摩擦软钢节点阻尼器抗震及抗倒塌性能

2021-04-29王德斌莫德秀

科学技术与工程 2021年9期

王凯，王德斌*，莫德秀，张皓

(1.大连交通大学土木工程学院，大连 116028； 2. 大连理工大学建设工程学部，大连 116024；3.沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳 110168)

传统栓焊钢质梁柱节点抗震性能相对较弱，极易发生不同程度的脆断，进而造成结构破坏甚至倒塌，尽管该类型的梁柱节点破坏是可修复的，但因其造价高昂仍然会造成重大的经济财产损失。美国焊接协会、联合国科学咨询委员会、美国联邦应急管理署和钢结构协会等[1-2]联合研发设计出了多种新型耗能节点，并通过了大量试验和数值仿真计算，其力学性能特点为：在地震作用下可以迫使塑性铰发生区域远离梁柱连接焊缝所处的节点核心区，这些节点可归为2种类型：加强型节点和削弱型节点。

各国学者针对本国结构特点及其对应节点的具体形式开展了大量研究工作[3-5]，越来越多的新型耗能梁柱节点在实际工程中得到广泛应用并取得了较好的社会经济效益。Banisheikholeslami等[6]提出了一种新型耗能钢梁柱节点，其耗能装置结合了剪切条件下黏弹性材料进行摩擦耗能和弯曲变形条件下钢棒进行弯曲耗能的双重耗能特点，该节点能够确保结构梁柱节点免于破坏或低损伤，同时具备附加剪切和弯曲耗能装置易于更换、耗能能力强等优点。Feng等[7]设计了一种以梁上翼缘为转动中心，下翼缘外侧设置自复位耗能阻尼器，该节点形式能够有效避免节点发生破坏，全部外荷载均由自复位耗能装置承担，节点表现出良好的旗帜型滞回特性，极大降低了震后节点的残余变形。王萌等[8]采用高性能低屈服点钢材代替传统钢材制作梁柱节点连接件，通过高强螺栓与主体结构连接，实现结构延性耗能及震后可更换功能。范家俊等[9]通过在梁端设置耗能钢棒提出了一种用于装配式框架结构的新型梁柱节点形式，该节点承载能力和耗能能力主要体现在耗能钢棒的设计上，能够有效避免节点发生破坏，确保地震作用下的耗能和损伤集中于耗能钢棒之上。刘晨等[10]提出一种新型梁端削弱型钢梁柱节点，通过数值分析结果表明，削弱后的耗能钢板先于节点发生屈服，并且适当的削弱耗能板深度能够增加节点延性，提高节点的抗震能力，实现塑性铰外移的抗震需求，进而对梁柱节点起到保护作用。

现结合摩擦阻尼器与软钢阻尼器的耗能特点，提出一种简单易于加工的新型摩擦软钢耗能梁柱节点阻尼器，将其布设于梁柱节点之间，基于多尺度分析方法实现对该节点及其平面钢框架结构抗震性能的研究，并对其抗倒塌性能做进一步的研究。

1 节点设计

共设计6种钢梁柱节点工况，其中一种为传统栓焊钢梁柱节点，编号为BCJ-1；其余5种工况均设有节点阻尼器，其中3种节点阻尼器软钢环向开孔厚度分别为5、10、15 mm，此3种工况的螺栓预紧力均为80 kN,编号分别为BCJ-2、BCJ-3、BCJ-4；2种是在阻尼器摩擦副板处施加不同螺栓预紧力分别为100 kN和150 kN，此2种工况的软钢环向开孔厚度均为5 mm，编号分别为BCJ-5、BCJ-6。试件BCJ-1～BCJ-6均采用相同材料制作，构件尺寸完全一致，其中钢柱为方钢管柱300 mm×300 mm×16 mm，钢梁为H型钢350 mm×175 mm×7 mm×11 mm，梁长3.0×103mm，钢梁与钢柱交界位置设有加劲板，其中试件BCJ-1详细尺寸如图1所示，除螺栓外所有材料均为Q235级钢，螺栓为10.9级摩擦型高强螺栓M20，具体参数如表1所示。

表1 材料参数

图1 无阻尼器节点示意图Fig.1 The schematic diagram of no damper nodes

摩擦软钢阻尼器工作机理：通过设置于内部的摩擦钢板及设在外侧的中屈服点开孔曲板进行耗能，其中摩擦耗能部分通过与柱侧端板固结的摩擦主板和固结于梁侧端板的摩擦副板通过摩擦进行耗能，摩擦主板设有滑道，通过螺栓施加预紧力；中

屈服点软钢耗能则通过固结于梁侧端板的两片外扇形钢板与摩擦副板之间的曲面中屈服点开孔钢板发生变形进而达到屈服耗能的效果。摩擦主板外半径为360 mm，内半径为210 mm，板厚为15 mm，摩擦副板内外径和主板保持一致，厚度取为12 mm，摩擦副板设有5个螺栓孔，可通过其施加预紧力；曲面中屈服点钢板厚度为6 mm，节点阻尼器的构造示意图如图2所示。

图2 阻尼器构造示意图Fig.2 Schematic diagram of damper structure

2 有限元模型

基于ABAQUS软件采用精细单元与粗糙单元之间界面耦合、变形协调的多尺度建模方法进行节点建模[11]。为使节点精细化区域梁截面与梁单元重合区域变形协调，精细单元部分与梁单元节点重合位置通过运动耦合连接实现共截面及变形协调，在耦合过程中与节点区域精细化建模截面重合的梁单元端点设为参考点，约束区域视为刚性。

节点核心区单元类型采用八节点三维实体减缩积分单元C3D8R，非节点核心区梁柱单元采用B31梁单元。其中钢柱长为2.0×103mm,钢梁多尺度区域长为2.25×103mm,节点核心区长为750 mm。节点核心区精细化部分材料选用ABAQUS材料库中的理想弹塑性模型，梁单元部分材料本构模型结合有限元软件ABAQUS的隐式算法，利用Shi等[12]提供的基于纤维模型的钢筋材料iSteel01子程序进行模拟，其材料参数及本构关系(ε-σ)分别如表2及图3所示。

表2 Isteel01材料参数

图3 钢材本构关系Fig.3 The constitutive relationship of steel

3 节点抗震性能

3.1 滞回曲线

基于前述建立的两种钢框架节点有限元模型，钢柱两端铰接，钢梁自由端施加往复荷载，采用位移控制的加载模式进行加载，加载制度如图4所示，计算得到各种工况下的节点荷载-位移曲线如图5所示。同时取力加载的第一个循环弹性数据进行线性拟合，取其斜率为节点的初始刚度，具体如表3所示。

图4 位移-时间曲线Fig.4 The curve of displacement and time

图5 滞回曲线对比情况Fig.5 The comparison of hysteresis curves

表3 有无阻尼器节点对比

从图5可以看出，设有阻尼器的节点明显比无阻尼器节点的滞回曲线更加饱满，设有阻尼器节点的极限承载力明显提高，其中BCJ-2、BCJ-3、BCJ-4的承载力相较于BCJ-1分别增加了47.01%、51.0%、54.43%。同时，由表3可以得出三种设有阻尼器的节点初始刚度分别比无阻尼器节点提高了23.67%、52.50%和57.06%。由于在研究分析BCJ-5、BCJ-6时发现施加完两种预紧力后，两者的滞回曲线与BCJ-2基本一致，通过提取两者的滞回曲线发现两种阻尼器节点的极限承载力分别为63.945 kN和63.958 kN，两者仅相差0.02%；节点初始刚度均为0.815，故可以认为预紧力的大小对该阻尼器影响不大。

3.2 耗能能力

耗能能力是指弹塑性变形过程中消耗能量的能力。利用累计滞回耗能E(各封闭滞回环面积之和)和等效黏滞阻尼系数ξeq描述，即

(1)

式(1)中:ED为每周滞回环包含的能量;A为最大位移处割线刚度包含的面积。取不同工况下节点累计滞回耗能E和最大位移幅值对应的等效黏滞阻尼系数ξeq进行对比，具体如表4所示。

由表4数据可知，设有阻尼器的节点累计耗能E和等效黏滞阻尼系数均高于无阻尼器节点，其中BCJ-2、BCJ-3、BCJ-4的累计滞回耗能分别比BCJ-1增加了32.84%、37.07%、41.31%。等效黏滞系数分别提高了25.81%、32.26%、35.48%。可以看出，三种节点阻尼器均能显著改善节点的耗能能力，其中环向开孔厚度为5 mm相较于其他两种开孔厚度略差，最优开孔厚度为15 mm。同时，10 mm和15 mm开孔厚度的节点累计耗能和等效黏滞阻尼系数均相差不到3%，说明阻尼器的软钢环向开孔厚度不是越大耗能效果就越显著，该厚度增加过大可能导致软钢区域屈服滞后，或无法屈服而导致其屈服耗能效果无法达到。

表4 各工况下的耗能性能

为更准确地分析阻尼器的受力变形情况，分析了当梁端位移加载至100 mm时的试件BCJ-2～BCJ-4阻尼器应力分布情况，如图6所示。可以看出，当阻尼器位移达到100 mm时，阻尼器均达到了屈服强度值并发生明显屈服，BCJ-3屈服分布范围最广，其应力最大值达到345 MPa。

图6 阻尼器应力云图Fig.6 Stress cloud diagram of the damper

4 耗能钢框架地震响应分析

在研究节点阻尼器抗震性能的基础上，进一步研究了简单平面钢框架结构的地震响应。同样，采用多尺度建模方法，建立两跨五层钢框架，共设3种工况，其中工况一为无控结构，编号为GKJ-1，工况二和工况三分别为设有环向开孔厚度为5 mm和10 mm的摩擦软钢节点阻尼器的有控结构，其编号分别为GKJ-2和GKJ-3。结构各构件截面尺寸均与前述节点相同，跨度为6×103mm,层高为3.9×103mm，具体如图7所示。楼面恒载为6.0 kN/m2，活载为3.0 kN/m2。抗震设防类别为丙类，所在地区抗震设防烈度为8度(0.2g)，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，场地特征周期为0.40 s。

图7 钢框架结构Fig.7 The frame structure of steel

3种工况均采用结构底部输入水平方向埃而森特罗波(El-Centro)地震波，设置两种加速度峰值进行地震动输入，分别为0.2g和0.4g，地震动时程曲线如图8所示。通过时程分析给出三种结构在地震荷载作用下的顶点位移、层间位移角和基底剪力时程曲线，分别如图9和图10所示。

图8 EI-Centro加速度时程曲线Fig.8 The EI-Centro time course curve of acceleration

图9 钢框架顶点位移Fig.9 The vertex displacement of steel frames

图10 有无阻尼器框架层间位移角对比Fig.10 The interlayer displacement angle comparison with or without damper frame

从图9和图10可以看出，设有节点阻尼器的框架结构顶点位移和层间位移角均低于无控框架，当加速度峰值为0.2g时，GKJ-2和GKJ-3比GKJ-1的顶点位移分别降低14.32%、17.56%，层间位移角最大值分别降低13.83%、16.90%；当加速度峰值为0.4g时，GKJ-2和GKJ-3比GKJ-1的顶点位移分别减少18.01%、25.19%，层间位移角最大值分别减小17.93%、20.19%。可见，罕遇地震作用下的节点阻尼器的减震效果更佳，此时节点阻尼器的屈服更佳充分。同时，通过分析数据可知无论地震加速度为0.2g还是0.4g，该新型摩擦软钢节点阻尼器对钢框架结构的减震效果均比较显著，其中GKJ-3减震效果优于GKJ-2。各工况下的基底剪力如图11所示。

由图11可知，无论地震加速度是在0.2g时还是0.4g时，有控框架的基底剪力均小于无控结构，当地震加速度为0.2g时，GKJ-2、GKJ-3的基底剪力比GKJ-1分别减小17.09%、20.03%；当地震加速度为0.4g时，GKJ-2、GKJ-3的基底剪力比GKJ-1分别减小18.49%、21.51%。因此，在框架结构中设置节点阻尼器可以有效提高结构的抗震性能。

图11 基底剪力时程曲线Fig.11 Base shear time history curve

5 耗能钢框架抗连续倒塌分析

5.1 静力Pushdown分析

基于前述三种钢框架，利用拆除构件法对结构进行静力Pushdown分析[13]和非线性动力时程分析[14]。该框架结构尺寸及工况设置同前，选择首层中柱进行拆除，如图12所示，并采用集中力加载法进行静力Pushdown倒塌过程分析。荷载组合公式为

N、V、M分别为中柱顶端受到的轴力、剪力和弯矩

P=1.2D+0.5L

(2)

式(2)中：D为恒荷载；L为活荷载。依据上述方法进行Pushdown分析得出结构荷载系数-位移曲线，如图13所示。

图13 不同框架结构Pushdown分析结果Fig.13 Pushdown analysis results of different frame structures

从非线性静力Pushdown分析的位移-荷载系数关系可以看出，失效点发生相同变形条件下，有控结构在钢框架施加的荷载要大于无控结构所需施加的荷载。同时，也可以看出有控结构的结构极限承载力与刚度均高于无控结构。可知在框架中设置该节点阻尼器可以改善结构的抗连续倒塌性能，其中GKJ-3比GKJ-2的抗倒塌性能更强。

5.2 非线性动力分析

在进行静力Pushdown分析的基础上，进行非线性动力倒塌过程分析，地震动仍然选用EI-Centro地震波，加速度峰值同样取为0.2g和0.4g，得出拆除构件点竖向位移-时间曲线，如图14所示。

图14 不同框架结构非线性动力分析结果Fig.14 Nonlinear dynamic analysis results of different frame structures

由非线性动力分析结果可知，当施加地震波为0.2g时，移除首层中柱后，GKJ-1的失效点位移在0.1 s时达到最大值341.9 mm，衰减震动平衡位移为305.7 mm，最大振幅为36.2 mm；而GKJ-2和GKJ-3的失效点位移分别在0.16 s和0.18s时达到最大值，分别为154.9 mm和142.6 mm，其衰减震动平衡位移分别为124.8 mm和113.1 mm，最大振幅分别为30.1 mm和29.5 mm。可知GKJ-2和GKJ-3比GKJ-1的失效点竖向最大位移分别减小54.70%、58.29%。GKJ-2和GKJ-3比GKJ-1失效点的竖向平衡位移分别减少59.18%、63.00%。

当地震动加速度峰值为0.4g时，移除首层中柱后，GKJ-1的失效点位移在0.1 s时达到最大值341.9 mm，衰减震动平衡位移为327.6 mm，最大振幅为14.3 mm；而GKJ-2和GKJ-3的失效点位移均在0.18 s时分别达到了最大值152.9 mm和137.6 mm，衰减震动平衡位移分别为133.7 mm和121.5 mm，最大振幅分别为19.2 mm和16.1 mm。可知，GKJ-2和GKJ-3比GKJ-1的失效点竖向最大位移分别减小55.28%、59.75%。GKJ-2和GKJ-3比GKJ-1失效点的竖向平衡位移分别减少59.19%、62.91%。

可以看出，在同一条地震波作用下，有控结构比无控结构的失效点最大竖向位移、最终平衡位置位移均有显著降低，失效点衰减震动幅度相应减小。这是因为当中柱突然失效后，受损跨承受的竖向荷载逐渐增大，竖向位移也随之增加，从而导致了结构的整体失稳甚至倒塌，而在框架中设置节点阻尼器可减缓外部荷载的突然作用，改变结构构件的传力路径，将节点区域受力向梁中传递，降低节点破坏水平，进而降低结构倒塌概率。同时，由上述分析可知，GKJ-3比GKJ-2抗连续倒塌能力更强。