帶可更換抗側(cè)耗能裝置的裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)靜力性能研究

姜子欽, 楊曉峰, 張愛(ài)林,3, 陳 鑫, 康軼濤

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 北京 100124;2.北京工業(yè)大學(xué)北京市高層和大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心， 北京 100124;3.北京建筑大學(xué)北京未來(lái)城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心， 北京 100044)

可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)摒棄單一追求結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，轉(zhuǎn)變成兼顧結(jié)構(gòu)抗倒塌能力且損傷可控、震后可修、結(jié)構(gòu)可恢復(fù)的設(shè)計(jì)理念，要求主體構(gòu)件在地震中無(wú)損傷或輕微損傷，塑性損傷主要集中在易于更換的耗能元件上，震后只需更換或修復(fù)損傷元件即可恢復(fù)結(jié)構(gòu)的正常使用功能.如今大力發(fā)展的裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有易拆裝的優(yōu)勢(shì)，十分有利于可恢復(fù)功能設(shè)計(jì)理念在其中的實(shí)現(xiàn).然而若沒(méi)有合理的理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在地震作用下仍會(huì)發(fā)生區(qū)域內(nèi)的整體破壞，導(dǎo)致體系內(nèi)主體構(gòu)件發(fā)生不同程度的塑性損傷，不易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的震后修復(fù).這使得裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的震后修復(fù)與其他傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)無(wú)異，裝配式鋼結(jié)構(gòu)易拆裝的優(yōu)勢(shì)在震后可恢復(fù)功能領(lǐng)域無(wú)法進(jìn)一步發(fā)揮[1-4].因此，亟需研發(fā)一種具有可恢復(fù)功能的裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)中的塑性損傷主要集中在易于更換的耗能元件上，震后只需更換耗能元件即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的快速恢復(fù)，充分發(fā)揮裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)越性.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)震后可恢復(fù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展了一系列研究.Oh等[5]將一種帶縫鋼板阻尼器引入到鋼框架體系中，研究表明，帶縫鋼板阻尼器可以增加體系耗能與損傷控制能力，保證主體構(gòu)件始終處于彈性狀態(tài)，易于震后修復(fù).賈明明等[6]提出一種搖擺桁架- 鋼框架結(jié)構(gòu)體系，并對(duì)其設(shè)計(jì)方法和需求剛度比的建議取值進(jìn)行了相關(guān)探索，對(duì)整個(gè)體系的耗能能力及延性指標(biāo)進(jìn)行分析，研究了體系中塑性鉸形成過(guò)程及失效模式.Zhang等[7]提出一種中間柱設(shè)置摩擦阻尼器的自復(fù)位鋼框架體系，通過(guò)試驗(yàn)分析該框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能，研究表明，阻尼器可以消耗較多能量從而抑制主體構(gòu)件的塑性發(fā)展，該鋼框架體系震后殘余變形較小，表現(xiàn)出良好的自復(fù)位效果.Castiglioni等[8]研發(fā)了一種設(shè)置耗能元件的抗震組合鋼框架結(jié)構(gòu)，旨將結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的損壞全部集中于損傷元件上，修復(fù)工作僅限于更換損傷元件而框架主體構(gòu)件無(wú)須修復(fù).Zhang等[9-10]、Jiang等[11]提出一類(lèi)可恢復(fù)功能的裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)，研究表明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)翼緣蓋板厚度及中間螺栓間距，可將塑性損傷控制在可更換的翼緣蓋板上，易于節(jié)點(diǎn)震后修復(fù).Hou等[12]將形狀記憶合金材料加入到中心支撐自復(fù)位鋼框架中，重點(diǎn)研究形狀記憶合金材料類(lèi)型及磁滯特性對(duì)該鋼框架地震行為的影響，研究表明，通過(guò)合理設(shè)計(jì)的自復(fù)位鋼框架結(jié)構(gòu)在控制峰值位移及消除殘余變形方面表現(xiàn)優(yōu)良，所有類(lèi)型的形狀記憶合金均能使該框架滿足既定性能目標(biāo).Dubina等[13]用齊平端板及螺栓將偏心支撐框架與可拆卸連梁連接組成雙重結(jié)構(gòu)配置，高強(qiáng)鋼用于外部構(gòu)件，以此將塑性損傷集中到可拆卸連梁上，減少框架結(jié)構(gòu)的殘余位移，增強(qiáng)整體抗震性能.Lü等[14]對(duì)一種自復(fù)位框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究表明，預(yù)應(yīng)力筋可有效將震中抬升的柱腳復(fù)位，且無(wú)殘余變形，具備良好的自復(fù)位性能.Mansour等[15]設(shè)計(jì)了一種可更換剪切連接件的鋼偏心支撐框架，研究表明該連接具有良好的延展性和現(xiàn)場(chǎng)可更換性.陳以一等[16]提出一種適用于抗彎鋼框架的可更換組合梁連接構(gòu)造，通過(guò)一系列試驗(yàn)驗(yàn)證在地震作用下，該構(gòu)造將損傷集中于鋼梁翼緣處的可更換角鋼，便于震后更換.王先鐵等[17]提出一種外張拉式自復(fù)位方鋼管混凝土柱腳節(jié)點(diǎn)，研究表明，該柱腳節(jié)點(diǎn)完全遵循自復(fù)位柱腳的工作原理，能夠?qū)崿F(xiàn)鉸接機(jī)制，具備良好的自復(fù)位能力，該自復(fù)位柱腳的耗能集中于可更換的防屈曲鋼板及蓋板，可實(shí)現(xiàn)震后的快速修復(fù).劉陽(yáng)等[18]提出一種在柱腳處設(shè)置可更換消能件的震損可更換組合柱，試驗(yàn)研究表明，該柱腳受損傷的消能部件可實(shí)現(xiàn)原位更換，且更換前后柱腳均具有良好的抗震性能.Fang等[19]在傳統(tǒng)端板連接中引入形狀記憶合金(shape memory alloys, SMA)螺栓，使得試件具有良好回縮能力和中等耗能能力，并通過(guò)數(shù)值模型和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證.

基于上述內(nèi)容，本文提出一種帶可更換抗側(cè)耗能裝置的裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu).通過(guò)設(shè)置附加抗側(cè)耗能裝置的柱腳節(jié)點(diǎn)及削弱型翼緣連接蓋板等構(gòu)造將框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的塑性損傷轉(zhuǎn)移至可更換的耗能元件上，震后只需更換耗能元件即可恢復(fù)結(jié)構(gòu)的使用功能.本文首先對(duì)該鋼框架結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理開(kāi)展研究，分析鋼框架體系內(nèi)力流傳遞路徑，提出結(jié)構(gòu)的合理失效順序，建立相應(yīng)失效準(zhǔn)則；而后對(duì)該裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)剛接框架及對(duì)應(yīng)純鉸接框架分別進(jìn)行對(duì)比分析；最后進(jìn)行變參數(shù)分析，著重討論抗側(cè)剪切件截面寬度厚度及高度、節(jié)點(diǎn)板連系螺栓數(shù)量、柱腳橫梁剛度及柱軸壓比等參數(shù)對(duì)該裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響.

1 構(gòu)造及數(shù)值模型建立

1.1 框架設(shè)計(jì)

本文提出的裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)具體形式如圖1所示，主體部件包括方鋼管柱、懸臂梁段、普通工字梁段、兩梁段間連接裝置以及柱腳抗側(cè)耗能裝置等.本鋼框架結(jié)構(gòu)采用變截面的方鋼管柱，上、下柱截面均為300 mm×12 mm，中柱加厚段截面為300 mm×16 mm，三段方鋼管柱總長(zhǎng)3 200 mm.在方鋼管柱內(nèi)與懸臂梁翼緣和柱腳橫梁翼緣相對(duì)應(yīng)的位置分別加設(shè)內(nèi)環(huán)板，以此減輕方鋼管柱損傷程度.普通梁段采用截面為300 mm×200 mm×6 mm×12 mm的工字型鋼，長(zhǎng)度為2 600 mm.與柱子相連的懸臂梁為鋼框架受力較大處，為確保其處于彈性狀態(tài)而進(jìn)行加強(qiáng)，采用截面為300 mm×200 mm×12 mm×24 mm的工字型鋼，其長(zhǎng)度即方鋼管柱中心至懸臂梁端部的距離為800 mm.為減輕普通梁段受力轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)螺栓擠壓而對(duì)主體構(gòu)件產(chǎn)生的局部損傷，在懸臂梁翼緣上的螺栓孔全部采用沿梁長(zhǎng)方向的長(zhǎng)圓形，梁腹板上中心螺孔為圓形，上下螺孔為長(zhǎng)圓形.框架內(nèi)梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與課題組先前所研究的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造[4]相同，即通過(guò)外置翼緣連接蓋板、腹板剪切板及高強(qiáng)螺栓連接2個(gè)梁段，其中翼緣連接蓋板采用狗骨削弱及降低板件材性的方式，以此將結(jié)構(gòu)中的塑性鉸轉(zhuǎn)移至翼緣連接蓋板上，避免框架梁塑性損傷.框架內(nèi)柱腳節(jié)點(diǎn)由鉸接方鋼管柱、抗側(cè)耗能裝置及高強(qiáng)螺栓組成，其中抗側(cè)耗能裝置由節(jié)點(diǎn)板、柱腳橫梁及抗側(cè)剪切件焊接而成.柱腳橫梁由一小段工字型鋼梁與3塊加勁肋組成，柱腳橫梁規(guī)格為240 mm×150 mm×20 mm×20 mm的工字型梁，橫梁加勁肋布置于抗側(cè)耗能裝置兩側(cè)邊對(duì)應(yīng)位置，確保橫梁正常傳力.抗側(cè)剪切件采用160 mm×20 mm×1 000 mm的3塊鋼板組合而成，板件間距為20 mm，兩側(cè)各焊接5塊均勻排布的綴板.通過(guò)柱底鉸接和附加抗側(cè)耗能裝置2種措施，柱腳節(jié)點(diǎn)將塑性損傷集中于易于更換的抗側(cè)耗能裝置上，震后只需更換損傷部件即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的功能恢復(fù)，從而使柱腳節(jié)點(diǎn)兼具承載、耗能、震后可修復(fù)等功能.本鋼框架各部件其他細(xì)節(jié)尺寸如圖2所示.

圖1 裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Prefabricated steel frame structure

圖2 裝配式鋼框架尺寸Fig.2 Dimension of prefabricated steel frame

1.2 模型建立

采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS建立本裝配式鋼框架的數(shù)值模型[20]，單元類(lèi)型選擇三維實(shí)體C3D8R單元模擬.為減小網(wǎng)格離散化影響及考慮板件局部屈曲等問(wèn)題，對(duì)鋼框架受力較大部位及關(guān)鍵板件進(jìn)行網(wǎng)格局部加密處理，有限元模型及網(wǎng)格劃分情況如圖3所示.柱腳抗側(cè)剪切件及翼緣連接蓋板屈服強(qiáng)度設(shè)為235 MPa，其余板件均設(shè)為345 MPa，材料本構(gòu)采用考慮塑性后強(qiáng)化的雙折線模型，強(qiáng)化段斜率設(shè)為彈性模量的0.02倍，見(jiàn)表1.模型內(nèi)所有螺栓均選用10.9級(jí)M24高強(qiáng)摩擦型螺栓，并施加225 kN的螺栓預(yù)緊力[21].對(duì)方鋼管柱、螺栓帽頭、柱腳抗側(cè)耗能裝置、懸臂梁段、翼緣連接蓋板、普通梁段等相接觸的板件之間建立摩擦約束，摩擦因數(shù)取為0.45；對(duì)上、中、下方鋼管柱之間，以及懸臂梁段與方鋼管柱之間等建立綁定約束.對(duì)兩端方鋼管柱底設(shè)置鉸接約束，柱腳抗側(cè)耗能裝置下端設(shè)置剛性約束，方鋼管柱頂端部加載端設(shè)置剛性墊塊以施加90.0 mm的位移約束(層間轉(zhuǎn)角0.03 rad)來(lái)實(shí)現(xiàn)框架梁端靜力加載模擬，并在柱頂施加恒定軸壓比.此外，為防止鋼框架發(fā)生平面外變形，對(duì)方鋼管柱及普通工字梁設(shè)置面外約束.

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

表1 板件材性參數(shù)

2 受力性能分析

2.1 受力機(jī)理研究

由于本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)相比梁柱節(jié)點(diǎn)域構(gòu)造及柱腳節(jié)點(diǎn)處構(gòu)造有所差異，故其力流傳遞路徑亦存在不同.本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)傳力路徑(以彎矩傳遞為例)為懸臂梁截面彎矩通過(guò)高強(qiáng)螺栓傳遞至翼緣連接蓋板上，此時(shí)翼緣連接蓋板主要承受軸向力，高強(qiáng)螺栓主要承受剪力，后經(jīng)高強(qiáng)螺栓傳遞至普通梁段上，普通梁段繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)經(jīng)高強(qiáng)螺栓傳遞至翼緣連接蓋板、懸臂梁段、框架柱；方鋼管柱彎矩通過(guò)節(jié)點(diǎn)板及高強(qiáng)螺栓傳遞給柱腳橫梁，柱腳橫梁傳遞給抗側(cè)剪切件，此時(shí)抗側(cè)剪切件處于壓、彎、剪受力狀態(tài)，且由于方鋼管柱底部鉸接釋放柱底彎矩，與抗側(cè)剪切件對(duì)應(yīng)的下柱段幾乎無(wú)彎矩作用.

本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)受力較為合理，通過(guò)柱底鉸接及設(shè)置柱腳抗側(cè)耗能裝置等構(gòu)造使豎向軸力主要由方鋼管柱承擔(dān)，柱彎矩及剪力則主要由抗側(cè)耗能裝置承擔(dān)，改善柱內(nèi)力分布，保護(hù)框架柱免受塑性損傷，且遵循抗側(cè)剛度分離的設(shè)計(jì)理念.通過(guò)框架梁分段、設(shè)置削弱型翼緣連接蓋板及加強(qiáng)懸臂梁段剛度等構(gòu)造將塑性鉸轉(zhuǎn)移至可更換的翼緣連接蓋板處，保護(hù)框架梁免受損傷.

綜合上述措施可將鋼框架體系內(nèi)的塑性損傷集中在翼緣連接蓋板、柱腳抗側(cè)耗能裝置等易于更換的耗能元件上，使梁、柱等主體構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)，震后只需更換耗能元件即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的快速恢復(fù).

通過(guò)有限元模擬分析本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)內(nèi)各部件的塑性發(fā)展歷程可知，首先抗側(cè)剪切件角部進(jìn)入塑性狀態(tài)，加載點(diǎn)荷載- 轉(zhuǎn)角曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，標(biāo)志著鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服，而后梁翼緣連接蓋板逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)，隨著柱轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增加，抗側(cè)剪切件及翼緣連接蓋板塑性區(qū)域不斷發(fā)展，柱腳橫梁發(fā)生塑性破壞，翼緣連接蓋板鼓曲變形逐漸明顯，直至加載結(jié)束.本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的最終破壞模式為：方鋼管柱繞柱底轉(zhuǎn)動(dòng)，抗側(cè)剪切件受剪變形破壞；普通梁段繞其中心輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，翼緣連接蓋板鼓曲變形破壞.整體看來(lái)，可更換的耗能元件(如翼緣連接蓋板、柱腳抗側(cè)耗能裝置等)變形明顯且破壞嚴(yán)重，但主體梁柱未見(jiàn)塑性變形現(xiàn)象.

2.2 力學(xué)性能對(duì)比

本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)采用柱底鉸接以及附加抗側(cè)耗能裝置等構(gòu)造，柱底鉸接可釋放底部彎矩，避免結(jié)構(gòu)柱塑性損傷，附加的抗側(cè)耗能裝置又能為鋼框架結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度及必要的承載能力，使其綜合剛接框架及鉸接框架的優(yōu)勢(shì).此外，本文提出的裝配式柱腳節(jié)點(diǎn)是基于與剛接柱腳節(jié)點(diǎn)等效原則設(shè)計(jì)的，故將該柱腳節(jié)點(diǎn)放入鋼框架后組成的裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)應(yīng)與剛接柱腳鋼框架結(jié)構(gòu)等效，即本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的屈服荷載及初始剛度應(yīng)等于或略大于對(duì)應(yīng)剛接框架結(jié)構(gòu).

圖4為本文提出的帶有抗側(cè)耗能裝置的裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)純鉸接框架及剛接框架柱端荷載- 轉(zhuǎn)角曲線.對(duì)比本裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的純鉸接框架柱端荷載- 轉(zhuǎn)角曲線可以發(fā)現(xiàn)，本鋼框架結(jié)構(gòu)曲線始終在鉸接框架曲線之上，表明抗側(cè)耗能裝置可明顯提高鉸接鋼框架的初始剛度及承載能力.對(duì)比本裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)剛接框架柱端荷載- 轉(zhuǎn)角曲線發(fā)現(xiàn)，兩榀框架的曲線走勢(shì)基本相同，且本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的屈服荷載及初始剛度均略大于對(duì)應(yīng)剛接框架，完全符合等效設(shè)計(jì)原則，可用本裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)等效代替對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu).

圖4 框架承載能力對(duì)比曲線Fig.4 Comparison curve of frame bearing capacity

圖5 框架彎矩對(duì)比(單位：kN·m2)Fig.5 Comparison of frame bending moment(Unit: kN·m2)

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算本裝配式鋼框架與對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)剛接框架的屈服荷載均約為450 kN，繪制兩榀框架剛進(jìn)入屈服時(shí)的彎矩分布圖，如圖5所示.對(duì)比兩彎矩圖發(fā)現(xiàn)，抗側(cè)耗能裝置對(duì)框架柱內(nèi)彎矩調(diào)幅作用非常明顯，彎矩最大處由框架柱底部移至抗側(cè)耗能裝置連接處，彎矩最大值減小約40%，框架柱沿高度方向的彎矩分布更加均勻.由此可以認(rèn)為，本文提出的設(shè)置柱腳抗側(cè)耗能裝置的裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)受力更加合理，其受力性能相對(duì)傳統(tǒng)剛接框架結(jié)構(gòu)有所提升.

圖6 框架應(yīng)力云圖對(duì)比Fig.6 Comparison of frame stress nephogram

圖6給出本裝配式鉸接鋼框架與對(duì)應(yīng)剛接框架在柱轉(zhuǎn)角為0.03 rad時(shí)整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖.由圖6(a)可知，本裝配式鋼框架中柱腳抗側(cè)耗能裝置、翼緣連接蓋板等損傷較為嚴(yán)重，而主體梁柱除局部腹板進(jìn)入塑性外，其他部位基本處于彈性狀態(tài)；與圖6(b)所示的剛接柱腳鋼框架應(yīng)力云圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，抗側(cè)耗能裝置的設(shè)置可改善框架柱的受力狀態(tài)，結(jié)合翼緣連接蓋板的設(shè)置可將結(jié)構(gòu)內(nèi)的塑性損傷集中在易于更換的耗能元件上，使梁柱等主體構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)，具備震后更換耗能元件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)修復(fù)的功能.

3 變參數(shù)分析

本文主要圍繞抗側(cè)剪切件截面寬度(bw)及厚度(tw)、抗側(cè)剪切件高度(lw)、節(jié)點(diǎn)板連系螺栓數(shù)量(nb)、柱腳橫梁剛度比(ψbw)、柱軸壓比(n)等幾個(gè)主要參數(shù)對(duì)本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能開(kāi)展相關(guān)研究，其中，ψbw為柱腳橫梁與抗側(cè)剪切件截面慣性矩比，tw為抗側(cè)剪切件單塊鋼板厚度tw0總和.各組算例模型參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 各算例參數(shù)

3.1 抗側(cè)剪切件截面參數(shù)影響

由柱腳抗側(cè)剪切件截面寬度對(duì)本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響曲線(見(jiàn)圖7)可知，截面寬度越寬，鋼框架承載能力及初始剛度越大.算例KJ_ZJ1_2與算例KJ_ZJ1_4相比，屈服荷載降低21.5%，算例KJ_ZJ1_6與KJ-ZJ1-4相比，屈服荷載增加26.4%，表明抗側(cè)剪切件截面寬度是影響本鋼框架屈服荷載及初始剛度的主要影響因素.此外，算例KJ_ZJ1_6在加載末期柱端荷載急劇下降，這是由于該算例抗側(cè)剪切件截面寬度較大，抗側(cè)剪切件由3塊鋼板組合而成，其寬度越大，越易發(fā)生平面外失穩(wěn)；模擬結(jié)果顯示該算例在加載末期抗側(cè)剪切件發(fā)生了非常明顯的平面外變形，因而承載力迅速降低.

由柱腳抗側(cè)剪切件截面厚度對(duì)本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響曲線(見(jiàn)圖8)可知，與截面寬度的影響相似，抗側(cè)剪切件截面厚度越厚，鋼框架承載能力及初始剛度越大.對(duì)比各條曲線走勢(shì)，算例KJ_ZJ2_1和KJ_ZJ2_2相對(duì)其他算例承載力增幅情況有所差異，這是由于這2個(gè)算例截面厚度較薄，與算例KJ_ZJ1_6一樣發(fā)生了抗側(cè)剪切件平面外失穩(wěn)現(xiàn)象，但二者又存在一些區(qū)別.算例KJ_ZJ2_1和KJ_ZJ2_2自加載開(kāi)始抗側(cè)剪切件即逐漸發(fā)生平面外變形，其框架屈服由板件平面外失穩(wěn)控制，而非板件強(qiáng)度控制；而算例KJ_ZJ1_6框架屈服仍由板件強(qiáng)度控制，當(dāng)柱轉(zhuǎn)角較大時(shí)，板件才發(fā)生平面外失穩(wěn).此外，算例KJ_ZJ2_6較算例KJ_ZJ2_4截面面積增加20.0%，屈服荷載增加10.0%，其截面面積增加量大致等于算例KJ_ZJ1_6較算例KJ_ZJ1_4的增加量，但屈服荷載的增加量相對(duì)較小，這表明柱腳抗側(cè)剪切件截面寬度對(duì)框架承載力的影響大于厚度的影響.

綜上所述，柱腳抗側(cè)剪切件截面寬度及厚度是影響本裝配式鋼框架承載能力及初始剛度的主要參數(shù)，且截面寬度影響要大于其厚度影響；此外，抗側(cè)剪切件截面寬度較寬時(shí)或厚度較薄時(shí)應(yīng)重點(diǎn)驗(yàn)算是否會(huì)平面外失穩(wěn)，若發(fā)生應(yīng)采取相應(yīng)措施以避免其對(duì)框架承載力的影響.

圖7 抗側(cè)剪切件截面寬度影響Fig.7 Influence of lateral resistance shear member width

圖8 抗側(cè)剪切件截面厚度影響Fig.8 Influence of lateral resistance shear member thickness

3.2 抗側(cè)剪切件高度參數(shù)影響

由柱腳抗側(cè)剪切件高度對(duì)本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響曲線(見(jiàn)圖9)可知，抗側(cè)剪切件高度幾乎不影響本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的承載能力與初始剛度.提取方鋼管柱上各觀測(cè)點(diǎn)在柱轉(zhuǎn)角為0.05 rad時(shí)的應(yīng)力分布情況，并繪制應(yīng)力分布對(duì)比圖，如圖10所示.觀察各曲線可知，各算例柱應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)基本相同，均在柱高度約2 300 mm的位置應(yīng)力為0，此處為柱反彎點(diǎn)，這與圖5所示的柱彎矩分布一致；隨著柱高度的降低，應(yīng)力逐漸增加，并在與節(jié)點(diǎn)板相連的對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力達(dá)到最大值，高度低于節(jié)點(diǎn)板后應(yīng)力逐漸減小，直至為0.高度越低的抗側(cè)剪切件會(huì)對(duì)柱的約束更強(qiáng)，這使得低于節(jié)點(diǎn)板的柱各處應(yīng)力稍小.綜上，各算例框架柱除與節(jié)點(diǎn)板相連的局部區(qū)域進(jìn)入塑性外，其余各處均為彈性狀態(tài)，抗側(cè)剪切件高度的不同僅會(huì)造成柱應(yīng)力峰值位置有所差異，但并不影響方鋼管柱的損傷控制效果.

圖9 抗側(cè)剪切件高度影響Fig.9 Influence of lateral resistance shear member height

圖10 柱應(yīng)力分布對(duì)比Fig.10 Comparison of column stress distribution

3.3 節(jié)點(diǎn)板連系螺栓數(shù)量參數(shù)影響

由節(jié)點(diǎn)板連系螺栓對(duì)本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能影響曲線(見(jiàn)圖11)可知，隨著螺栓數(shù)量的增加，鋼框架承載能力及初始剛度有所提高，待增加到一定數(shù)量時(shí)不再影響鋼框架的力學(xué)性能.提取各算例節(jié)點(diǎn)板與方鋼管柱之間的相對(duì)滑移量并繪制滑移曲線如圖12所示.對(duì)比各曲線可知，算例KJ_ZJ4_1～3由于采用的螺栓數(shù)量較少，其滑移時(shí)刻相對(duì)其他3個(gè)算例較早，滑移量相對(duì)較大，此3個(gè)算例框架屈服由螺栓滑移控制而非板件屈服控制，加載后期也會(huì)由于板件間大幅滑移而卸力，故其屈服荷載及極限荷載相對(duì)其他算例小一些，荷載- 轉(zhuǎn)角曲線亦在其他3個(gè)算例曲線之下；當(dāng)螺栓數(shù)量大于螺栓設(shè)計(jì)閾值時(shí)，螺栓滑移時(shí)刻及滑移量均得以控制，此時(shí)即使繼續(xù)增加螺栓數(shù)量，框架的力學(xué)性能也不會(huì)再有所改變，故算例KJ_ZJ4_4～6的荷載- 轉(zhuǎn)角曲線以及滑移曲線均基本重合.

圖11 節(jié)點(diǎn)板連系螺栓數(shù)量影響Fig.11 Influence of the number of connecting bolts

圖12 相對(duì)滑移量對(duì)比曲線Fig.12 Comparative curve of relative slip

3.4 柱腳橫梁剛度比參數(shù)影響

柱腳橫梁用于方鋼管柱與柱腳抗側(cè)剪切件之間的連接與傳力，若橫梁抗彎剛度過(guò)小，橫梁會(huì)過(guò)早破壞影響力流傳遞.由柱腳橫梁剛度對(duì)本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響曲線(見(jiàn)圖13)可知，與節(jié)點(diǎn)板連系螺栓數(shù)量參數(shù)影響類(lèi)似，隨著柱腳橫梁剛度的增加，鋼框架承載能力及初始剛度有所提高，在增加到一定程度后幾乎不再影響鋼框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能.圖14為各算例在柱轉(zhuǎn)角為0.03 rad時(shí)的抗側(cè)剪切件塑性損傷區(qū)域圖.為表現(xiàn)更加直觀，圖中彩色高亮部分代表應(yīng)力超過(guò)235 MPa，表明該區(qū)域已進(jìn)入塑性狀態(tài)，灰色部分為應(yīng)力小于235 MPa.當(dāng)柱腳橫梁剛度較小時(shí)(如算例KJ_ZJ5_1)，柱腳橫梁對(duì)抗側(cè)剪切件約束將不足，抗側(cè)剪切件破壞模式類(lèi)似于下端連接、上端自由的厚鋼板剪力墻破壞模式，即主要底部區(qū)域塑性發(fā)展，無(wú)法充分受力和耗能，因而框架承載力及初始剛度均偏低.隨著柱腳橫梁剛度的增加，其對(duì)抗側(cè)剪切件的約束也逐漸增強(qiáng)，抗側(cè)剪切件破壞模式逐漸變?yōu)樯?、下端均連接的厚鋼板剪力墻破壞模式，即板件上、下端均存在大區(qū)域破壞，塑性發(fā)展及耗能相對(duì)充分，框架承載力及初始剛度也逐漸增大.綜上，柱腳橫梁剛度直接影響抗側(cè)剪切件的破壞模式，進(jìn)而影響本鋼框架結(jié)構(gòu)的承載力及抗側(cè)剛度.

圖13 柱腳橫梁剛度比影響Fig.13 Influence of column foot beam stiffness ratio

3.5 柱軸壓比參數(shù)影響

由軸壓比對(duì)本裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響曲線(見(jiàn)圖15)可知，軸壓比基本不影響剛框架結(jié)構(gòu)的屈服荷載及初始剛度，但對(duì)極限荷載影響較大，且隨著軸壓比的增大，鋼框架結(jié)構(gòu)的極限荷載逐漸減小.這是由于柱軸壓垂直柱頂施加，加載前期柱轉(zhuǎn)角較小，軸壓產(chǎn)生的附加彎矩幾乎可以忽略不計(jì)，故各算例曲線前期基本重合，其屈服荷載及初始剛度基本相同；隨著柱轉(zhuǎn)角的增加，附加彎矩對(duì)鋼框架的影響逐漸增大，此時(shí)鋼框架會(huì)因軸力的不同而產(chǎn)生不同程度的力學(xué)響應(yīng).

圖15 柱軸壓比影響Fig.15 Influence of column axial compression ratio

4 結(jié)論

本文針對(duì)帶可更換抗側(cè)耗能裝置的裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)開(kāi)展了力學(xué)性能及滯回性能的數(shù)值研究，重點(diǎn)分析抗側(cè)剪切件截面寬度、厚度及高度、連系螺栓數(shù)量及柱腳橫梁剛度等參數(shù)對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)相關(guān)性能的影響，得到以下結(jié)論：

1) 本裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)在屈服荷載及抗側(cè)剛度兩方面可以與對(duì)應(yīng)剛接柱腳框架完全等效，且本文提出的鋼框結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件的應(yīng)力分布方面優(yōu)于對(duì)應(yīng)剛接框架，本裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)可以作為對(duì)應(yīng)剛接框架的等效結(jié)構(gòu)使用.

2) 本文提出的裝配式鉸接鋼框架結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)后可以將結(jié)構(gòu)內(nèi)的塑性損傷集中在翼緣連接蓋板、抗側(cè)耗能裝置等易于更換的耗能元件上，使梁柱等主體構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)，具備震后修復(fù)的功能.

3) 柱腳抗側(cè)剪切件截面寬度及厚度是影響框架屈服荷載、初始剛度的主要參數(shù)，其中寬度參數(shù)的影響程度要更大一些；抗側(cè)剪切件高度僅會(huì)影響柱應(yīng)力峰值位置，而對(duì)鋼框架的力學(xué)性能幾乎不產(chǎn)生影響.

4) 連系螺栓數(shù)量直接影響節(jié)點(diǎn)板的滑移時(shí)刻及鋼框架的滑移荷載，采用足夠螺栓數(shù)量能保證節(jié)點(diǎn)板不會(huì)過(guò)早滑移，使鋼框架具備較好的承載能力.

5) 柱腳橫梁剛度較小時(shí)會(huì)改變抗側(cè)剪切件的破壞模式，進(jìn)而影響鋼框架的力學(xué)性能，故不建議采用小剛度的柱腳橫梁構(gòu)造.