新型框架边节点力学性能研究

裴强，程智，郭航

(大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622)

0 引言

梁柱节点是结构体系的关键性部位之一，起着传递荷载的重要作用，其力学性能是决定结构整体性的重要影响因素。而由于边节点自身位置的特殊性，使得梁柱边节点的锚固、施工以及受力性能较为复杂，也就使得梁柱边节点成为了梁柱节点中更为薄弱的部位。边节点在常规荷载下亦是如此，当遭遇偶然荷载的来临时，就会显得更加薄弱。

近年来，国内外的许多学者对梁柱节点做出了大量的研究，也得到了比传统节点更好的处理方式。门进杰等[1]以RCS结构中的梁柱节点为研究对象，得到该节点为半刚性节点，提出了其半刚性连接的弯矩-转角四折线模型，并得到了较好的验证。李春雨等[2]研究了带有耗能连接的装配式混凝土框架(precast concrete frame with replaceable energy dissipation connector, REDC-PCF)的抗震性能，得到REDC为该框架节点提供了充分的受力性能。杨洪渭等[3]对新型和现浇装配式节点进行了拟静力试验研究和数值模拟，总结出新型节点比现浇具有更好的受力性能。ZHANG等[4]对UHPC/RC节点进行了低周往复荷载试验，得到超高性能混凝土(ultar-high performance concrete, UHPC)在节点区域应用是可行的，而且大大简化了施工工艺。近年，节点中新型材料的加入也成为了学者们研究的重点，特别是形状记忆合金(shape memory alloy, SMA)的性能得到了广大学者的关注。

SMA是一种不同与普通钢材性能的材料，因自身具有独特的记忆效应和超弹性，使得该新型材料在结构抗震方面的研究和应用得到了广泛的关注和重视。近些年来，许多国内外学者将SMA应用于建筑结构中进行研究。崔迪等[5]将SMA加入混凝土梁中进行了力学性能研究，发现SMA混凝土梁具有较好的自复位能力。OCEL等[6]首次将马氏体镍钛合金棒材作为节点连接件材料加入新型节点中进行设计，并对其进行了静力和动力试验研究。阎石等[7]用铁基形状记忆合金棒替代节点中梁的纵筋进行了拟静力试验研究，分析了节点的延性、耗能以及自复位性能。李灿军等[8]采用超弹性特形状记忆合金杆设计了摩擦耗能型SMA杆自复位梁柱节点(NAO-SMA-SC)，并进行了试验和数值模拟研究。MORADI等[9]将SMA材料作为耗能元素运用到钢节点中，并对该节点进行了耗能试验研究。裴金召[10]设计了一种含有SMA/ECC材料的新型自复位框架节点，并进行了试验研究，着重分析了节点的自复位性能。

在总结学者们所设计节点力学性能的时候，发现部分节点的的构造或材料较复杂，对于施工来说相对较难；且大部分梁柱节点都是针对装配式节点进行构造和性能提升。目前，针对钢筋混凝土梁柱节点抗连续倒塌性能研究还较少，因此，在提升节点力学性能和易于施工的基础上，基于新型材料SMA提出了一种新型框架边节点，对其力学性能进行了数值模拟研究。给出了新型框架边节点的构造形式，建立了新型框架边节点的有限元分析模型，对新型框架边节点进行了参数分析，考虑了SMA筋有无以及SMA筋的配筋率对新型框架节点力学性能的影响。

1 新型框架边节点

1.1 节点选取

本文所研究新型节点的原型取自核电厂常规岛主厂房，它由汽机房、除氧间以及辅助跨构成，其中汽机房是排架结构，除氧间是框架结构，两者之间为铰接。

由于框架梁柱边节点自身位置的特殊性，使得梁柱边节点的锚固、施工以及受力性能较为复杂，也就使得梁柱边节点成为了梁柱节点中更为薄弱的部位。许多学者[11-13]基于拆除构件法研究框架结构的抗连续倒塌性能时，得到在边柱遭到破坏的情况下，更容易引起结构的倒塌事故。因常规岛主厂房复杂的结构形式，为保证其抗连续倒塌能力，经过总结和分析，决定选取常规岛主厂房的边节点作为研究对象。主厂房典型剖面图如图1所示。

图1 主厂房典型剖面图

1.2 新型框架边节点构造形式

针对普通框架边节点力学性能薄弱的问题，提出了新型框架边节点，其构造示意图如图2所示。新型框架边节点是由钢板(固定作用)、SMA筋、普通钢筋及混凝土构成。新型框架边节点在遭遇偶然荷载的来临时，利用SMA自身的超弹性和形状记忆效应给节点提供恢复性能，且该节点在发挥SMA超弹特性的同时，还具有耗能少、构造简单以及易于施工等特点。

图2 新型框架边节点构造示意图

2 SMA本构

SMA筋的本构采用有限元软件中的理想化应力-应变本构，即旗形本构模型[14]，如图3所示。其中：横坐标轴为应变ε；纵坐标轴为应力σ。

图3 超弹性SMA简化关系曲线

3 自复位框架边节点模型分析

3.1 材料尺寸

本文一共设计了4个自复位框架边节点算例，研究有无SMA筋对节点力学性能的影响以及SMA筋直径大小对节点力学性能的影响。柱的几何尺寸为1 900 mm×220 mm×400 mm(长×宽×高)，柱的受力纵筋为4根直径为22 mm的HRB400钢筋，梁的几何尺寸为760 mm×140 mm×280 mm(长×宽×高)，梁的受力纵筋为4根直径为10 mm的HRB400钢筋，箍筋均采用HPB300钢筋，保护层厚度均为20 mm，梁的梁端分别放置一块钢板，起固定SMA筋的作用，具体模拟模型如图2所示。自复位框架边节点模型配筋情况见表1。

表1 模型参数

3.2 单元选择和材料本构

① 混凝土模拟选择solid65单元，solid65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元。混凝土本构模型采用多线性随动强化模型，即MKIN模型[15]，材料参数见表2，混凝土本构如图4所示。

图4 混凝土应力-应变曲线

表2 混凝土材料参数

混凝土单轴应力-应变关系上升段采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[16](第6.2节)规定的公式，下降段采用Hongnestad的处理方法，即

(1)

当ε0<εc≤εcu时，

σc=fc,

(2)

(3)

ε0=0.002+0.5(fcu,k-50)×10-5,

(4)

εcu=0.003 3-(fcu,k-50)×10-5,

(5)

式中，σc为混凝土压应变为εc时的压应力；fc为混凝土的轴心抗压强度设计值；ε0为混凝土压应力达到fc时的压应变；εcu为正截面混凝土的极限压应变；fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值。最终按照规范规定和计算取到n=2，ε0=0.002，εcu=0.003 3。

② 普通钢筋模拟选用link180单元，钢筋本构模型选择采用双线性随动强化模型，即BKIN模型[15]，如图5所示，钢筋的屈服强度fy=360 MPa，弹性模量Es=2×105MPa，泊松比νs为0.3。

图5 钢筋应力-应变曲线

3.3 加载制度

在自复位框架边节点的数值模拟中，采用位移控制的低周往复荷载加载方式，加载部位为梁端部，屈服位移为5.67 mm，即5.67 mm的1倍、2倍、3倍、4倍……进行加载，直至程序停止运行为止，加载级别每级循环进行2次，加载制度如图6所示。试件受力简图如图7所示。

图6 加载制度

图7 试件受力简图

3.4 有限元模型

在本文研究的自复位框架边节点数值模拟中，由于构件的形状简单且规则，采用自定义网格划分，利用ANSYS网格划分技术选择自定义设置网格的大小来控制疏密分布及分网算法，有尺寸设置和份数设置两种网格设置方法，本文采用的是份数设置。而网格数量的多少会直接影响计算结果的精度和计算规模，本次模拟结合结果精度和计算规模的因素共划分了20 514个六面体单元进行计算，如图8所示。

图8 有限元网格划分

4 数值模拟结果与分析

基于上述建模所需参数及本构，对新型框架边节点多变量的参数模拟，得到了滞回曲线、骨架曲线、刚度退化以及耗能能力的比较分析。

4.1 荷载-位移曲线(滞回曲线)

SJ01～SJ02力-位移滞回曲线如图9所示。从图9可见，只含有普通钢筋的SJ01节点的滞回曲线呈现平行四边形，且每个阶段循环卸载后其残余变形都较大。SJ02节点的滞回曲线在每个循环阶段卸载后其残余变形有一定的消除，但因为配有普通钢筋，其SMA的“双旗”形并未完全显示，但有一定的恢复性能。

图9 SJ01～SJ02力-位移滞回曲线

SJ02～SJ04力-位移滞回曲线如图10所示。从图10可见，SJ02～SJ04节点因SMA配筋率的不同，其残余变形有所不同，SMA配筋率的越大，其残余变形较小，具有更好的自复位性能。

图10 SJ02～SJ04力-位移滞回曲线

4.2 骨架曲线

将各节点加卸载的滞回曲线过程中正反向力峰值相连便可得到各节点的骨架曲线，如图11和图12所示，从中看出：在同等条件下，普通节点的最大承载力为115.14 kN，加入了SMA材料的极限承载力为130.58 kN，即SMA材料节点的承载力比普通钢筋节点的承载力要提高13.4 %。且同等条件下的节点极限承载力随着SMA配筋率的增大而增大。

图11 SJ01～SJ02骨架曲线

图12 SJ02～SJ04骨架曲线

图13 等效粘滞阻尼系数计算

4.3 耗能分析

耗能能力是研究抗震的重要指标之一，《建筑抗震实验方法规程》(JGJT101—2015)[17]等效黏滞阻尼系数ξeq、能量耗散系数E的定义分别如下列公式所示：

(6)

(7)

式中，S(ABC+CDA)为滞回曲线所包围的面积;S(OBE+ODF)为三角形OBE与ODF的面积之和。

图14和图15给出了各节点的能量耗散随着加载级别的变化关系曲线。从中得到：新型框架边节点的耗能能力与SMA材料的加入以及SMA筋的配筋率有关，SMA材料的加入增大了节点的耗能；且随着SMA筋配筋率的增大，节点的耗能能力也越好，表明新型节点的的耗能比普通节点的耗能有了一定的提升。

图14 SJ01～SJ02能量耗散

图15 SJ02～SJ04能量耗散

4.4 刚度退化

节点在往复荷载作用下，伴随位移的增加，使得结构滞回环的刚度逐渐降低，这种现象被称为刚度退化。从图16和图17中的刚度退化曲线中可以看出刚度的变化，结果表明：节点的刚度会随着往复荷载的作用呈现减小的趋势，且刚度变化由最开始的快速下降到逐渐平稳。含有SMA材料节点的的刚度退化比普通节点要减缓一点；任意阶段，随着SMA材料配筋率的增加，其初始刚度也在增大。

图16 SJ01～SJ02刚度退化曲线

图17 SJ02～SJ04刚度退化曲线

5 结论

借助于有限元软件ANSYS平台，建立了新型框架边节点数值分析模型，对新型框架边节点进行了数据分析，并与普通框架边节点的力学性能进行了对比。分析了有无SMA筋以及SMA筋配筋率对节点力学性能的影响。通过有限元软件模拟分析得到以下结论：

① SMA的加入使得新型框架边节点不仅具有一定的耗能能力，且在卸载后能够减小节点的变形，从而实现该节点的复位能力。

② SMA筋的配筋率越大，新型框架边节点的承载力和刚度越大，且耗能能力也越好。

③ 因新型框架边节点中含有普通钢筋和SMA筋，使得SMA的材料性能并未完全的显现，但是也呈现出了一定的恢复性能。