裴強(qiáng)，程智，郭航

(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622)

0 引言

梁柱節(jié)點是結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵性部位之一，起著傳遞荷載的重要作用，其力學(xué)性能是決定結(jié)構(gòu)整體性的重要影響因素。而由于邊節(jié)點自身位置的特殊性，使得梁柱邊節(jié)點的錨固、施工以及受力性能較為復(fù)雜，也就使得梁柱邊節(jié)點成為了梁柱節(jié)點中更為薄弱的部位。邊節(jié)點在常規(guī)荷載下亦是如此，當(dāng)遭遇偶然荷載的來臨時，就會顯得更加薄弱。

近年來，國內(nèi)外的許多學(xué)者對梁柱節(jié)點做出了大量的研究，也得到了比傳統(tǒng)節(jié)點更好的處理方式。門進(jìn)杰等[1]以RCS結(jié)構(gòu)中的梁柱節(jié)點為研究對象，得到該節(jié)點為半剛性節(jié)點，提出了其半剛性連接的彎矩-轉(zhuǎn)角四折線模型，并得到了較好的驗證。李春雨等[2]研究了帶有耗能連接的裝配式混凝土框架(precast concrete frame with replaceable energy dissipation connector, REDC-PCF)的抗震性能，得到REDC為該框架節(jié)點提供了充分的受力性能。楊洪渭等[3]對新型和現(xiàn)澆裝配式節(jié)點進(jìn)行了擬靜力試驗研究和數(shù)值模擬，總結(jié)出新型節(jié)點比現(xiàn)澆具有更好的受力性能。ZHANG等[4]對UHPC/RC節(jié)點進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗，得到超高性能混凝土(ultar-high performance concrete, UHPC)在節(jié)點區(qū)域應(yīng)用是可行的，而且大大簡化了施工工藝。近年，節(jié)點中新型材料的加入也成為了學(xué)者們研究的重點，特別是形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)的性能得到了廣大學(xué)者的關(guān)注。

SMA是一種不同與普通鋼材性能的材料，因自身具有獨特的記憶效應(yīng)和超彈性，使得該新型材料在結(jié)構(gòu)抗震方面的研究和應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注和重視。近些年來，許多國內(nèi)外學(xué)者將SMA應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中進(jìn)行研究。崔迪等[5]將SMA加入混凝土梁中進(jìn)行了力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)SMA混凝土梁具有較好的自復(fù)位能力。OCEL等[6]首次將馬氏體鎳鈦合金棒材作為節(jié)點連接件材料加入新型節(jié)點中進(jìn)行設(shè)計，并對其進(jìn)行了靜力和動力試驗研究。閻石等[7]用鐵基形狀記憶合金棒替代節(jié)點中梁的縱筋進(jìn)行了擬靜力試驗研究，分析了節(jié)點的延性、耗能以及自復(fù)位性能。李燦軍等[8]采用超彈性特形狀記憶合金桿設(shè)計了摩擦耗能型SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(NAO-SMA-SC)，并進(jìn)行了試驗和數(shù)值模擬研究。MORADI等[9]將SMA材料作為耗能元素運用到鋼節(jié)點中，并對該節(jié)點進(jìn)行了耗能試驗研究。裴金召[10]設(shè)計了一種含有SMA/ECC材料的新型自復(fù)位框架節(jié)點，并進(jìn)行了試驗研究，著重分析了節(jié)點的自復(fù)位性能。

在總結(jié)學(xué)者們所設(shè)計節(jié)點力學(xué)性能的時候，發(fā)現(xiàn)部分節(jié)點的的構(gòu)造或材料較復(fù)雜，對于施工來說相對較難；且大部分梁柱節(jié)點都是針對裝配式節(jié)點進(jìn)行構(gòu)造和性能提升。目前，針對鋼筋混凝土梁柱節(jié)點抗連續(xù)倒塌性能研究還較少，因此，在提升節(jié)點力學(xué)性能和易于施工的基礎(chǔ)上，基于新型材料SMA提出了一種新型框架邊節(jié)點，對其力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。給出了新型框架邊節(jié)點的構(gòu)造形式，建立了新型框架邊節(jié)點的有限元分析模型，對新型框架邊節(jié)點進(jìn)行了參數(shù)分析，考慮了SMA筋有無以及SMA筋的配筋率對新型框架節(jié)點力學(xué)性能的影響。

1 新型框架邊節(jié)點

1.1 節(jié)點選取

本文所研究新型節(jié)點的原型取自核電廠常規(guī)島主廠房，它由汽機(jī)房、除氧間以及輔助跨構(gòu)成，其中汽機(jī)房是排架結(jié)構(gòu)，除氧間是框架結(jié)構(gòu)，兩者之間為鉸接。

由于框架梁柱邊節(jié)點自身位置的特殊性，使得梁柱邊節(jié)點的錨固、施工以及受力性能較為復(fù)雜，也就使得梁柱邊節(jié)點成為了梁柱節(jié)點中更為薄弱的部位。許多學(xué)者[11-13]基于拆除構(gòu)件法研究框架結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能時，得到在邊柱遭到破壞的情況下，更容易引起結(jié)構(gòu)的倒塌事故。因常規(guī)島主廠房復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式，為保證其抗連續(xù)倒塌能力，經(jīng)過總結(jié)和分析，決定選取常規(guī)島主廠房的邊節(jié)點作為研究對象。主廠房典型剖面圖如圖1所示。

圖1 主廠房典型剖面圖

1.2 新型框架邊節(jié)點構(gòu)造形式

針對普通框架邊節(jié)點力學(xué)性能薄弱的問題，提出了新型框架邊節(jié)點，其構(gòu)造示意圖如圖2所示。新型框架邊節(jié)點是由鋼板(固定作用)、SMA筋、普通鋼筋及混凝土構(gòu)成。新型框架邊節(jié)點在遭遇偶然荷載的來臨時，利用SMA自身的超彈性和形狀記憶效應(yīng)給節(jié)點提供恢復(fù)性能，且該節(jié)點在發(fā)揮SMA超彈特性的同時，還具有耗能少、構(gòu)造簡單以及易于施工等特點。

圖2 新型框架邊節(jié)點構(gòu)造示意圖

2 SMA本構(gòu)

SMA筋的本構(gòu)采用有限元軟件中的理想化應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)，即旗形本構(gòu)模型[14]，如圖3所示。其中：橫坐標(biāo)軸為應(yīng)變ε；縱坐標(biāo)軸為應(yīng)力σ。

圖3 超彈性SMA簡化關(guān)系曲線

3 自復(fù)位框架邊節(jié)點模型分析

3.1 材料尺寸

本文一共設(shè)計了4個自復(fù)位框架邊節(jié)點算例，研究有無SMA筋對節(jié)點力學(xué)性能的影響以及SMA筋直徑大小對節(jié)點力學(xué)性能的影響。柱的幾何尺寸為1 900 mm×220 mm×400 mm(長×寬×高)，柱的受力縱筋為4根直徑為22 mm的HRB400鋼筋，梁的幾何尺寸為760 mm×140 mm×280 mm(長×寬×高)，梁的受力縱筋為4根直徑為10 mm的HRB400鋼筋，箍筋均采用HPB300鋼筋，保護(hù)層厚度均為20 mm，梁的梁端分別放置一塊鋼板，起固定SMA筋的作用，具體模擬模型如圖2所示。自復(fù)位框架邊節(jié)點模型配筋情況見表1。

表1 模型參數(shù)

3.2 單元選擇和材料本構(gòu)

① 混凝土模擬選擇solid65單元，solid65單元是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開發(fā)的單元。混凝土本構(gòu)模型采用多線性隨動強(qiáng)化模型，即MKIN模型[15]，材料參數(shù)見表2，混凝土本構(gòu)如圖4所示。

圖4 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 混凝土材料參數(shù)

混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上升段采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[16](第6.2節(jié))規(guī)定的公式，下降段采用Hongnestad的處理方法，即

(1)

當(dāng)ε0<εc≤εcu時，

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為混凝土壓應(yīng)變?yōu)棣與時的壓應(yīng)力；fc為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；ε0為混凝土壓應(yīng)力達(dá)到fc時的壓應(yīng)變；εcu為正截面混凝土的極限壓應(yīng)變；fcu,k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。最終按照規(guī)范規(guī)定和計算取到n=2，ε0=0.002，εcu=0.003 3。

② 普通鋼筋模擬選用link180單元，鋼筋本構(gòu)模型選擇采用雙線性隨動強(qiáng)化模型，即BKIN模型[15]，如圖5所示，鋼筋的屈服強(qiáng)度fy=360 MPa，彈性模量Es=2×105MPa，泊松比νs為0.3。

圖5 鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.3 加載制度

在自復(fù)位框架邊節(jié)點的數(shù)值模擬中，采用位移控制的低周往復(fù)荷載加載方式，加載部位為梁端部，屈服位移為5.67 mm，即5.67 mm的1倍、2倍、3倍、4倍……進(jìn)行加載，直至程序停止運行為止，加載級別每級循環(huán)進(jìn)行2次，加載制度如圖6所示。試件受力簡圖如圖7所示。

圖6 加載制度

圖7 試件受力簡圖

3.4 有限元模型

在本文研究的自復(fù)位框架邊節(jié)點數(shù)值模擬中，由于構(gòu)件的形狀簡單且規(guī)則，采用自定義網(wǎng)格劃分，利用ANSYS網(wǎng)格劃分技術(shù)選擇自定義設(shè)置網(wǎng)格的大小來控制疏密分布及分網(wǎng)算法，有尺寸設(shè)置和份數(shù)設(shè)置兩種網(wǎng)格設(shè)置方法，本文采用的是份數(shù)設(shè)置。而網(wǎng)格數(shù)量的多少會直接影響計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模，本次模擬結(jié)合結(jié)果精度和計算規(guī)模的因素共劃分了20 514個六面體單元進(jìn)行計算，如圖8所示。

圖8 有限元網(wǎng)格劃分

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

基于上述建模所需參數(shù)及本構(gòu)，對新型框架邊節(jié)點多變量的參數(shù)模擬，得到了滯回曲線、骨架曲線、剛度退化以及耗能能力的比較分析。

4.1 荷載-位移曲線(滯回曲線)

SJ01～SJ02力-位移滯回曲線如圖9所示。從圖9可見，只含有普通鋼筋的SJ01節(jié)點的滯回曲線呈現(xiàn)平行四邊形，且每個階段循環(huán)卸載后其殘余變形都較大。SJ02節(jié)點的滯回曲線在每個循環(huán)階段卸載后其殘余變形有一定的消除，但因為配有普通鋼筋，其SMA的“雙旗”形并未完全顯示，但有一定的恢復(fù)性能。

圖9 SJ01～SJ02力-位移滯回曲線

SJ02～SJ04力-位移滯回曲線如圖10所示。從圖10可見，SJ02～SJ04節(jié)點因SMA配筋率的不同，其殘余變形有所不同，SMA配筋率的越大，其殘余變形較小，具有更好的自復(fù)位性能。

圖10 SJ02～SJ04力-位移滯回曲線

4.2 骨架曲線

將各節(jié)點加卸載的滯回曲線過程中正反向力峰值相連便可得到各節(jié)點的骨架曲線，如圖11和圖12所示，從中看出：在同等條件下，普通節(jié)點的最大承載力為115.14 kN，加入了SMA材料的極限承載力為130.58 kN，即SMA材料節(jié)點的承載力比普通鋼筋節(jié)點的承載力要提高13.4 %。且同等條件下的節(jié)點極限承載力隨著SMA配筋率的增大而增大。

圖11 SJ01～SJ02骨架曲線

圖12 SJ02～SJ04骨架曲線

圖13 等效粘滯阻尼系數(shù)計算

4.3 耗能分析

耗能能力是研究抗震的重要指標(biāo)之一，《建筑抗震實驗方法規(guī)程》(JGJT101—2015)[17]等效黏滯阻尼系數(shù)ξeq、能量耗散系數(shù)E的定義分別如下列公式所示：

(6)

(7)

式中，S(ABC+CDA)為滯回曲線所包圍的面積;S(OBE+ODF)為三角形OBE與ODF的面積之和。

圖14和圖15給出了各節(jié)點的能量耗散隨著加載級別的變化關(guān)系曲線。從中得到：新型框架邊節(jié)點的耗能能力與SMA材料的加入以及SMA筋的配筋率有關(guān)，SMA材料的加入增大了節(jié)點的耗能；且隨著SMA筋配筋率的增大，節(jié)點的耗能能力也越好，表明新型節(jié)點的的耗能比普通節(jié)點的耗能有了一定的提升。

圖14 SJ01～SJ02能量耗散

圖15 SJ02～SJ04能量耗散

4.4 剛度退化

節(jié)點在往復(fù)荷載作用下，伴隨位移的增加，使得結(jié)構(gòu)滯回環(huán)的剛度逐漸降低，這種現(xiàn)象被稱為剛度退化。從圖16和圖17中的剛度退化曲線中可以看出剛度的變化，結(jié)果表明：節(jié)點的剛度會隨著往復(fù)荷載的作用呈現(xiàn)減小的趨勢，且剛度變化由最開始的快速下降到逐漸平穩(wěn)。含有SMA材料節(jié)點的的剛度退化比普通節(jié)點要減緩一點；任意階段，隨著SMA材料配筋率的增加，其初始剛度也在增大。

圖16 SJ01～SJ02剛度退化曲線

圖17 SJ02～SJ04剛度退化曲線

5 結(jié)論

借助于有限元軟件ANSYS平臺，建立了新型框架邊節(jié)點數(shù)值分析模型，對新型框架邊節(jié)點進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，并與普通框架邊節(jié)點的力學(xué)性能進(jìn)行了對比。分析了有無SMA筋以及SMA筋配筋率對節(jié)點力學(xué)性能的影響。通過有限元軟件模擬分析得到以下結(jié)論：

① SMA的加入使得新型框架邊節(jié)點不僅具有一定的耗能能力，且在卸載后能夠減小節(jié)點的變形，從而實現(xiàn)該節(jié)點的復(fù)位能力。

② SMA筋的配筋率越大，新型框架邊節(jié)點的承載力和剛度越大，且耗能能力也越好。

③ 因新型框架邊節(jié)點中含有普通鋼筋和SMA筋，使得SMA的材料性能并未完全的顯現(xiàn)，但是也呈現(xiàn)出了一定的恢復(fù)性能。