人工塑性鉸連接的裝配式鋼混組合節(jié)點(diǎn)非線性靜力分析

吳成龍,李明陽(yáng),尚育卿,王其輝,潘昊,牟犇,劉繼明

（1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 2660334； 2.香港大學(xué) 工程學(xué)院，香港 999077）

裝配式結(jié)構(gòu)是“十三五”期間綠色建筑及建筑工業(yè)化領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展和研究的方向，應(yīng)用前景廣泛。其中，裝配式鋼-混組合框架結(jié)構(gòu)以節(jié)能環(huán)保、裝配高效和抗震性能優(yōu)越而得到廣泛關(guān)注。梁柱節(jié)點(diǎn)是裝配式鋼-混組合框架結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位，通過(guò)可靠的連接構(gòu)造來(lái)有效控制梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性發(fā)展，保證梁柱節(jié)點(diǎn)良好的抗震性能至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有裝配式鋼-混凝土組合節(jié)點(diǎn)中存在受損部件不可更換、塑性鉸不可控及震后難以修復(fù)等問(wèn)題[1-3]。因此，實(shí)現(xiàn)裝配式鋼-混凝土組合節(jié)點(diǎn)梁端塑性鉸可控、連接部件集中耗能和可更換的性能目標(biāo)，已成為目前裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要研究方向。

學(xué)者們對(duì)不同構(gòu)造形式的裝配式鋼-混組合節(jié)點(diǎn)開(kāi)展了大量研究。其中，郭小農(nóng)等[4]對(duì)預(yù)制混凝土梁端預(yù)埋槽鋼組合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)增加槽鋼預(yù)埋深度與梁端箍筋密度可有效提高節(jié)點(diǎn)承載力。為了提高裝配效率，胡刁兵等[5]設(shè)計(jì)一種新型型鋼連接裝配式梁柱組合節(jié)點(diǎn)形式，該新型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造可有效承擔(dān)裝配過(guò)程中的施工荷載。郭震等[6]提出一種插接式的裝配式鋼混組合節(jié)點(diǎn)，研究表明，加強(qiáng)型鋼與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度能夠顯著提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。馮世強(qiáng)等[7]結(jié)合螺栓連接和后張預(yù)應(yīng)力筋連接的構(gòu)造方式，提出一種自復(fù)位裝配式鋼-混凝土組合節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)具有良好的滯回性能，鋼梁震后自復(fù)位效果顯著。張錫治等[8]研究了裝配式混凝土異形柱-鋼梁框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受剪性能，研究表明，該新型節(jié)點(diǎn)的抗震性能良好，牛腿內(nèi)側(cè)加設(shè)X 形鋼筋與X 形鋼板可有效提高節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力。Pan 等[9]基于梁端削弱和塑性鉸外移的思路，設(shè)計(jì)了3 種不同梁端螺栓連接的鋼筋混凝土柱-鋼梁節(jié)點(diǎn)。研究表明，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可以使節(jié)點(diǎn)的損傷集中在薄弱的連接部位，便于震后修復(fù)和更換受損構(gòu)件。Khaloo 等[10]對(duì)具有不同細(xì)部構(gòu)造的RCS 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震性能研究，對(duì)比分析表明，各節(jié)點(diǎn)均能表現(xiàn)出穩(wěn)定的滯回響應(yīng)，并提供相當(dāng)大的接縫抗剪強(qiáng)度。Nzabonimpa 等[11]提出一種梁柱干式機(jī)械連接的組合節(jié)點(diǎn)，采用對(duì)拉螺栓連接梁端板和柱板，該連接方式可以提供完全約束的力矩傳遞。Li 等[12-13]通過(guò)在梁端設(shè)置阻尼器模塊，使裝配式型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能能力明顯優(yōu)于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。Wu等[14-15]提出一種預(yù)制梁、柱和節(jié)點(diǎn)模塊進(jìn)行分離式裝配的鋼混組合節(jié)點(diǎn)，該新型節(jié)點(diǎn)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、裝配效率高以及抗震性能良好等特點(diǎn)。綜上表明，不同構(gòu)造形式的裝配式鋼-混凝土組合節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出良好的承載能力和耗能性能，但在節(jié)點(diǎn)的損傷控制、塑性鉸可控及震后可更換等方面的研究較為匱乏。

筆者基于人類骨關(guān)節(jié)的仿生學(xué)設(shè)計(jì)，提出一種基于人工塑性鉸連接的裝配式鋼混組合節(jié)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱“人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)”），如圖1 所示。人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、承載耗能、易裝配等特點(diǎn)，通過(guò)可靠的雙重“保險(xiǎn)絲”（翼緣連接板、抗剪耗能桿）功能，可有效控制梁柱節(jié)點(diǎn)整體的破壞模式、承載能力和延性耗能，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的保護(hù)性能。同時(shí)，在人工塑性鉸的夾板之間可安裝摩擦片，利用其摩擦耗能來(lái)提高人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的耗能能力（本文暫不考慮該變量）。 通過(guò)ABAQUS 有限元分析的方法，研究軸壓比、翼緣連接板厚度、抗剪耗能桿直徑對(duì)人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)破壞模式和受力性能的影響，并揭示節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理，為后期人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供參考。

圖1 人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)Fig.1 Artificial plastic hinge beam column joint

1 人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及裝配過(guò)程

人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造主要由3 部分組成，分別是預(yù)制SRC 柱（上）、預(yù)制SRC 柱（下）、預(yù)制鋼梁及連接組件，如圖1 所示。連接組件包括翼緣連接板、抗剪耗能桿、摩擦片、高強(qiáng)螺栓及銷軸，翼緣連接板和抗剪耗能桿主要承擔(dān)梁端荷載引起的彎矩，當(dāng)翼緣連接板發(fā)生較大塑性變形時(shí)，預(yù)制鋼梁開(kāi)始繞銷軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，外部荷載產(chǎn)生的彎矩逐步由抗剪耗能桿承擔(dān)，當(dāng)發(fā)生破壞時(shí)可對(duì)其進(jìn)行更換。在夾板之間考慮摩擦片的摩擦耗能機(jī)制，可進(jìn)一步提高人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的震時(shí)能量耗散特性。銷軸主要起到連接和承擔(dān)豎向剪力的作用。預(yù)制SRC 柱（下）設(shè)置“骨關(guān)節(jié)”仿生構(gòu)造——人工塑性鉸，由下柱端連接板、下柱連接板、弧形板、腹板、夾板焊接而成。預(yù)制鋼梁為梁端帶弧形板的焊接H 型鋼。

人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的裝配：1）通過(guò)高強(qiáng)螺栓將上柱和下柱進(jìn)行連接形成預(yù)制SRC 柱；2）吊裝預(yù)制鋼梁并通過(guò)銷軸進(jìn)行定位，在人工塑性鉸的夾板與梁腹板之間安裝摩擦片；3）校準(zhǔn)螺栓孔位置，安裝翼緣連接板和抗剪耗能桿。

1.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)3 組共9 個(gè)試件，以軸壓比、翼緣連接板、抗剪耗能桿為主要參數(shù)變量，分析不同參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)破壞模式和受力性能的影響。人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)中的預(yù)制SRC 柱采用C30 混凝土，縱向受力筋為HRB400，箍筋為HPB300，H 型鋼骨、預(yù)制鋼梁及其他連接板材料均為Q345B 鋼材?？辜艉哪軛U采用直徑14 mm 的普通8.8 級(jí)螺栓，連接螺栓采用10.9S M20、M24 摩擦型高強(qiáng)螺栓，暫不考慮摩擦片的影響。詳細(xì)參數(shù)設(shè)置如表1 所示，梁柱節(jié)點(diǎn)試件尺寸詳圖如圖2。

表1 人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)詳細(xì)參數(shù)匯總Table 1 Summary of detailed parameters of artificial plastic hinge beam column joints

圖2 人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)試件尺寸詳圖Fig.2 Detail drawing of specimen size of artificial plastic hinge beam column joint

此外，梁柱節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線能反應(yīng)梁柱節(jié)點(diǎn)抗彎承載力、剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)性能，是對(duì)人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)連接剛度進(jìn)行評(píng)估的重要依據(jù)。因此，在對(duì)人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接剛度設(shè)計(jì)時(shí)，主要參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode 3 中規(guī)定的節(jié)點(diǎn)剛度分類方法，充分考慮新型節(jié)點(diǎn)鉸接連接的剛性問(wèn)題，具體判別公式為[16-17]

其中：E為鋼材彈性模量；Ib為梁截面慣性矩；Lb為梁跨度。

同時(shí)，根據(jù)人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力與連接鋼梁抗彎承載力的關(guān)系，以及人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)自身的連接構(gòu)造特點(diǎn)，考慮了梁柱節(jié)點(diǎn)的完全強(qiáng)度連接特性。

其中：Mu為梁柱節(jié)點(diǎn)抗彎承載力；Mb為梁全截面塑性抵抗矩。

2 建立有限元建模

2.1 材料本構(gòu)與單元類型

梁柱節(jié)點(diǎn)試件尺寸如圖2 所示，通過(guò)ABAQUS建立人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的非線性精細(xì)化有限元模型，如圖3 所示。在人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)模型中，鋼材采用簡(jiǎn)化混合強(qiáng)化模型，服從Von Mises 屈服準(zhǔn)則，彈性模量為2.06×106N/mm2，泊松比υ取0.3，鋼材和高強(qiáng)螺栓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4 所示[18-19]?；炷翍?yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)曲線參考文獻(xiàn)[20]得到，同時(shí)考慮混凝土損傷塑性模型，服從塑性流動(dòng)法則（圖5）。圖5 中E0為混凝土彈性模量，取30 000 N/mm2；泊松比υ0取0.2；εtu為破壞拉應(yīng)變；εt0、σt0分別為峰值拉應(yīng)變和拉應(yīng)力；εc,e0、σc,e0分別為彈性極限壓應(yīng)變和壓應(yīng)力；εc0、σc0分別為峰值壓應(yīng)變和壓應(yīng)力；εcu、σcu分別為破壞壓應(yīng)變和壓應(yīng)力；εc,in為受損傷材料非彈性（壓碎）應(yīng)變；εc,el為未受損傷材料彈性壓應(yīng)變；εc,p為塑性壓應(yīng)變，εc,e為彈性壓應(yīng)變。

圖3 人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)有限元模型Fig.3 Finite element model of artificial plastic hinge beam column joint

圖4 鋼材與螺栓應(yīng)力-應(yīng)變曲線[18-19]Fig.4 Stress-strain curve of steel and bolt[18-19]

圖5 混凝土單軸本構(gòu)關(guān)系曲線Fig.5 Uniaxial constitutive relation curve of concrete

模型中，采用結(jié)構(gòu)化自適應(yīng)網(wǎng)格劃分法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在鋼材板件的厚度方向和受力較為復(fù)雜的核心區(qū)及連接區(qū)采用網(wǎng)格加密的方法，保證模型計(jì)算結(jié)果的精確性。模型中的鋼筋采用T3D2 單元，其他所有部件均采用C3D8R 單元。對(duì)于模型中的高強(qiáng)螺栓則簡(jiǎn)化為啞鈴形，螺栓柄和螺母的接觸面積與螺栓墊圈的面積相同[19]。

2.2 相互接觸屬性及邊界條件

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，有限元模擬忽略鋼材的幾何初始缺陷、焊接殘余應(yīng)力等兩方面的影響[14-15]。其中，鋼筋與混凝土、鋼材與混凝土、鋼材與鋼材及鋼材與螺栓之間的交界面均存在相同或不同材料之間的接觸關(guān)系。對(duì)于嵌入混凝土中的鋼筋和鋼材采用“Embedded”法確定，鋼材部件之間為焊接的均采用“Tie”法，其余各部件之間的接觸作用采用“surface-to-surface”有限滑動(dòng)法，其中，法線方向上采用“Hard”函數(shù)，切線方向上作用“Penalty”函數(shù)，摩擦系數(shù)取0.35。模型中，抗剪耗能桿不設(shè)置預(yù)緊力，10.9S M24、M20 高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力分別設(shè)置為225、155 kN。

在梁柱節(jié)點(diǎn)模型的耦合點(diǎn)RP-2 處采用鉸支座，RP-3 處采用定向支座。模型加載時(shí)，先在柱頂施加恒定的軸向荷載，然后在RP-1 處通過(guò)層間位移角θ進(jìn)行控制并施加單調(diào)靜力荷載，試驗(yàn)時(shí)近似取梁端轉(zhuǎn)角代替層間側(cè)移角。加載制度依次為0.375%、0.50%、0.75%、1%、1.5%、2%，之后以1%位移角遞增，直至梁柱節(jié)點(diǎn)承載力下降至峰值荷載的85%，加載結(jié)束。

3 結(jié)果分析

3.1 破壞模式及受力機(jī)理

由于人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念為梁端塑性鉸可控、屈曲耗能可更換，因此，各試件在最終破壞時(shí)的破壞模式基本一致，破壞位置主要集中在翼緣連接板、抗剪耗能桿及梁端連接處，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。對(duì)此，以NO.3-04-10-14 為例詳細(xì)分析人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞模式和受力機(jī)理情況。NO.3-04-10-14 在各特征點(diǎn)時(shí)的應(yīng)力云圖如圖6（a）～（c），圖6（d）～（f）為破壞時(shí)部分關(guān)鍵部件的應(yīng)力云圖。

圖6 NO.3-04-10-14 試件應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of no.3-04-10-14 specimen

由圖6 可知，在外部荷載作用下，人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)受力全過(guò)程可劃分為3 個(gè)階段：彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。

加載初始階段，梁柱節(jié)點(diǎn)整體處于彈性受力階段，各部件尚未有明顯塑性變形，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)與梁端翼緣連接板的集中應(yīng)力基本一致，表明梁端荷載能夠通過(guò)梁端連接組件有效傳遞至人工塑性鉸及預(yù)制SRC 柱，同時(shí)，由于上下預(yù)制SRC 柱之間的可靠連接，使得節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)力可進(jìn)行合理傳遞與分配。該階段，翼緣連接板提供主要的抗彎承載力，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)的H 型鋼骨腹板主要承擔(dān)豎向壓力和一定的剪力。

隨著層間位移角的增大，梁柱節(jié)點(diǎn)整體逐漸進(jìn)入彈塑性階段，翼緣連接板開(kāi)始因達(dá)到屈服而發(fā)生塑性變形。同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)的H 型鋼骨腹板因截面剛度較小，使其在翼緣連接板發(fā)生屈服后也逐漸進(jìn)入彈塑性受力狀態(tài)，其余組件基本處于彈性狀態(tài)。因此，后期設(shè)計(jì)時(shí)建議在H 型鋼骨與下柱連接板之間焊接加勁肋，可有效增強(qiáng)H 型鋼骨腹板的抗彎剛度，改善H 型鋼骨腹板的屈服變形。

當(dāng)層間位移角增大至一定程度時(shí)，抗剪耗能桿也開(kāi)始發(fā)生塑性變形，原因是翼緣連接板發(fā)生較大塑性變形后，預(yù)制鋼梁開(kāi)始繞銷軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得抗剪耗能桿因梁端弧形板和懸臂段弧形板之間的相互錯(cuò)動(dòng)而受到剪切作用。在該階段，由于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)混凝土的填充約束作用，使得節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)的H 型鋼骨腹板并未發(fā)生明顯塑性變形。表明通過(guò)翼緣連接板和抗剪耗能桿發(fā)生集中變形耗能，可實(shí)現(xiàn)保護(hù)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)不受損壞的功能。

當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)承載力達(dá)到峰值點(diǎn)后開(kāi)始進(jìn)入破壞階段，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)和預(yù)制SRC 柱連接端附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象不斷減弱，并隨著層間位移角的增大逐漸轉(zhuǎn)移至人工塑性鉸連接處，此時(shí)，外部荷載主要由人工塑性鉸及連接組件承擔(dān)。在該階段，翼緣連接板的塑性變形明顯加速，抗剪耗能桿承擔(dān)梁端荷載引起的主要彎矩和變形，最終因翼緣連接板和抗剪耗能桿的塑性變形過(guò)大、承載力降低而發(fā)生破壞。在整個(gè)加載過(guò)程中，預(yù)制SRC 柱因自身具有較大的抗側(cè)剛度和承載能力，其基本保持彈性受力狀態(tài)，符合“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)的基本原則。其余各試件破壞時(shí)的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。

圖7 各試件破壞時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of each specimen during failure

人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理為：在加載初期，梁端荷載傳遞至人工塑性鉸連接處時(shí)未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動(dòng)，梁端荷載作用下產(chǎn)生的彎矩主要通過(guò)高強(qiáng)螺栓和翼緣連接板傳遞至節(jié)點(diǎn)核心區(qū)（上部翼緣連接板受拉、下部翼緣連接板受壓），剪力主要通過(guò)銷軸傳遞至人工塑性鉸和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，抗剪耗能桿承擔(dān)并傳遞較小的剪切作用；隨著層間位移角的增大，翼緣連接板逐漸發(fā)生屈曲變形，人工塑性鉸發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動(dòng)，彎矩開(kāi)始同時(shí)由翼緣連接板和抗剪耗能桿進(jìn)行傳遞（抗剪耗能桿繞銷軸發(fā)生剪切變形進(jìn)行內(nèi)力傳遞和耗能），剪力繼續(xù)由銷軸承擔(dān)并傳遞梁柱節(jié)點(diǎn)。當(dāng)梁端內(nèi)力有效傳遞至節(jié)點(diǎn)核心區(qū)后，人工塑性鉸內(nèi)部的H 型鋼骨腹板和柱端之間的高強(qiáng)螺栓承擔(dān)了主要的剪切作用。由于柱端之間連接螺栓的可靠性，以及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)混凝土的填充約束作用，使得預(yù)制SRC 柱連接端及H 型鋼骨腹板并未發(fā)生明顯塑性變形和破壞現(xiàn)象。梁柱節(jié)點(diǎn)最終因翼緣連接板、抗剪耗能桿的彎曲變形和剪切變形嚴(yán)重而發(fā)生破壞。

3.2 彎矩（M）-轉(zhuǎn)角（θ）曲線分析

各試件的主要性能指標(biāo)包括：初始剛度K0、屈服點(diǎn)的屈服彎矩My、屈服轉(zhuǎn)角θy；破壞點(diǎn)的極限彎矩Mu、極限轉(zhuǎn)角θu；峰值點(diǎn)的峰值彎矩Mmax、峰值轉(zhuǎn)角θmax。各特征點(diǎn)采用Park 法確定，如圖8 所示[21]。延性系數(shù)定義為梁端轉(zhuǎn)角（位移）延性系數(shù)，即μ=θu/θy。經(jīng)計(jì)算分析，得到各梁柱節(jié)點(diǎn)整體的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖9 所示，主要性能指標(biāo)結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2 各試件特征點(diǎn)性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of characteristic points of each test piece

圖8 Park 法Fig.8 Park method

圖9 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.9 Moment- rotation curve

3.2.1 軸壓比

由圖9（a）可知，不同軸壓比影響下，各梁柱節(jié)點(diǎn)試件M-θ曲線的整體變化趨勢(shì)一致，具有明顯的彈性、彈塑性、破壞3 個(gè)階段。在彈性階段，M-θ曲線呈線性增長(zhǎng)，各梁柱節(jié)點(diǎn)試件達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)的My值變化幅度較小約為7%，但K0值隨著軸壓比的增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其變化幅度約為32.41%，表明軸向荷載的增大有利于提高梁柱節(jié)點(diǎn)加載初期抗彎剛度。隨著層間位移角的增大，M-θ曲線呈現(xiàn)出非線性特征，即彎矩的增長(zhǎng)速度較轉(zhuǎn)角增長(zhǎng)緩慢。隨著軸壓比的增大，梁柱節(jié)點(diǎn)峰值承載力及相應(yīng)的峰值轉(zhuǎn)角均呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢(shì)，但其變化幅度較小約為5.1%，當(dāng)軸壓比為0.4 時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)峰值承載力最大。

當(dāng)各梁柱節(jié)點(diǎn)達(dá)到峰值承載力后就開(kāi)始進(jìn)入破壞階段，M-θ曲線因軸壓比的不同呈現(xiàn)出不同的剛度退化趨勢(shì)。軸壓比越?。ù螅琈-θ曲線下降段的斜率越陡，延性性能越差，其變化幅度約為49.6%，原因是軸壓比較小時(shí)，軸向荷載對(duì)抑制柱端和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切變形作用較小，當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)達(dá)到峰值荷載后，翼緣連接板和抗剪耗能桿很快發(fā)生屈服破壞，使得梁柱節(jié)點(diǎn)并未充分利用柱端和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切變形功能；軸壓比較大時(shí)，軸向荷載對(duì)柱端和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切變形有較大的抑制作用，使得梁柱節(jié)點(diǎn)整體受力和變形均轉(zhuǎn)移至人工塑性鉸的連接處，外部荷載均由翼緣連接板和抗剪耗能桿承擔(dān)，梁柱節(jié)點(diǎn)整體的受力性能逐漸退化。由此表明，當(dāng)軸壓比過(guò)?。ù螅?duì)梁柱節(jié)點(diǎn)峰值承載力影響較小，但增大了梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生脆性破壞的可能性，建議節(jié)點(diǎn)軸壓比范圍在0.2～0.6 之間。當(dāng)軸壓比為0.4 時(shí)，人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的承載能力和延性變形最為理想。

3.2.2 翼緣連接板厚度

由圖9（b）可知，翼緣連接板厚度對(duì)各梁柱節(jié)點(diǎn)M-θ曲線的影響顯著。在加載初期，當(dāng)θ小于0.1 rad 時(shí)，M-θ曲線基本重合，但隨著θ的增大，各梁柱節(jié)點(diǎn)的屈服點(diǎn)發(fā)生較大變化，導(dǎo)致My值增大約為56.64%，K0值降低22.48%。當(dāng)翼緣連接板厚度為8 mm 時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)的M-θ曲線在發(fā)生屈服后很快達(dá)到峰值，無(wú)明顯的彈塑性變形，且在梁柱節(jié)點(diǎn)達(dá)到峰值荷載后立刻出現(xiàn)承載力驟降現(xiàn)象（θ=0.013～0.014），承載力降幅約為10.36%，具有一定的脆性特征，但在θ大于0.014 后，M-θ曲線逐漸趨于平穩(wěn)。原因是翼緣連接板厚度較小時(shí)，翼緣連接板的抗彎能力較低，當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)受到外部荷載作用后，翼緣連接板很快發(fā)生彎曲變形而破壞，但由于抗剪耗能桿的存在承擔(dān)了一定的彎矩作用，保證了人工塑性鉸良好的變形性能。當(dāng)翼緣連接板厚度從10 mm增大至12 mm 時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)峰值承載力及相應(yīng)的峰值轉(zhuǎn)角均呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，變化幅度分別為18.83%、36.96%。同時(shí)，梁柱節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)由3.16 增大至4.05，梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力得到提高且在最終破壞階段并未發(fā)生顯著的性能退化。原因是翼緣連接板厚度的增大，可有效提高其截面的抗彎剛度，改善梁柱節(jié)點(diǎn)的抗彎性能。由此表明，翼緣連接板厚度對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)承載力和延性均有較大影響，建議取值范圍為10～12 mm。

3.2.3 抗剪耗能桿直徑

由圖9（c）可知，抗剪耗能桿直徑對(duì)各試件M-θ曲線整體的影響較小。在彈性和彈塑性階段，梁柱節(jié)點(diǎn)K0值隨著抗剪耗能桿直徑的增大呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，其變化幅度為11.82%。各梁柱節(jié)點(diǎn)屈服彎矩和峰值彎矩的變化幅度分別為6.2%、0.58%，表明抗剪耗能桿直徑對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)承載力的影響較小，可忽略不計(jì)。但隨抗剪耗能桿直徑的增大，各梁柱節(jié)點(diǎn)達(dá)到峰值荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角逐漸減小，表明抗剪耗能桿直徑的增大，提高了其截面的抗剪剛度，降低了人工塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)變形，但也加重了翼緣連接板和梁端弧形板的應(yīng)力集中。當(dāng)進(jìn)入破壞階段后，梁柱節(jié)點(diǎn)M-θ曲線均呈現(xiàn)出穩(wěn)定的降低趨勢(shì)。但隨著抗剪耗能桿直徑的增大，M-θ曲線的下降段斜率逐漸變陡，梁柱節(jié)點(diǎn)的延性變形呈降低趨勢(shì)且降低幅度約為40%，表明抗剪耗能桿對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)延性變形影響較大。綜合考慮梁柱節(jié)點(diǎn)承載能力、延性及應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議抗剪耗能桿直徑取值范圍為10～14 mm。

根據(jù)人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合對(duì)人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)受力性能分析，計(jì)算得到了人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)在不同軸壓比、翼緣連接板厚度、抗剪耗能桿影響下的K0值均小于0.25EIb/Lb=7.06×106((kN·m)/rad)，Mu值基本均大于Mb=263 kN·m，符合鉸接的定義標(biāo)準(zhǔn)且具有完全強(qiáng)度連接特征。此外，計(jì)算得到各試件的極限轉(zhuǎn)角在0.039～0.088 rad 之間，滿足FEMA-350 的延性設(shè)計(jì)要求（不小于0.03 rad）[22]。綜上表明，提出的新型人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)滿足剛度設(shè)計(jì)方法的要求，其設(shè)計(jì)方法的可行性得到了有效驗(yàn)證。

4 結(jié)論

提出一種新型人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單調(diào)荷載作用下的有限元分析，研究了不同參數(shù)（軸壓比、翼緣連接板厚度、抗剪耗能桿直徑）對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)破壞模式、受力機(jī)理及M-θ曲線的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

1）人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的最終破壞模式為梁端受彎破壞，破壞位置主要集中在人工塑性鉸的連接部位，翼緣連接板、抗剪耗能桿及人工塑性鉸是影響梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)力分配與傳遞的關(guān)鍵部件。

2）隨著軸壓比的增大，梁柱節(jié)點(diǎn)承載力和延性系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)軸壓比為0.4 時(shí)，人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的承載能力和延性變形最為理想，建議取值范圍為0.2～0.6。翼緣連接板厚度對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)承載力和延性均有較大影響，建議取值范圍為10～12 mm?？辜艉哪軛U直徑對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)承載力的影響較小，可忽略不計(jì)，但對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)延性變形影響較大，建議取值在10～14 mm 之間，以上建議值主要適用于提出的半剛性人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和抗震性能分析。

3）人工塑性鉸梁柱節(jié)點(diǎn)屬于鉸接連接和完全強(qiáng)度連接，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)中延性系數(shù)限值（≥0.03 rad）的要求。