，削弱型約束鋼板屈服后可更換鉸繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)；削弱型約束鋼板由削弱鋼板、約束套筒等組成。將可更換耗能較布置到裝配式框架結(jié)構(gòu)中，形成可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)將薄弱環(huán)節(jié)從節(jié)點(diǎn)核心區(qū)外移至可更換耗能鉸上，強(qiáng)震后損傷和破壞集中在耗能鉸的削弱型約束鋼板上，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷可控，避免主體結(jié)構(gòu)失效。震后僅需更換削弱型約束鋼板就可快速恢復(fù)結(jié)構(gòu)的使用功能，滿足可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

圖1 可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)Fig.1 Resilient prefabricated joint

圖2 可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)體系Fig.2 Structural system of the resilient prefabricated frame

2 可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)工作機(jī)理分析

2.1 可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)有限元模型

以文獻(xiàn)[17]中可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樵?，建立?jié)點(diǎn)的有限元分析模型。模型中混凝土、端板和約束套筒采用三維實(shí)體單元(C3D8R)模擬；鋼筋用桁架單元(T3D2)模擬；削弱鋼板、核心區(qū)外包鋼管和連接段型鋼梁采用殼單元(S4R)模擬。核心區(qū)混凝土與鋼套筒之間采用面-面“硬接觸”模擬鋼管套筒與混凝土法線方向的接觸，采用庫(kù)倫摩擦模型模擬鋼管與混凝土之間的切向的接觸，摩擦系數(shù)取為0.6。有限元模型邊界條件根據(jù)試驗(yàn)邊界條件設(shè)置，在上柱頂端施加恒定的均布荷載來(lái)模擬試驗(yàn)中的軸壓力，按試驗(yàn)加載制度施加水平力。

鋼筋本構(gòu)采用雙折線本構(gòu)模型，其中ES、fy、fu分別表示鋼材彈性剛度、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度。鋼材屈服后剛度取0.01ES，當(dāng)鋼材達(dá)到極限強(qiáng)度后應(yīng)力不再增加。鋼材本構(gòu)選用的二次塑流模型，并考慮可更換耗能鉸削弱鋼板中鋼材在往復(fù)荷載作用下的損傷退化。采用ABAQUS自帶的混凝土損傷模型來(lái)模擬混凝土的力學(xué)性能，采用韓林海[18]的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型來(lái)模擬核心區(qū)混凝土。

2.2 裝配式節(jié)點(diǎn)有限元模型可靠性驗(yàn)證

基于文獻(xiàn)[17]中可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究結(jié)果驗(yàn)證有限元分析模型及數(shù)值分析方法的可靠性。圖3給出了有限元分析得到的滯回曲線和骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，由圖3可知，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的滯回曲線和骨架曲線都基本吻合，說(shuō)明有限元模型建模及數(shù)值分析方法具有一定的準(zhǔn)確性，可作為后續(xù)分析的基礎(chǔ)。

圖3 有限元結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比Fig.3 Comparison of numerical results and experiments

2.3 可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)工作機(jī)理分析

為研究可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)理，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線和加載過(guò)程中不同的云圖計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同性能特征點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布、塑性發(fā)展和損傷演化等特性進(jìn)行分析。

圖4為可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)有限元模擬得到的荷載-位移骨架曲線，將曲線分為4個(gè)階段，選取4個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析，分別為：A點(diǎn)為可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的梁端混凝土首次開(kāi)裂；B點(diǎn)為可更換耗能鉸中削弱鋼板屈服；C點(diǎn)為削弱鋼板阻尼器內(nèi)削弱鋼板平面外屈曲；D點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)失效，可更換耗能鉸中鋼板的削弱鋼板斷裂。

圖4 可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)骨架曲線Fig.4 Skeleton curves of the resilient joint

圖5為不同特征點(diǎn)處可更換耗能鉸的有限元計(jì)算結(jié)果，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，具體分析如下：

圖5 不同特征點(diǎn)處可更換耗能鉸的有限元計(jì)算結(jié)果Fig.5 Numerical results of replaceable energy-dissipation hinges at different feature points

A點(diǎn)：梁端截面開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，此時(shí)的承載力為118.2 kN，位移為14.1 mm。應(yīng)力主要集中在耗能鉸削弱鋼板的削弱截面處，削弱鋼板局部先達(dá)到屈服強(qiáng)度，梁中的裂縫主要集中在預(yù)埋型鋼梁與混凝土交界處，此時(shí)鋼筋最大應(yīng)力為38.4 MPa。

B點(diǎn)：耗能鉸中削弱鋼板的削弱截面處全截面屈服，如圖5(a)所示。試驗(yàn)中此時(shí)梁上混凝土出現(xiàn)了對(duì)稱裂縫，節(jié)點(diǎn)處梁柱縱筋最大應(yīng)力為170 MPa，鋼套筒上應(yīng)力較小。

C點(diǎn)：削弱鋼板在截面削弱處進(jìn)入塑性發(fā)展，開(kāi)始出現(xiàn)損傷，受壓削弱鋼板發(fā)生平面外屈曲，如圖5(b)所示。節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大承載力220 kN，位移為96 mm。試驗(yàn)過(guò)程中梁段混凝土出現(xiàn)貫通裂縫，但梁柱縱筋最大應(yīng)力為280.6 MPa，未達(dá)到屈服應(yīng)力。

D點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)承載力急劇下降到92.1 kN，低于最大承載力的85%，認(rèn)為此時(shí)節(jié)點(diǎn)失效。削弱截面損傷因子達(dá)到0.95，如圖5(c)所示，認(rèn)為鋼板在該處斷裂，對(duì)應(yīng)的失效位移為110 mm。整個(gè)加載過(guò)程中梁柱縱筋未達(dá)到鋼筋屈服應(yīng)力，由于耗能鉸承載力的下降，梁柱縱筋的最大應(yīng)力下降至185.8 MPa。

上述分析表明，可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，滯回曲線飽滿，節(jié)點(diǎn)破壞集中在可更換耗能鉸的屈曲約束鋼板上，預(yù)制梁柱等主體構(gòu)件基本無(wú)損傷。因此，通過(guò)更換屈曲約束鋼板以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的快速修復(fù)，恢復(fù)正常的使用功能具有一定的可行性。

3 可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能分析

3.1 可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)體系

在框架結(jié)構(gòu)中布置可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)形成可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。結(jié)構(gòu)的薄弱部位從梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)外移至可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的削弱型鋼板上，震后更換鋼板即可恢復(fù)結(jié)構(gòu)的使用功能，具有裝配簡(jiǎn)單、損傷可控、可更換等特點(diǎn)。此外，約束鋼套筒對(duì)核心節(jié)點(diǎn)有一定的加強(qiáng)作用，實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”抗震設(shè)計(jì)理念。本節(jié)中基于有限分析模型計(jì)算結(jié)果揭示可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理，包括可更換式耗能較、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)與梁柱失效演化規(guī)律和結(jié)構(gòu)的地震失效機(jī)理。

表1 梁截面尺寸與配筋信息Tab.1 Beam section size and reinforcement information

3.2 體系承載力分析

采用結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線來(lái)表示框架結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)性能，該曲線能夠從整體上體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的整體性能變化，間接反映出不同情況下?lián)p傷對(duì)結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能的影響。圖6所示3種結(jié)構(gòu)體系的基底剪力-頂點(diǎn)位移對(duì)比曲線圖。

圖6 框架結(jié)構(gòu)體系承載能力曲線Fig.6 Bearing capacity curves of the frame structural system

對(duì)比圖6中現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)與可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)曲線可以發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)在前期曲線上升速度較快，初始剛度高于可恢復(fù)裝配式框架結(jié)構(gòu)；現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)屈服時(shí)的位移為21 mm，基底剪力為547.2 kN；可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)屈服時(shí)位移為33.8 mm，基底剪力為631.6 kN?，F(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移和基底建立分別為32.7 mm和563.8 kN，隨后承載力開(kāi)始下降，結(jié)構(gòu)失效時(shí)位移為48.4 mm，基底剪力為479.23 kN；可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)峰值點(diǎn)時(shí)的位移為139.4 mm，基底剪力為694.9 kN，隨后承載力開(kāi)始下降，結(jié)構(gòu)失效時(shí)位移達(dá)到201.8 mm，基底剪力為666.4 kN。結(jié)果表明，現(xiàn)澆混土框架結(jié)構(gòu)初始剛度高于可恢復(fù)功能框架結(jié)構(gòu)，說(shuō)明現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體性能好；但可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)的屈服位移、屈服承載力，極限位移、極限承載力都明顯高于現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)。

對(duì)比圖6中節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)混凝土框架結(jié)構(gòu)與可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線可知：加載前期節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型混凝土框架結(jié)構(gòu)與可恢復(fù)功能框架結(jié)構(gòu)基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線幾乎重合，由于梁端混凝土較早出現(xiàn)損傷，混凝土構(gòu)件強(qiáng)度發(fā)生退化，基底剪力-頂點(diǎn)位移曲線上升減緩，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)基底剪力為414.3 kN，位移為37.4 mm；承載力達(dá)到峰值時(shí)，基底剪力為443.6 kN，位移為51.9 mm；隨后承載力開(kāi)始下降，結(jié)構(gòu)失效時(shí)位移達(dá)到148 mm，基底剪力為420 kN。結(jié)果表明，現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)與可恢復(fù)功能框架結(jié)構(gòu)前期有相當(dāng)?shù)某跏紕偠龋还?jié)點(diǎn)加強(qiáng)型現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)梁端較早出現(xiàn)了塑性損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力過(guò)早開(kāi)始下降，而可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)在可更換耗能鉸進(jìn)入塑性后強(qiáng)度并未發(fā)生退化，加載后期可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)承載能力高于節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)。此外，可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)的極限承載力和極限位移都明顯高于節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)。

3.3 結(jié)構(gòu)失效順序分析

可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)的將結(jié)構(gòu)塑性損傷集中在可更換耗鉸的削弱鋼板處，削弱鋼板率先發(fā)生進(jìn)入塑性消耗能量，具有損傷可控的特點(diǎn)。約束鋼套筒對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)有一定的加強(qiáng)作用，對(duì)結(jié)構(gòu)體系的失效順序產(chǎn)生一定的影響。為驗(yàn)證可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)具備更優(yōu)的失效順序，將其與現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的失效順序進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

注：A1:削弱鋼板出現(xiàn)屈服;A2:大部分削弱鋼板屈服;A3:二層柱鋼筋屈服; A4:削弱鋼板面內(nèi)屈曲; A5結(jié)構(gòu)失效B1:首層節(jié)點(diǎn)箍筋屈服; B2首層節(jié)點(diǎn)混凝土出現(xiàn)損傷; B3:二層節(jié)點(diǎn)混土出現(xiàn)損傷; B4結(jié)構(gòu)失效C1:梁端鋼筋屈服; C2:二層梁端混凝土出現(xiàn)損傷; C3:首層梁端混凝土出現(xiàn)損傷; C4:梁端混凝土損傷明顯; C5:結(jié)構(gòu)失效圖7 結(jié)構(gòu)的失效順序Fig.7 Failure sequence of structures

由圖7可知，現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)較早屈服，且屈服之后很快就達(dá)到了峰值承載力，隨后由于節(jié)點(diǎn)的剪切破壞結(jié)構(gòu)發(fā)生失效；節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的屈服位移與可恢復(fù)功能裝配式框架節(jié)較為接近，但節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型混凝土框架結(jié)構(gòu)梁端鋼筋較早屈服，在梁端形成塑性鉸，核心區(qū)由于鋼套筒的保護(hù)作用未發(fā)生破壞，失效模式為梁端塑性破壞；可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)把塑性損傷控制在可更換耗能較中的削弱鋼板上，結(jié)構(gòu)屈服較晚，屈服后承載力仍保持上升趨勢(shì)，說(shuō)明可更換耗能較有效提高了結(jié)構(gòu)的承載能力；由于鋼套筒的約束作用結(jié)構(gòu)到達(dá)極限荷載時(shí)核心區(qū)仍未發(fā)生破壞，失效時(shí)的位移可達(dá)到201.8 mm，具有較好的變形能力和延性。通過(guò)對(duì)比分析可知，可恢復(fù)功能框架結(jié)構(gòu)的屈服荷載、屈服位移、極限荷載和延性都有明顯提高，保證結(jié)構(gòu)僅在可更換耗能鉸處發(fā)生損傷破壞，失效模式得到了一定的改善。

3.3.1 節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)失效順序

基于有限元分析結(jié)果可將現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)失效順序?yàn)椋?1)首層中間節(jié)點(diǎn)箍筋屈服，此時(shí)抗側(cè)能力上升變得緩慢。(2)首層中間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)損傷，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服。(3)現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的兩層中加節(jié)點(diǎn)處的箍筋應(yīng)力均達(dá)到強(qiáng)化階段，首層中間節(jié)點(diǎn)處混凝土出現(xiàn)明顯的損傷，二層中間節(jié)點(diǎn)也開(kāi)始出現(xiàn)損傷，此時(shí)結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)剪切破壞。(4)結(jié)構(gòu)進(jìn)入失效狀態(tài)，承載力持續(xù)下降，最終發(fā)生剪切破壞。

對(duì)現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，損傷主要出現(xiàn)在梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)。作為框架結(jié)構(gòu)重要的傳力構(gòu)件，應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)進(jìn)行加強(qiáng)保護(hù)，避免其發(fā)生破壞，特別是避免產(chǎn)生剪切破壞。

3.3.2 節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型混凝土現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)失效順序

類似地，節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型混凝土現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)失效順序?yàn)椋?1)二層梁端鋼筋屈服，此時(shí)承載力增加變緩。(2)二層梁端開(kāi)始出現(xiàn)損傷，隨后首層梁端出現(xiàn)損傷，結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服。(3)梁端出現(xiàn)明顯損傷，且損傷在逐漸累積，結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力。(4)梁端損傷逐漸擴(kuò)大在梁端形成塑性鉸，梁端損傷累積形成機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)發(fā)生失效。

對(duì)于節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，由于鋼套筒對(duì)核心混凝土的有效保護(hù)，結(jié)構(gòu)失效時(shí)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)并未出現(xiàn)損傷，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的加強(qiáng)導(dǎo)致破壞模式由節(jié)點(diǎn)核心區(qū)破壞轉(zhuǎn)換為梁端塑性鉸破壞，承載能力得到提升。

3.3.3 可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)失效順序分析

同樣地，可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)失效順序?yàn)椋?1)當(dāng)位移加載到33.8 mm時(shí)，大部分耗能鉸中削弱鋼板達(dá)到屈服，承載能力達(dá)到屈服點(diǎn)。(2)繼續(xù)加載二層節(jié)點(diǎn)處鋼筋率先屈服。(3)當(dāng)位移達(dá)到139.4 mm，二層節(jié)點(diǎn)核心區(qū)鋼筋進(jìn)入應(yīng)力強(qiáng)化，削弱鋼板發(fā)生面內(nèi)屈曲，二層節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)了輕微損傷，承載力達(dá)到峰值點(diǎn)。(4)當(dāng)位移加載到201.8 mm時(shí)，可更換耗能鉸削弱鋼板達(dá)到了極限應(yīng)力，且發(fā)生明顯的平面內(nèi)屈曲，此時(shí)在二層核心區(qū)鋼套筒下端混凝土柱上出現(xiàn)了損傷，但損傷并不明顯。

綜上所述，可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)中的可更換耗能鉸中削弱鋼板先發(fā)生屈服，利用塑性變形進(jìn)行耗能，避免了節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)損傷。由于鋼套筒的約束作用，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)端部鋼筋屈服前可更換耗能鉸已達(dá)到較高的塑性水平；可更換耗能較中削弱鋼板出現(xiàn)屈曲，結(jié)構(gòu)承載能力達(dá)到峰值點(diǎn)。位移達(dá)到201.8 mm時(shí)，大部分耗能鉸的削弱鋼板應(yīng)力達(dá)到極限，面內(nèi)屈曲明顯，結(jié)構(gòu)失效?？苫謴?fù)功能框架結(jié)構(gòu)的失效順序符合“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求，把損傷集中在可更換耗能鉸，震后更換耗能鉸即可恢復(fù)原有功能，滿足裝配式框架結(jié)構(gòu)部件可更換，功能可恢復(fù)的性能目標(biāo)。

4 結(jié)論

1)可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的滯回曲線和骨架曲線的數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，承載力和剛度差值均在5%之內(nèi)?？苫謴?fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)首先在可更換耗能鉸中削弱鋼板處發(fā)生屈服，塑性發(fā)展較快，最后節(jié)由于削弱截面發(fā)生斷裂導(dǎo)致引起節(jié)點(diǎn)失效，而梁柱鋼筋均未屈服，體現(xiàn)了可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)的塑性可控。

2)提出可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)形式，把可恢復(fù)功能節(jié)點(diǎn)布置到裝配式框架結(jié)構(gòu)中，在震后僅需更換節(jié)點(diǎn)中的削弱型約束鋼板即可恢復(fù)裝配式框架結(jié)構(gòu)的使用功能。

3)相比現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)型現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)有更高的承載能力和延性，剛度退化較晚。結(jié)構(gòu)中可更換耗能率先發(fā)生屈服，在加載后期節(jié)點(diǎn)核心區(qū)才出現(xiàn)輕微塑性損傷，符合“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)要求?？苫謴?fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)把塑性集中在削弱鋼板上，震后更換耗能鉸即可實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)功能裝配式框架結(jié)構(gòu)重新投入使用，實(shí)現(xiàn)了損傷可控的抗震理念和裝配式框架結(jié)構(gòu)部件可更換，功能可恢復(fù)的性能目標(biāo)。