黃彬輝 李元齊
(同濟大學建筑工程系,上海200092)
在各類建(構(gòu))筑物中,鋼結(jié)構(gòu)以輕質(zhì)高強、抗震性能優(yōu)良、裝配化程度高、綠色環(huán)保、材料可循環(huán)性等優(yōu)勢,成為結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)用形式之一,在高烈度區(qū)和超高層建筑中尤為凸顯。
當前,國家大力提倡裝配化建造技術(shù),與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,鋼結(jié)構(gòu)因其裝配式和施工速度快而備受青睞。梁柱節(jié)點在裝配式鋼結(jié)構(gòu)中占有重要的地位,裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點是指鋼結(jié)構(gòu)的梁、柱及其配套連接件的部分或全部經(jīng)工廠加工制作后運輸至現(xiàn)場,按照規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來的連接區(qū)域。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中,結(jié)構(gòu)承受豎向和水平作用力時,節(jié)點是梁與柱之間力的傳遞紐帶,節(jié)點特性直接影響著結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性;結(jié)構(gòu)遭受地震作用時,小地震下,節(jié)點的剛度成為構(gòu)件抗側(cè)力水平的主要影響因素之一;大地震下,節(jié)點的耗能能力和破壞機制成為結(jié)構(gòu)的抗震性能的主要決定因素之一。在鋼結(jié)構(gòu)的制作安裝過程中,梁柱節(jié)點的構(gòu)造形式和抗震性能對建造的裝配化程度、施工速度和質(zhì)量、結(jié)構(gòu)的安全可靠性以及經(jīng)濟合理性至關(guān)重要,其裝配化程度成為衡量整體結(jié)構(gòu)工業(yè)化水平的重要指標。
現(xiàn)代高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中,梁柱節(jié)點按照受力方式和連接剛度可分為鉸接連接、半剛性連接和剛性連接三類。鋼框架梁柱節(jié)點大多采用剛性連接,其連接形式主要有三類:鋼梁的翼緣與腹板均與鋼柱采用焊接連接,即全焊接連接類;鋼梁翼緣與柱采用焊接連接,鋼梁腹板與柱采用高強螺栓連接,即栓焊連接類;鋼梁的翼緣和腹板均與鋼柱采用高強螺栓連接,即全螺栓連接類。前兩類安裝過程中需要焊接,人的成本高,節(jié)點的裝配化水平低,地震作用下焊縫容易發(fā)生損傷或破壞。1994 年美國北嶺(Northbridge)地震和1995 年日本阪神(Hyogoken-Nanbu)地震中,節(jié)點不同程度采用了焊接連接,受建筑高度和類型、地面運動、設(shè)計假定和構(gòu)造做法、材料屬性、制造工藝和檢測方法影響,脆性斷裂發(fā)生于焊接處,甚至導(dǎo)致鋼框架倒塌,經(jīng)濟損失巨大[1-3]。全螺栓連接類是適應(yīng)裝配化建造技術(shù)的一個良好選擇,節(jié)點的抗震性能水平?jīng)Q定著其實際應(yīng)用的廣泛性。因此,梁柱節(jié)點的設(shè)計和施工是鋼結(jié)構(gòu)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù),研究一種抗震性能優(yōu)良和基本或完全裝配化的節(jié)點將有著極其重要意義。
本文通過對自耗能和附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的構(gòu)造形式、強度、剛度、抗震性能和應(yīng)用情況進行歸納總結(jié),旨在提出了一種附加可拆卸式的耗能元件梁柱節(jié)點,改變傳統(tǒng)的節(jié)點承載性能及耗能機制,建造中基本或完全沒有焊接連接、節(jié)點耗能元件標準化、易操作和抗震性能優(yōu)良的新型節(jié)點,實現(xiàn)“耗能元件先行、震后易更換”的抗震設(shè)計思路,形成一套適用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能研究發(fā)展的系統(tǒng)化理念。
自耗能裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點是指按照規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來,通過節(jié)點部分或全部組成部分的變形而將能量耗散的節(jié)點。
Popov E P 等[4-8]對全螺栓梁柱節(jié)點進行了試驗研究和數(shù)值非線性分析,梁上下翼緣與柱采用T 型板件和高強螺栓連接,腹板與柱采用連接板和高強螺栓連接(圖1),結(jié)論如下:①T 型板螺栓連接的整體性能與蓋板連接非常接近。加強端部連接能提高最大彎矩承載能力,梁局部屈曲的程度相對較小。②對T 型板件局部分析,當T 型板厚度減小且其他參數(shù)保持不變時,螺栓連接的翼緣剛度減小,翼緣塑性變形程度增加;高強度螺栓布置決定螺栓分布力均勻性,且實現(xiàn)節(jié)點變形一致屈服至關(guān)重要;當高強度螺栓的大小增加且其它參數(shù)保持不變時,螺栓連接的翼緣剛度增加,翼緣塑性變形程度增加。③最佳T型板截面尺寸是梁塑性變形最小、節(jié)點彈塑性變形達到0.04 弧度時的尺寸。④所選螺栓尺寸(1~1/4 英寸)允許它的屈服,以增加T 型板和柱翼緣之間的間隙。⑤用于連接T 型板和梁翼緣的螺栓可以離柱面(靠近柱面的設(shè)置)更遠,甚至可以完全忽略。
圖1 全螺栓梁柱節(jié)點Fig.1 Bolted beam-to-column joints
王鵬等[9]研究了帶加勁肋頂?shù)捉卿撨B接和雙腹板頂?shù)捉卿撨B接的梁柱連接節(jié)點,鋼梁上下翼緣、腹板通過角鋼和高強螺栓與鋼柱連接,屬于全螺栓連接(圖2),分別進行了5個不同構(gòu)造的角鋼連接的單調(diào)加載試驗和4 種帶加勁肋角鋼連接的循環(huán)加載試驗,得出如下結(jié)論:①節(jié)點在負彎矩作用下,僅增設(shè)頂角鋼加勁肋能夠較大幅度提高節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度與荷載,破壞模式為加勁肋處焊縫脫開,僅增設(shè)底角鋼加勁肋對節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度影響較小,但能夠增加節(jié)點的承載能力;②加勁肋頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點是一種典型的半剛性連接,具備良好的轉(zhuǎn)動能力和耗能能力,節(jié)點破壞模式為角鋼與加勁肋處呈弧狀塑性鉸斷裂,極限彎矩對應(yīng)的層間位移角均在0.04 rad 以上,可滿足美國規(guī)范FEMA 350 不小于0.03 rad 的延性設(shè)計要求。在加勁肋試件達到層間位移角0.08 rad 時,節(jié)點還能夠承受0.5Mmax以上的彎矩;③帶加勁肋頂?shù)捉卿撨B接相對于無加勁肋角鋼連接節(jié)點的延性會下降,但節(jié)點的耗能能力會增強;④帶加勁肋試件的梁柱節(jié)點的塑性變形性能較好;⑤加勁肋頂?shù)捉卿撨B接節(jié)點具有較好的延性,滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求。
圖2 全螺栓連接Fig.2 Bolted connection
李啟才等[10-11]研究了兩個帶懸臂梁段拼接的裝配式梁柱節(jié)點,柱端在工廠內(nèi)通過焊縫連接一段短梁,再與鋼梁采用等強拼接(圖3),梁柱物理幾何條件完全相同,拼接板和螺栓布置不同,通過試驗,給設(shè)計提出如下建議:①彈性階段,拼接處按照實際內(nèi)力計算。梁翼緣凈截面受力應(yīng)考慮孔前傳力,抗彎承載能力應(yīng)以螺栓孔處的凈截面和螺栓連接的最不利計算,腹板抗彎承載能力按照拼接區(qū)承受的彎矩扣除翼緣承擔的考慮。②極限承載階段,翼緣凈截面承載能力應(yīng)采用鋼材的抗拉強度。③提高節(jié)點構(gòu)件接觸面的抗滑移系數(shù),螺栓用量減少,耗能能力增強,節(jié)點的抗震性能得以改善。
圖3 帶懸臂粱段拼接的粱柱節(jié)點試件(單位:mm)Fig.3 Steel beam-to-column connection with cantilever beam splicing(Unit:mm)
郁有升等[12-14]開發(fā)了一種新型裝配式梁柱節(jié)點,柱端與一段懸臂梁在工廠焊接,上下拼接板一端與懸臂梁和框架梁的翼緣交互三面焊接,另一端螺栓連接,懸臂梁和框架梁的腹板通過拼接板采用螺栓連接(圖4)。試驗設(shè)計了4組16個試件,采用了Abaqus 有限元軟件數(shù)值模擬,其極限承載能力和延性結(jié)論如下:①螺栓數(shù)量對節(jié)點的極限承載力有影響,考慮螺栓滑移耗能性,建議不宜過多設(shè)置螺栓;②蓋板寬度和厚度對節(jié)點滯回性能有影響,面積應(yīng)大于框架梁翼緣截面,比值宜1.05~1.30,其厚度應(yīng)大于框架梁翼緣;③懸臂梁長度是節(jié)點滯回性能的重要參數(shù),宜取1.7~2.0倍框架梁高。
圖4 試件幾何尺寸(單位:mm)Fig.4 Size of specimens(Unit:mm)
張愛林等[15]針對高層建筑高空張拉等難度,提出了一種裝配式腹板摩擦耗能和可恢復(fù)功能的梁柱節(jié)點,柱端連接一端短梁,短梁通過鋼絞線和高強螺栓與中間段梁連接(圖5),通過一3×5 跨4層0.75倍縮尺模型的擬動力試驗,得出如下結(jié)論:①節(jié)點有良好的開閉機制,可實現(xiàn)震后自復(fù)位和結(jié)構(gòu)功能恢復(fù),節(jié)點耗能效果良好,滿足抗震設(shè)計要求;②鋼絞線損失小于8%,驗證了預(yù)應(yīng)力施工可靠性;③建議采用裝配式腹板摩擦耗能和可恢復(fù)功能的梁柱節(jié)點,其框架結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角適當放寬;④可實現(xiàn)“多遇地震無開口、無損傷,設(shè)防地震開口耗能且主體結(jié)構(gòu)無損傷、罕遇地震結(jié)構(gòu)損傷很小能正常使用,超罕遇地震主體結(jié)構(gòu)損傷較小且仍能正常使用”性能目標。
圖5 裝配式腹板摩擦耗能和可恢復(fù)功能的梁柱節(jié)點Fig.5 Prefabricated web friction energy dissipation and resilient beam-to-column joints
王燕等[16-17]針對方管柱和H 型鋼梁的連接提出了一種新型裝配式內(nèi)套筒組合螺栓連接節(jié)點,柱與柱通過內(nèi)套筒連接,柱與梁通過外伸端板和高強螺栓連接(圖6),經(jīng)理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬,試驗了7 個內(nèi)套筒厚度、端板厚度和套筒與柱間隙不同的節(jié)點,得出如下結(jié)論:①加大內(nèi)套筒厚度是增強節(jié)點剛度的有效方式,但過大則不經(jīng)濟,建議比柱壁厚大于2 mm;②內(nèi)套筒與柱間隙對節(jié)點剛度有影響,需控制在4 mm 內(nèi);③端板厚度對節(jié)點剛度影響不明顯。
楊松森等[18-20]針對方管柱和H 型鋼梁的連接提出了一種裝配式外套筒-加強式外伸端板組件連接節(jié)點,柱與柱通過外套筒和高強對拉螺栓連接,柱與梁通過外伸端板和高強對拉螺栓連接(圖7),通過3 個縮尺試驗得出如下結(jié)論:①屈服機制為首先外伸板彎曲屈服,而后外套筒彎曲屈服,高強螺栓拉伸屈服,最后節(jié)點屈服;②節(jié)點初始剛度隨外套筒壁厚和對拉螺栓預(yù)緊力增大而增加,但需限制預(yù)緊力最大值,以免套筒和柱發(fā)生屈曲;③外套筒壁厚適度增大,有利于提高節(jié)點抗震性能;④采用對拉螺栓比焊接連接性能好,更能滿足“強柱弱梁”和“強節(jié)點”的設(shè)計要求;⑤外套筒與柱間隙以及對拉螺栓伸長值對節(jié)點塑性發(fā)展有影響,應(yīng)加以控制。
圖6 裝配式梁柱內(nèi)套筒組合螺栓節(jié)點Fig.6 Beam-to-column joints using inner sleeve composite bolts in fabricated steel structure
圖7 裝配式外套筒-加強式外伸端板組件連接節(jié)點Fig.7 prefabricated outer sleeve-overhang plate beam-to-column joint
陳學森等[21]針對箱形鋼柱與H型鋼梁提出了一種端板連接節(jié)點(圖8),進行了1個單調(diào)加載足尺節(jié)點和3 種預(yù)制方法循環(huán)加載的節(jié)點試驗,對其承載力、剛度、轉(zhuǎn)動性能、耗能能力和失效模式進行了分析,結(jié)論如下:①4個節(jié)點的極限彎矩大于全截面塑性彎矩;②按照日本規(guī)范方法得到的柱節(jié)點域受剪承載力更為合理,中國規(guī)范安全富裕度則較?。虎酃?jié)點的轉(zhuǎn)動剛度和層間位移滿足框架抗震要求,節(jié)點具有良好的變性能力和延性;④節(jié)點轉(zhuǎn)角主要由柱翼緣鼓曲產(chǎn)生;⑤實際應(yīng)用采用中間截斷或側(cè)面開窗的預(yù)制方法更為合理。
圖8 預(yù)制裝配式梁柱端板連接節(jié)點Fig.8 Prefabricating techniques of box columns with bolts and continuity plates embedded
張愛林等[22-23]針對圓管柱和H 型鋼梁開發(fā)了一種裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁-柱法蘭連接節(jié)點,柱與柱通過高強螺栓采用法蘭連接方式,柱與梁由高強螺栓和蓋板采用Z 字形連接,蓋板中間采用平狗骨式削弱(圖9),對5 個節(jié)點數(shù)值分析,得出以下結(jié)論:①懸臂端實現(xiàn)了塑性鉸外移;②蓋板螺栓數(shù)量對節(jié)點屈服載荷影響小,但對蓋板連接剛度和節(jié)點承載力影響大;③長圓孔形式對初始剛度和屈服荷載有一定影響。
圖9 裝配式梁-柱法蘭連接節(jié)點Fig.9 Composition of beam-column flange joint of prefabricated steel structure
康婷等[24]提出了一種裝配式梁端鋼板耗能的新型梁柱節(jié)點,即承載-耗能鉸節(jié)點(圖10)。梁端通過銷軸、兩塊槽鋼和高強螺栓與鋼梁連接,銷軸主要承擔豎向荷載,槽鋼承擔彎矩,地震作用下的耗能主要通過槽鋼的塑性變形。通過理論推導(dǎo)和應(yīng)用于12 層鋼框架結(jié)構(gòu)分析,得出如下結(jié)論:①節(jié)點采用三線性模型可近似模擬節(jié)點恢復(fù)力模型,根據(jù)薄板小擾度和屈曲后強度理論,可推導(dǎo)出節(jié)點轉(zhuǎn)角以及屈服和極限彎矩;②分析罕遇地震分析得到的頂點位移、層間位移角和基底剪力,驗證了節(jié)點可以實現(xiàn)“強柱弱梁”的目標;③采用承載-耗能鉸節(jié)點的鋼框架,薄弱層位置發(fā)生改變,層間位移角滿足規(guī)范要求。
圖10 裝配式梁端鋼板耗能梁柱節(jié)點Fig.10 Prefabricated beam-end steel plate energydissipation beam-column joint
附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點是指按照規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來,通過附加耗能元件的變形而將能量耗散而梁柱主要構(gòu)件始終保持彈性的節(jié)點。
Koetaka Y 等[25]提出了一種帶π 形阻尼器的梁與柱弱軸連接節(jié)點,梁上翼緣與柱采用高強螺栓和連接板連接,下翼緣與柱采用高強螺栓和π形阻尼器連接(圖11)。通過6組考慮了阻尼器幾何形狀和布置方式影響的足尺節(jié)點循環(huán)試驗,得出如下結(jié)論:①在材料和幾何條件一定下,節(jié)點在水平位移大于通常情況下2 倍時表現(xiàn)出穩(wěn)定的遲滯行為;當梁和柱處于彈性至極限狀態(tài)時,阻尼器的屈服是有限的;②梁下翼緣板的上下位置設(shè)π形阻尼器有利于提高耗能和自平衡能力,由連接板和梁翼緣板平面外變形導(dǎo)致;③設(shè)計π 阻尼器時應(yīng)考慮撬動作用,以防止滑移臨界節(jié)點的滑移,從而提高消能效率;④π 型阻尼器的設(shè)計,所提出的理論公式可精確地確定滑移節(jié)點的彈性剛度、塑性強度和抗滑性能。對于用低碳鋼圓柱形阻尼器,計算的塑性強度可乘以1.5 倍,以考慮應(yīng)變硬化效應(yīng)。
圖11 π形阻尼器梁柱節(jié)點Fig.11 Steel beam-to-column joint with π dampers
Oh S H 等[26-27]提出了一種帶槽形耗能元件的梁柱節(jié)點,梁上翼緣采用T 型連接件和高強螺栓與柱連接,梁下翼緣采用槽形連接件、開縫阻尼器、連接板和高強螺栓與柱連接(圖12)。通過3組帶開縫阻尼器足尺試件和1 個常規(guī)焊接試件的循環(huán)試驗,驗證了其抗震性能,結(jié)論如下:①帶開縫阻尼器梁柱節(jié)點在大層間位移作用下表現(xiàn)出穩(wěn)定的滯回性能,初始剛度等于或高于焊接試件,節(jié)點可認為是剛性連接;②梁塑性截面彎矩不小于梁承受最大彎矩,塑性變形集中于開縫阻尼器,而梁和柱幾乎保持彈性;③與傳統(tǒng)梁柱節(jié)點相比,帶開縫阻尼器梁柱節(jié)點的初始剛度和極限強度顯著提高,震后容易更換;④帶開縫阻尼器梁柱節(jié)點屬于受彎控制,比支撐框架具有更有效的抗彎性能。
圖12 開縫阻尼器梁柱節(jié)點Fig.12 Steel beam-to-column joint with slit dampers
Deng K L 等[28-29]提出了一種全預(yù)制抗損傷梁柱節(jié)點,鋼梁與鋼柱通過一段過渡區(qū)進行連接,過渡區(qū)兩端上部分采用節(jié)點板、超高性能混凝土(UHPC)和高強螺栓連接,兩端下部分采用節(jié)點板和高強螺栓連接,其中一端螺栓孔為長孔,滑動產(chǎn)生摩擦,形成摩擦阻尼器(圖13)。通過4 組足尺試驗和理論分析,得出如下結(jié)論:①節(jié)點預(yù)期的允許損傷可以達到預(yù)期,梁上鋼筋混凝土板上無表面裂紋,在最大地震作用下,節(jié)點的UHPC 層和梁翼緣處于彈性狀態(tài);②節(jié)點滯回曲線是飽滿和穩(wěn)定的,梁柱相對旋轉(zhuǎn)為1/150 時屈服,屈服力取決于阻尼器的最大靜摩擦力和阻尼器與復(fù)合材料接頭截面剛度中心的距離;③初始正剛度大于負剛度,屈服后剛度受指定塑性鉸區(qū)長度和UHPC層厚度的影響;④節(jié)點具有顯著的耗能能力,60%以上的能量是由摩擦阻尼器消耗的;⑤提出了節(jié)點初始剛度和屈服彎矩的解析模型,可供設(shè)計參考;⑥為了提供足夠的剛度,建議通過改善阻尼器的摩擦界面來減小阻尼器的剛度系數(shù)。
圖13 全預(yù)制抗損傷梁柱節(jié)點Fig.13 A fully-prefabricated damage-tolerant beam to column connection
Leelataviwat S 等[30-34]提出了一種帶膝支撐梁柱節(jié)點,梁通過節(jié)點板和高強螺栓與柱鉸接,膝支撐通過節(jié)點板和高強螺栓與梁、柱鉸接(圖14),通過循環(huán)試驗和數(shù)值分析,結(jié)果表明,當膝支撐的大小維持在一定范圍,結(jié)構(gòu)遭受多遇地震時,膝支撐協(xié)同梁柱共同提供節(jié)點強度和剛度;結(jié)構(gòu)遭受罕遇地震時,膝支撐循環(huán)拉壓變形,先于梁柱產(chǎn)生塑性變形,從而耗散地震能量,整個過程中梁柱始終保持彈性狀態(tài)。節(jié)點的強度、剛度和抗震性能等同或略高于傳統(tǒng)焊接剛性框架梁柱節(jié)點。地震破壞后,只需更換膝支撐,容易修復(fù)。
圖14 帶膝支撐梁柱節(jié)點Fig.14 Beam-to-column joints with knee-braced dampers
Hsu H L 等[35]提出了一種帶弧形鋼板阻尼器梁柱節(jié)點,梁通過節(jié)點板和高強螺栓與柱鉸接,弧形鋼板阻尼器通過節(jié)點板和高強螺栓與梁、柱鉸接(圖15),通過多組循環(huán)試驗和數(shù)值分析,結(jié)論如下:①采用弧形鋼板阻尼器的半鋼框架梁柱節(jié)點,強度、剛度和能量耗散能力提高顯著;②弧形鋼板阻尼器的效用主要受長度和角度影響,角度較小時,節(jié)點強度更高;③弧形鋼板阻尼器受拉壓時表現(xiàn)出穩(wěn)定的滯回性能。
圖15 帶弧形鋼板阻尼器梁柱節(jié)點Fig.15 Beam-to-column joints with steel curved dampers
王偉、方成等[36-40]提出了一種帶超彈性形狀記憶合金(SMA)螺桿-角鋼混合梁柱節(jié)點,梁通過SMA 螺桿、高強螺栓和角鋼與鋼柱連接,形成自復(fù)位裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(圖16),對8 組全尺試樣(6 組為在外側(cè)設(shè)置SMA、1 組為在內(nèi)側(cè)設(shè)置SMA、1 組為內(nèi)外側(cè)均設(shè)置SMA)進行了試驗,分析了SMA 螺栓預(yù)應(yīng)力、螺栓長度、角鋼厚度、螺栓和角鋼的布置主要參數(shù)影響。通過循環(huán)試驗和理論分析,得出如下結(jié)論:①試樣表現(xiàn)出理想的屈服原則和變形模式。主要的非線性變形由SMA 螺栓和角度提供,而柱和梁無損傷。②試樣在2%的位移下表現(xiàn)出很好的自復(fù)位能力;超過2%時,自復(fù)位能力取決于SMA 螺栓預(yù)應(yīng)力、螺栓長度、角鋼厚度、螺栓和角鋼的布置主要參數(shù);所有試件的延性能力至少在位移為4%;最大等效黏性阻尼在11%~15%,表明能量耗散能力適中。③設(shè)計這種連接的框架,提供了一個計算示例,進一步說明所提出的設(shè)計方法。設(shè)計框架也通過比較設(shè)計預(yù)測與測試結(jié)果在殘余旋轉(zhuǎn)方面的驗證。
圖16 帶SMA螺桿和角鋼裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點Fig.16 Beam-column joints of assembled steel structures with with combined superelastic SMA bolts and steel angles
與傳統(tǒng)焊接剛性梁柱節(jié)點相比,自耗能裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的強度和剛度在彈性階段較易接近或達,但塑性階段則難以接近或達到,尤其是圖1~圖2 和圖6~圖7 類型;而附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點無論在彈性階段還是塑性階段,都較容易達到或略高。
自耗能裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的破壞形態(tài)是節(jié)點的連接板、梁或局部柱翼緣處先出現(xiàn)塑性變形,并耗散地震能量,最終節(jié)點失效,甚至容易出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)倒塌。附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的破壞形態(tài)是節(jié)點的附加耗能元件先出現(xiàn)塑性變形,并耗散地震能量,梁柱始終處于彈性狀態(tài)而不屈服,耗能元件在彈性階段則為節(jié)點提供強度和剛度。
圖 17 給出了典型節(jié)點的滯回曲線[9,11,18,21,23-26,28,30,35-36]。從圖中節(jié)點滯回曲線的對比可以看出,傳統(tǒng)的全螺栓節(jié)點呈梭形,曲線比較飽滿,塑性能力較強,T 型板比角鋼具有更好的抗震性能和耗能能力;帶懸臂段節(jié)點、帶內(nèi)外套筒節(jié)點、開窗端板節(jié)點、法蘭式節(jié)點和承載-耗能節(jié)點呈弓形或反S形,具有“捏縮”效應(yīng),螺栓表現(xiàn)出一定的滑移效應(yīng)。
圖17 典型節(jié)點滯回曲線Fig.17 Typical node hysteresis curve
附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的滯回曲線呈梭形,形狀非常飽滿,反映出節(jié)點的塑性變形能力很強,具有很好的抗震性能和耗能能力。
裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點作為結(jié)構(gòu)體系中的一個重要耗能組成部分,其強度、剛度、破壞機理和抗震性能直接影響整體結(jié)構(gòu)的安全和使用,因此,確保裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的承載能力和抗震性能的合理性成為一項亟需解決的重要問題,其設(shè)計理念的系統(tǒng)化成為一種必然?!昂哪茉刃小⒄鸷笠赘鼡Q”的觀點是符合這一要求,在盡可能不影響建筑使用空間和功能的前提下,在梁柱節(jié)點區(qū)域附加耗能元件,其耗能方式可以是常見的金屬摩擦(圖13)、軸向受壓和屈曲(圖14、圖15)等,也可以是作者提出的彎曲形成塑性鉸(圖18)等,遭受多遇地震時,耗能元件與梁柱共同承擔水平和豎向荷載,提供強度和剛度,遭受罕遇地震時,耗能元件先進入塑性階段,耗散能量,梁柱始終處于彈性階段,并維持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,整體結(jié)構(gòu)不倒塌。地震后,耗能元件易拆卸和更換,維修成本低。
圖18 帶彎曲耗能阻尼器梁柱節(jié)點Fig.18 Beam-column joints with bending energy dissipation dampers
(1)傳統(tǒng)的全螺栓連接梁柱節(jié)點為滿足“強柱弱梁、強節(jié)點弱構(gòu)件”要求,除需考慮螺栓孔和板件厚度等因素,還需采用加強或局部削弱措施,需求的螺栓數(shù)量大,安裝精度要求高。
(2)帶懸臂段節(jié)點、帶內(nèi)外套筒節(jié)點、開窗端板節(jié)點、法蘭式節(jié)點和承載-耗能節(jié)點改善了傳統(tǒng)的全螺栓節(jié)點的承載和耗能,但螺栓的需求量并未得以根本改變,其安裝精度和難度依然較大,抗震耗能方面還伴有螺栓的滑移效應(yīng)。
(3)附加耗能元件裝配式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點相比自耗能節(jié)點有明顯改觀,抗震性能優(yōu)良,其中Π 形阻尼器、T 形阻尼器、摩擦阻尼器、膝支撐和弧形鋼板阻尼器節(jié)點的彈性和塑性極限承載力提高有限,膝支撐和弧形鋼板阻尼器提高較大,但對建筑空間有一定影響,對鋼柱在節(jié)點域段產(chǎn)生較大水平力,有一定的不利影響。
(4)基于“耗能元件先行、震后易更換”的觀點,在梁柱節(jié)點區(qū)域設(shè)置一段支撐鋼梁的水平段鋼板,鋼板通過彎曲形成塑性鉸耗能,與鋼柱通過全螺栓剛接,與鋼梁通過螺栓鉸接,控制鋼板與鋼梁線剛度的比值,從而保持梁柱始終處于彈性狀態(tài)。