裝配式混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐組合節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

熊進(jìn)剛，王雨辰，胡淑軍，藍(lán)欽宇

（1.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031；2.江西省近零能耗建筑工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330031）

引言

我國處于地震多發(fā)區(qū)，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力和震后功能恢復(fù)性是科研人員的共同目標(biāo)［1］?？苫謴?fù)功能結(jié)構(gòu)是指在遭受地震作用后，稍以修復(fù)或不需修復(fù)即可恢復(fù)原有功能的建筑結(jié)構(gòu)，是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的新趨勢［2］。屈曲約束支撐［3］（BRB）通過外圍約束部件對支撐內(nèi)核進(jìn)行限制，便可實(shí)現(xiàn)小震提供剛度和大震耗能的雙重需求，并且有助于實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的功能恢復(fù)，在工程抗震加固、超高層結(jié)構(gòu)、橋梁工程抗震中應(yīng)用廣泛。裝配式RCS 結(jié)構(gòu)［4］是將預(yù)制混凝土柱和鋼梁采用焊接、螺栓連接等干式連接方式組裝而成的結(jié)構(gòu)體系，該類結(jié)構(gòu)雖能將鋼梁與混凝土柱高效結(jié)合，但抗側(cè)剛度較小，不適用于高層建筑結(jié)構(gòu)［5］?；趯⑶s束支撐（BRB）引入裝配式混凝土柱-鋼梁（RCS）組合結(jié)構(gòu)中，且在屈曲約束支撐與混凝土柱和鋼梁間采用鉸接連接、端部鋼梁與中部鋼梁采用鉸接連接，形成裝配式混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐（P-RCS-BRB）組合結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)不僅能實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的全裝配，還能有效減輕節(jié)點(diǎn)連接板的開合效應(yīng)［6］影響，如圖1所示。

圖1 裝配式混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐組合結(jié)構(gòu)體系Fig.1 Fabricated reinforced concrete column-steel beam-buckling restrained brace constructure

混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐（RCS-BRB）節(jié)點(diǎn)成為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)預(yù)期性能的關(guān)鍵。郭琪等［2］提出一種裝配式混凝土梁柱-Y 形偏心支撐組合節(jié)點(diǎn)，并將與支撐相連的框架梁和中間梁段鉸接連接，可顯著減輕組合節(jié)點(diǎn)的損傷，且新型節(jié)點(diǎn)在大震作用下滿足各項(xiàng)抗震要求；趙俊賢等［5］對一屈曲約束支撐鋼框架節(jié)點(diǎn)的研究表明，滑移連接能減輕開合效應(yīng)影響，且能顯著改善節(jié)點(diǎn)連接板的損傷狀態(tài)；Cheng等［7］對8個帶有支撐的鋼框架連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，得出節(jié)點(diǎn)連接板受壓時的主要破壞模式為平面外屈曲，應(yīng)對節(jié)點(diǎn)連接板的厚度予以加寬；Tsai等［8］對某3層帶有支撐的混凝土框架進(jìn)行研究，指出支撐與梁柱連接節(jié)點(diǎn)處受力狀態(tài)較為復(fù)雜，為防止節(jié)點(diǎn)連接板先于支撐產(chǎn)生平面外屈曲，需對節(jié)點(diǎn)連接板進(jìn)行加強(qiáng)處理；Nabil 等［9］對一榀基于梁端鉸接的足尺支撐框架進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明梁端采用柔性連接能有效降低節(jié)點(diǎn)連接板開合效應(yīng)的影響；孫煜坤等［10］對2個不等高H形鋼梁-鋼管混凝土柱異形節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，指出節(jié)點(diǎn)鋼管壁厚的合理設(shè)計能防止節(jié)點(diǎn)區(qū)域剪切破壞；鐘根全等［11］進(jìn)行了3榀屈曲約束支撐裝配式框架在平面外方向的擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)板需加強(qiáng)以防止支撐在屈服耗能前失穩(wěn)。

因與支撐相連的梁柱節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜且易破壞，學(xué)者們已作出大量研究，但在裝配式RCS 結(jié)構(gòu)中引入BRB 的研究還比較有限。故本文提出一種裝配式RCS-BRB 組合連接節(jié)點(diǎn)。采用基于螺栓連接的RCS 節(jié)點(diǎn)抗震試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證有限元分析方法的正確性，進(jìn)而利用經(jīng)驗(yàn)證的有限元分析方法對RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)往復(fù)荷載下的滯回性能、混凝土損傷、節(jié)點(diǎn)連接板等構(gòu)件應(yīng)力分布狀況進(jìn)行研究。

1 混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐組合結(jié)構(gòu)及連接節(jié)點(diǎn)

1.1 混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐結(jié)構(gòu)基本組成

如圖1（a）所示，新型裝配式混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐（P-RCS-BRB）組合結(jié)構(gòu)主要由預(yù)制混凝土柱、鋼梁、屈曲約束支撐等構(gòu)件組成?；炷林鈬O(shè)有鋼板箍，采用焊接與端部鋼梁連接；端部鋼梁與中間鋼梁使用鉸接連接［12］。此外，節(jié)點(diǎn)連接板采用高強(qiáng)螺栓與梁柱進(jìn)行連接。

在新型P-RCS-BRB 組合結(jié)構(gòu)中，端部鋼梁與中間鋼梁的鉸接連接方式，會降低結(jié)構(gòu)本身的抗側(cè)剛度，使得屈曲約束支撐將承擔(dān)更大的側(cè)向荷載；柱與端部鋼梁采用剛性連接，以保證節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的承載力和剛度；節(jié)點(diǎn)連接板采用半剛性連接，且沿全長布有加勁肋，保證連接可靠且有效避免了平面外屈曲［13］問題。在小震和中震作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向變形的同時不產(chǎn)生塑性損傷；在大震作用下，屈曲約束支撐率先進(jìn)入全截面屈服狀態(tài)并不斷耗散地震能量，作為整體結(jié)構(gòu)的保險絲，震后將損壞的屈曲約束支撐更換以恢復(fù)原有功能。

1.2 混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

裝配式混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐（RCS-BRB）組合節(jié)點(diǎn)［14］主要由預(yù)制混凝土柱、鋼板箍、鋼梁、節(jié)點(diǎn)連接板、BRB 等構(gòu)件組成，如圖1（b）所示。其中，混凝土柱在整體澆筑前需預(yù)埋高強(qiáng)螺栓，待澆筑后將端部鋼梁焊接于鋼板箍對應(yīng)位置；節(jié)點(diǎn)連接板需預(yù)先開孔，鋼板箍和端部鋼梁也需在對應(yīng)位置開孔用于螺栓連接，高強(qiáng)螺栓孔徑比其直徑大2 mm［16］。

地震作用下，RCS-BRB節(jié)點(diǎn)的剪力由內(nèi)置的十字腹板傳遞，彎矩由混凝土柱外側(cè)鋼板箍傳遞，但在端部鋼梁與中間鋼梁、屈曲約束支撐與節(jié)點(diǎn)連接板鉸接連接處將進(jìn)行彎矩釋放。因此在節(jié)點(diǎn)區(qū)域彎矩非常小，可顯著減輕傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)板受力過大問題，且對處于拉（壓）-彎-剪復(fù)雜受力狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)提供保護(hù)。

2 有限元分析方法的驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)研究

筆者所在課題組設(shè)計并制作了基于螺栓連接的全裝配式RCS節(jié)點(diǎn)試件［17］，該RCS組合節(jié)點(diǎn)主要由混凝土柱、鋼梁、鋼板箍、十字腹板等構(gòu)件組成，其中混凝土柱外置鋼板箍，與鋼梁間采用焊接連接，鋼梁與鋼梁間采用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行半剛性連接。試件中混凝土柱的截面為350 mm×350 mm，高度為1 800 mm；鋼梁采用H300×150×6.5×9型號，長度為1 600 mm；節(jié)點(diǎn)試件總長度1 950 mm。鋼梁與混凝土柱連接處需預(yù)埋鋼板箍，截面采用350×350 mm，厚度為12 mm；鋼板箍內(nèi)置有十字腹板，與鋼板箍同長，厚度為10 mm。此外，在鋼梁端部需采用寬型翼緣處理，翼緣加寬320 mm，并與鋼板箍進(jìn)行焊接連接，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖2（a）所示。

圖2 裝配式RCS節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)Fig.2 Fabricated RCS node experiment

（1）材料性能

在裝配式RCS試件中，鋼梁及各連接板件均使用Q345鋼材，制作厚度分別為6.5 mm、8 mm、9 mm、12 mm、14 mm的拉伸試件；混凝土強(qiáng)度為C40。各試件的材料性能如表1所示［17］。

表1 鋼板及混凝土的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of steel plate and concrete

（2）試驗(yàn)裝置及加載方式

本試驗(yàn)于南昌大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室舉行，如圖2（a）所示。采用的實(shí)驗(yàn)裝置有作動器、反力架、反力千斤頂、錨桿等。其中，柱通過錨桿固定于地槽，左端采用反力千斤頂施加軸力，右端設(shè)置已錨固的墊梁來限制柱的位移；梁下端以高強(qiáng)螺栓通過連接板與節(jié)點(diǎn)連接，上端通過長螺桿將鋼梁與作動器連接，以施加水平往復(fù)荷載。試驗(yàn)位移控制加載，加載位移增量為10 mm。在位移幅值為10 mm 前，循環(huán)加載1 次；當(dāng)位移幅值發(fā)展至10 mm后，加載循環(huán)3次；當(dāng)承載力下降至上級位移幅值承載力的85%或構(gòu)件有明顯破壞時停止加載［17］。

（3）試驗(yàn)結(jié)果分析

加載初期，在位移幅值加載至10 mm時，荷載為52.33 kN，整個實(shí)驗(yàn)過程無明顯現(xiàn)象；當(dāng)位移幅值加載至20 mm對應(yīng)荷載為100.01 kN，此時高強(qiáng)螺栓與翼緣拼接板及鋼梁開始滑移，有細(xì)微摩擦聲，鋼梁翼緣拼接板最大壓應(yīng)變?yōu)?66με；當(dāng)位移幅值發(fā)展至30 mm時對應(yīng)荷載為119.36 kN，此時不斷發(fā)出細(xì)微響聲，高強(qiáng)螺栓與鋼梁及翼緣拼接板之間產(chǎn)生嚴(yán)重的相對滑移，鋼梁右側(cè)翼緣拼接板最大壓應(yīng)變已發(fā)展為1 581με，表明翼緣拼接板已開始屈服；當(dāng)位移幅值加載至60 mm 時對應(yīng)荷載為163.23 kN，鋼梁已出現(xiàn)較大的錯動和相對滑移和變形，此時部分鋼梁變形尚可復(fù)原；當(dāng)位移幅值加載至70 mm時對應(yīng)最大荷載為109.36 kN，伴隨著鋼梁上下翼緣預(yù)留接縫的收緊、加寬，鋼梁已出現(xiàn)較大的錯動、相對滑移和變形，此時鋼梁變形已不可復(fù)原，中間鋼梁與端部鋼梁的翼緣拼接板也已出現(xiàn)嚴(yán)重的屈服變形，圖3（d）所示，承載力下降至上一級荷載的85%以下，試驗(yàn)結(jié)束。

圖3（c）、（d）為該RCS 節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)加載點(diǎn)處的滯回曲線、骨架曲線及破壞形式。滯回曲線呈“Z”字形且比較飽滿，表明節(jié)點(diǎn)在承受往復(fù)荷載時，高強(qiáng)螺栓與鋼梁及拼接板可通過明顯滑移來發(fā)揮節(jié)點(diǎn)的延性和耗能能力；骨架曲線上升階段較長，說明節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載下具有較長的強(qiáng)化階段，翼緣拼接板處的鋼材塑性變形能力得以充分施展；整個試驗(yàn)過程未出現(xiàn)混凝土開裂，表明此RCS連接節(jié)點(diǎn)滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計要求；節(jié)點(diǎn)破壞形式為翼緣拼接板屈服變形，能較好滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的相關(guān)要求。

2.2 有限元驗(yàn)證

采用ABAQUS 有限元軟件對上述基于螺栓連接的RCS 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，分析模型如圖3（a）所示。其中，鋼筋網(wǎng)采用T3D2桁架單元模擬，其余構(gòu)件均采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行建模分析。

接觸屬性與加載方式。在接觸屬性中，切線方向均采用“罰摩擦”，法線方向采用“硬接觸”且允許接觸后分離。其中鋼材與鋼材之間、鋼材與螺栓間的摩擦系數(shù)取0.35，鋼材與混凝土之間的摩擦系數(shù)取0.6。而鋼筋網(wǎng)作為內(nèi)置區(qū)域嵌入混凝土柱中，其余均為“面對面的接觸”。模型的邊界條件均采用耦合于參考點(diǎn)的方式進(jìn)行約束，混凝土柱左側(cè)約束兩個方向的平移和轉(zhuǎn)動，便于預(yù)加軸力；柱右側(cè)僅釋放一個方向的轉(zhuǎn)動；鋼梁端部約束平面外自由度，進(jìn)而施加往復(fù)荷載。模型的整個加載過程共分為2個分析步：首先在混凝土柱左側(cè)施加350 kN 軸力使軸壓比達(dá)到0.1，其次在梁端耦合點(diǎn)上采用位移控制的加載方式施加反復(fù)荷載，加載制度與試驗(yàn)的加載方式完全一致。

RCS 節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果對比。圖3（b）為此節(jié)點(diǎn)抗震試驗(yàn)與有限元分析的荷載-位移曲線對比圖，在構(gòu)件處于彈性及早期彈塑性階段時，兩曲線均吻合較好，即有限元分析與RCS 節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果基本相同。在達(dá)到最大承載力后的卸載階段，有限元分析大于試驗(yàn)結(jié)果，原因在于該RCS節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)從彈性階段到加載結(jié)束，鋼板箍和混凝土的粘結(jié)摩擦可能存在差異。圖3（c）為節(jié)點(diǎn)失效模式與有限元應(yīng)力對比圖。左側(cè)試驗(yàn)失效模式為翼緣拼接板的屈服變形；右側(cè)有限元結(jié)果同樣呈現(xiàn)為翼緣拼接板的屈服變形，且應(yīng)力已達(dá)到屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力，這與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。以上結(jié)果表明，本文有限元分析方法正確且有效。

圖3 分析模型、荷載-位移曲線、翼緣拼接板屈服及其應(yīng)力對比圖Fig.3 Analysis of the model，load-slip curve，comparison of flange spliced cover plateyield and stress diagram

3 混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

3.1 模型框架基本信息

設(shè)計一6 層5 跨的新型裝配式混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐（P-RCS-BRB）組合結(jié)構(gòu)，采用400 mm×400 mm 的C40 混凝土柱，端部鋼梁與中間鋼梁均采用規(guī)格為HN450×200×9×14 的Q345 鋼材。整體結(jié)構(gòu)雙向跨度均為6 m，每層層高一致且均為4.5 m。其中，在第二跨、第四跨對稱設(shè)置BRB，避免框架因設(shè)計不規(guī)則而產(chǎn)生附加扭矩。為便于邊界條件的確定，RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)有限元模型從梁、柱反彎點(diǎn)處截取，如圖4所示。

圖4 RCS-BRB節(jié)點(diǎn)模型選取Fig.4 Selection of RCS-BRB node model

3.2 節(jié)點(diǎn)的有限元模型

3.2.1 分析模型

采用ABAQUS 有限元軟件對上述RCS-BRB 組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元建模，如圖5 所示。其中，鋼筋網(wǎng)采用T3D2 桁架單元建立；中間鋼梁采用梁單元B31 進(jìn)行簡化建模；BRB 采用軸向連接器［5］模擬阻尼器的軸向拉壓行為；為便于分析節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的應(yīng)力分布狀態(tài)，其余構(gòu)件均采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行建模分析。

圖5 裝配式混凝土柱-鋼梁-屈曲約束支撐組合節(jié)點(diǎn)分析模型Fig.5 Analysis model of prefabricated reinforced concrete column-steel beam-buckling restrained brace joint

各構(gòu)件尺寸及材料屬性。鋼梁規(guī)格為HN450×200×9×14，端部鋼梁長600（單位：mm，下同），中間鋼梁長度為2 200；鋼板箍的截面尺寸為400×400（厚16），長度為1 650；鋼材均采用Q345型號，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為319 MPa、479 MPa，彈性模量為206 GPa。混凝土柱截面尺寸為400×400，長為4 500，混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C40，抗壓、抗拉強(qiáng)度分別為26.8 MPa、2.39 MPa，彈性模量為3.25×104MPa。其中，混凝土柱內(nèi)置有12根直徑為20 的HRB400 縱筋，箍筋采用直徑為8 的HRB400 鋼筋，間距為100，屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為400 MPa、540 MPa，彈性模量為200 GPa。BRB長度為2 938 mm，兩端邊界條件為鉸接連接，因此選取具有相同邊界條件的梭形空間桁架約束型屈曲約束支撐（STC-BRB）［18］，本構(gòu)采用STC-16.0-2.44的骨架曲線，屈服強(qiáng)度為235 MPa。鋼梁之間的連接處全部采用10.9 級M24 型號高強(qiáng)螺栓，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度分別為940 MPa、1 040 MPa，彈性模量為206 GPa。

RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)有限元模型中的接觸［5］包括鋼梁與節(jié)點(diǎn)連接板、節(jié)點(diǎn)連接板與鋼板箍、混凝土柱與鋼板箍、鋼筋網(wǎng)與混凝土等接觸。除了鋼筋網(wǎng)采用內(nèi)置區(qū)域嵌入混凝土柱外，其余均為“面對面”接觸。其中鋼梁與節(jié)點(diǎn)連接板、節(jié)點(diǎn)連接板與鋼板箍的接觸法線方向?yàn)椤坝步佑|”并允許接觸后分離，切線方向?yàn)椤傲P摩擦”且摩擦系數(shù)取為0.3；混凝土柱與鋼板箍的接觸同樣法線方向?yàn)椤坝步佑|”且接觸可分離，切線方向?yàn)椤傲P摩擦”，摩擦系數(shù)取為0.6。

所有邊界條件均采用耦合于參考點(diǎn)的方式施加，如圖5所示。柱底僅釋放加載方向的轉(zhuǎn)動自由度，柱頂釋放所有自由度［5］；中間鋼梁外側(cè)D 點(diǎn)，除約束平面外平動和轉(zhuǎn)動自由度外，還需約束縱向位移［2］；BRB 外側(cè)E點(diǎn)僅約束3個方向的平動自由度。而端部鋼梁與中間鋼梁、BRB與節(jié)點(diǎn)連接板均使用MPC鉸接連接，并約束平面外自由度。整個加載過程共分為2個分析步，首先采用“Bolt Load”對高強(qiáng)螺栓施加預(yù)緊力250 KN，進(jìn)而在F 點(diǎn)施加位移控制的水平往復(fù)荷載。由《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》［19］知，P-RCS-BRB 結(jié)構(gòu)在小震、中震、大震作用下，層間位移角限值分別為1/400、1/83、1/50。為便于STC-BRB［7］與新型節(jié)點(diǎn)中BRB 滯回性能進(jìn)行對比分析，采用STC-BRB 的加載方式［7］與層間位移角限值［5］綜合進(jìn)行加載，加載制度如表2所示。

表2 RCS-BRB節(jié)點(diǎn)加載制度Table 2 RCS-BRB node loading system

3.2.2 結(jié)果分析

在合理的構(gòu)件設(shè)計、有限元驗(yàn)證、分析模型、接觸關(guān)系及加載制度下，RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)的有限元分析具有一定可靠性，其分析結(jié)果如下。

（1）滯回曲線

圖6（a）為軸向連接器模擬BRB 與STC-BRB［7］滯回曲線對比圖，兩曲線基本重合，此結(jié)果說明軸向連接器能較好模擬STC-BRB 的雙向滯回性能。圖6（b）為新型RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)滯回曲線與骨架曲線圖，由此可知：新型節(jié)點(diǎn)的耗能能力與軸向連接器BRB 幾乎相同，說明在RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)工作過程中，僅BRB 進(jìn)行全截面屈服耗能，與預(yù)期節(jié)點(diǎn)性能一致。

圖6 BRB滯回曲線對比圖與RCS-BRB節(jié)點(diǎn)滯回曲線、骨架曲線圖Fig.6 Comparison of BRB hysteretic curve，hysteresis curve and skeleton curve of RCS-BRB node

（2）混凝土損傷

圖7是正、負(fù)向加載時，在小震、中震、大震作用下RCS-BRB節(jié)點(diǎn)混凝土的最大損傷狀況。小震作用下，正、負(fù)向加載時節(jié)點(diǎn)的最大損傷為2.10%、2.09%，集中在中部預(yù)埋螺栓與混凝土的接觸處，其他位置基本無損傷；在新型節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷中震作用時，正、負(fù)向的最大損傷分別為3.62%、3.53%，損傷仍集中在中部螺栓與混凝土的接觸位置；大震作用下，節(jié)點(diǎn)正、負(fù)向加載的最大損傷分別為9.08%、8.97%，螺栓孔處的損傷小部分?jǐn)U散至混凝土柱下側(cè)。以上說明，在小震、中震、大震作用下RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷正、負(fù)向加載過程中，混凝土柱損傷區(qū)域較小且損傷程度較輕，對此新型節(jié)點(diǎn)的使用性能無明顯影響。

圖7 混凝土損傷應(yīng)力圖Fig.7 Damage stress nephogram of concrete

（3）節(jié)點(diǎn)連接板和高強(qiáng)螺栓及鋼梁和鋼板箍應(yīng)力

圖8為在正、負(fù)向加載時，小震、中震、大震作用下的節(jié)點(diǎn)連接板與高強(qiáng)螺栓應(yīng)力圖。小震作用下，正、負(fù)向加載時節(jié)點(diǎn)連接板的最大應(yīng)力為237.2 MPa、226.4 MPa，出現(xiàn)在外側(cè)螺栓孔壁處，此時高強(qiáng)螺栓最大應(yīng)力為796.3 MPa、790.6 MPa；在中震作用下，正負(fù)向加載時節(jié)點(diǎn)連接板的最大應(yīng)力為240.1 MPa、229.2 MPa，最大應(yīng)力仍處于外側(cè)螺栓孔處，高強(qiáng)螺栓最大應(yīng)力為799.4 MPa、794.3 MPa；在大震作用下，正負(fù)向加載時節(jié)點(diǎn)連接板的最大應(yīng)力為241.1 MPa、231.1 MPa，高強(qiáng)螺栓最大應(yīng)力為799.6 MPa、794.7 MPa，最大應(yīng)力分布位置與小震、中震階段基本相同。由上述分析可見，此組合節(jié)點(diǎn)在大震作用下，節(jié)點(diǎn)連接板的最大應(yīng)力為241.1 MPa，未達(dá)到屈服應(yīng)力319 MPa；高強(qiáng)螺栓最大應(yīng)力為799.6 MPa，未達(dá)到屈服應(yīng)力940 MPa。綜上說明，節(jié)點(diǎn)連接板與高強(qiáng)螺栓在大震下均處于彈性狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了大震彈性的抗震目標(biāo)。

圖8 節(jié)點(diǎn)連接板與高強(qiáng)螺栓應(yīng)力圖Fig.8 Stress nephogram of nodal plate and high strength bolt

圖9為在正、負(fù)向加載時，小震、中震、大震作用下的鋼梁和鋼板箍應(yīng)力圖。小震作用下，正、負(fù)向加載時鋼梁與鋼板箍的最大應(yīng)力為270.9 MPa、286.2 MPa；在中震作用下，正負(fù)向加載時鋼梁與鋼板箍的最大應(yīng)力為271.5 MPa、287.6 MPa，最大應(yīng)力處于外側(cè)螺栓孔處；在大震作用下，正負(fù)向加載時鋼梁與鋼板箍的最大應(yīng)力為272.2 MPa、294.9 MPa，最大應(yīng)力分布與中震階段基本相同。以上表明，主體結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在大震作用下均處于彈性狀態(tài)，滿足對節(jié)點(diǎn)預(yù)期性能的相關(guān)要求。

圖9 鋼板箍與鋼梁應(yīng)力圖Fig.9 Stress nephogram of steel hoop and beam

3.3 不同剛度比對RCS-BRB節(jié)點(diǎn)抗震性能影響

梁柱的線剛度比是決定連接節(jié)點(diǎn)及相應(yīng)結(jié)構(gòu)抗震性能能的重要因素之一，需根據(jù)新型節(jié)點(diǎn)的承載能力和損傷狀況得出合理的梁柱線剛度比取值。忽略節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼板箍及十字腹板的影響后，RCS-BRB節(jié)點(diǎn)鋼梁與混凝土柱的線剛度比ib ic可表示為：

式中，Eb、Ec分別為梁柱的彈性模量；Ib、Ic分別為梁柱截面慣性矩；Lb、Lc分別為梁長、柱高。

另外，在帶有支撐的裝配式框架中，水平荷載主要由支撐和框架柱承擔(dān)，支撐與混凝土柱的抗側(cè)剛度比Sr［19］可表示為：

式中，E0為屈曲約束支撐的彈性模量；A0為支撐面積；θ為支撐與鋼梁夾角。

為探究鋼梁與混凝土柱線剛度比ib ic與對RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，在保證屈曲約束支撐截面不變時，設(shè)計9 個不同梁柱尺寸的分析模型。各模型的材料屬性、邊界條件及加載方式等均與上述模型相同，具體參數(shù)如表3所示。

表3 RCS-BRB節(jié)點(diǎn)尺寸設(shè)計Table 3 RCS-BRB node size design

圖10 是各構(gòu)件在不同梁柱線剛度比值下荷載與混凝土損傷值。其中，各分析模型的混凝土損傷在8.87%～17.82%之間，損傷程度較輕；荷載處于253 kN～283 kN間，承載能力較強(qiáng)；隨著ib ic、Sr的不斷上升，混凝土損傷與荷載都呈下降趨勢。對比RN-1、RN-3、RN-4 和RN-2、RN-6、RN-7 及RN-5、RN-8、RN-9 三組分析模型結(jié)果可知，在Sr不變的前提下，大震作用下的荷載隨梁截面的增大而減小，混凝土損傷隨梁截面的增大而普遍減小。當(dāng)ib ic大于0.72時，節(jié)點(diǎn)在大震作用下荷載將快速減??；當(dāng)ib ic小于0.14時，由于梁柱截面的降低使得連接處應(yīng)力增大，使得混凝土損傷值將突增。因此，當(dāng)鋼梁與混凝土柱線剛度比在0.14 至0.72區(qū)間時，荷載與混凝土損傷的變化較為明顯，將影響RCS-BRB節(jié)點(diǎn)的抗震性能，故建議梁柱線剛度比值宜取在0.14～0.72范圍內(nèi)。

圖10 分析模型大震作用下的荷載與混凝土損傷狀況Fig.10 The load and concrete damage of the model under the action of rare earthquake

4 結(jié)論

提出一種用于裝配式RCS-BRB 組合結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)，并采用經(jīng)驗(yàn)證的有限元分析方法對RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)荷載下的抗震性能分析，得到以下結(jié)論：

（1）RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)端部鋼梁與中間鋼梁采用鉸接連接，并將損傷集中于屈曲約束支撐，還可避免因梁端出現(xiàn)塑性鉸導(dǎo)致震后難以修復(fù)的問題。基于合理的設(shè)計和有限元分析，RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)達(dá)到預(yù)期性能要求，具有高承載、可裝配、震后無損傷等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接的設(shè)計準(zhǔn)則和大震彈性的抗震目標(biāo)。

（2）裝配式RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)幾乎不影響B(tài)RB 的耗能效果，主體結(jié)構(gòu)各構(gòu)件始終處于彈性狀態(tài)，在大震作用后僅需更換BRB即可恢復(fù)建筑結(jié)構(gòu)使用功能。

（3）在支撐與混凝土柱的抗側(cè)剛度比不變的前提下，隨著梁柱線剛度比的上升，RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)混凝土損傷與荷載均呈下降趨勢。當(dāng)梁柱線剛度比小于0.14、大于0.72 時，對RCS-BRB 節(jié)點(diǎn)的抗震性能將明顯下降，故建議梁柱線剛度比值宜取在0.14～0.72范圍內(nèi)。