新型减震梁柱节点及其框架结构抗震性能研究

田旭，王德斌，范国玺，王世鹏，张皓

(1.大连交通大 土木工程学院，辽宁 大连 116028；2.营口理工学院 机械与动力工程学院，辽宁 营口 115000；3.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；4.沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168)*

作为结构的关键受力构件，梁柱节点是结构在地震中最易损坏的结构部分，其抗震性能的加强极为重要.汶川地震表明，结构的许多柱头和梁柱节点均出现了先于梁、柱构件破坏的现象，并伴随有一定程度的脆性破坏，从而导致了结构的整体倒塌，并未满足“强节点弱构件”的抗震要求.

有效提高节点的抗震能力成为结构抗震性能研究的关键问题，其中安装节点型阻尼器则成为提高节点刚度、强度和耗能能力的最有效方法之一.传统的阻尼器均是通过支撑与结构的主体相连，这种阻尼器有两个明显的缺点，施工复杂且占用大量空间.目前国内外学者研发了多种不同类型和构造的新型阻尼器用于结构的关键承重部件，目的在于提高结构的整体延性及耗能能力,包括摩擦型阻尼器、金属型阻尼器和复合型阻尼器.CHUNG等[1]提出了一种可减小结构变形和位移的摩擦阻尼器，该阻尼器主要应用于剪力墙连梁中.师骁等[2]为高层钢结构设计了一种摩擦转动阻尼器，特点是可以分离钢连梁，当钢连梁变形时带动阻尼器的弹簧变形，挤压刹车片产生巨大的摩擦力，从而达到减震的效果.HOIKL等[3]提出了用于混凝土剪力墙的RBAL(Rotational Bolted Active Links)摩擦阻尼器，该阻尼器可应用于偏心支撑框架，研究表明，该阻尼器连梁剪力墙的减震幅度大于带刚性连梁的联肢墙.陈子康等[4-5]提出了弧形钢棒阻尼器，该阻尼器是通过弯曲和剪切滞回变形实现耗能，同时，该作者基于ABAQUS软件通过有限元分析，研究了截面形状、钢棒数量，截面尺寸、跨度等对其耗能能力和承载力的影响.周云等[6-10]提出了一种应用于梁柱节点的粘性阻尼器，该阻尼器由复合弹性体以及梁、柱连接板组成，结果表明，该阻尼器的力学性能主要取决于复合材料的力学性能.闫维明等[11]提出了一种新型的转动式铅剪切阻尼器，该阻尼器根据耗能需求增大结构节点的相对位移或转角，使阻尼器的耗能能力得到充分发挥，转动式铅剪切阻尼器由钢棒、旋转板、固定板、盖板、铝、联轴器和铰链支架组成.

通过上述分析，本文基于低屈服点软钢材料的力学性能特点，提出了一种简单易于加工的新型减震节点型阻尼器，并基于ABAQUS有限元软件采用多尺度建模方法实现了对该新型减震节点型阻尼器梁柱节点及其平面框架结构抗震性能的研究.

1 有限元建模及试验结果验证

根据范国玺等[12]人的试验结果，本文选用文献[12]中试件JM210作为模拟对象，节点梁、柱截面尺寸分别为250 mm×400 mm﹑350 mm×350mm.试件梁长2.6 m，柱高3.0 m，其截面尺寸及配筋如图1所示.混凝土强度等级为C30，纵筋选用HRB335级钢筋，箍筋选用HPB235级钢筋，混凝土和钢筋材料参数见表1和表2.加载过程中，在柱顶端施加轴压比为0.2的轴力，梁两端采用位移控制的加载模式进行单调加载，边界条件如图2所示.

图1 节点示意图(单位mm)

表1 混凝土基本参数

表2 钢筋基本参数

图2 点加载制度

本文采用多尺度建模方法[13-14]，其中节点核心区混凝土采用实体单元C3D8R，该精细化区域节点上下柱长取为0.4 m，左右梁长取为0.35 m，本构模型采用塑性损伤本构模型.非线性梁单元中的钢筋和混凝土材料采用方自虎等[15]人开发的材料子程序，该子程序可有效模拟钢筋和混凝土材料的非线性力学行为并应用于隐式计算，其本构模型见图3、图4，精细化节点区域钢筋通过EMBEDED命令嵌入混凝土主区域.非线性梁单元部分采用等效面积的方法生成钢筋梁单元，多尺度连接方式为非线性梁单元端点设立参考点，与精细化节点区域的重合面通过COUPLING连接，多尺度节点有限元模型见图5.

图3 钢筋本构模型

图4 混凝土本构模型

图5 节点多尺度有限元模型

经模拟得到的节点骨架曲线与试验骨架曲线对比图，如图6所示.可见，基于多尺度建模计算得到的节点骨架曲线与试验结果基本一致，能够满足节点计算精度要求.

图6 试验结果与数值模拟骨架曲线对比

2 软钢耗能梁柱节点设计

2.1 梁柱节点型阻尼器介绍

本文参考了李钢等人的软钢阻尼器设计理念[16]，设计了两种不同环向开孔厚度的新型减震节点型阻尼器.该节点型阻尼器由两片平行设置在外部的外扇形副钢板及设置在中部的内扇形主钢板及内外扇形钢板之间固定的低屈服点耗能曲板组成，耗能曲板设有圆形孔，具体见图7所示.

(a)阻尼器正面图

本文耗能曲板环向开孔厚度分别取为10 mm和20 mm，中部主钢板与外侧副钢板分别通过两侧端板与梁、柱内部纵筋焊接并嵌于梁柱内.材料取为低屈服点Q235钢，弹性模量为2.0×105MPa，屈服强度为235 MPa.该新型减震节点型阻尼器具有成本低、制作简单、施工方便等优点，并能通过主板与副板的相互错动，使曲面开孔耗能曲板发生屈服进行减震、耗能.

2.2 耗能梁柱节点抗震性能研究

本文新型减震节点型阻尼器两侧端板通过ABAQUS软件INTERCTION模块CONSTRAINT选项里的TIE绑定的连接方式模拟端板与纵筋的焊接.阻尼器采用实体单元C3D8R，单元尺寸取为0.015 m，将该节点型阻尼器应用于前述给出的梁柱节点.加载过程中，轴压比取为0.2，采用位移控制的加载模式在梁两端施加单调位移荷载，最大位移取为50 mm.

经模拟得到设有阻尼器和未设阻尼器的梁柱节点单调荷载-位移曲线，见图8.可以看出，设有阻尼器的节点承载能力显著提高，环向开孔厚度为10和20 mm的梁柱节点最大承载力分别提高8.3%和9.7%.两种开孔厚度阻尼器对应的梁柱节点初始刚度也均有提高，但相差不大；从节点延性进行分析，可以看出设有节点型阻尼器的梁柱节点延性较原节点均有显著提高，提高幅度分别为23.8%和33.3%，见表3.

图8 梁柱节点荷载-位移曲线对比

表3 不同节点延性变化

通过数值模拟发现阻尼器在位移加载到50mm时曲面开孔钢板均发生明显屈服，且开孔部位屈服区域较为均匀，可见该阻尼器有效的提高了节点的延性及承载能力，避免了节点发生脆性破坏的可能性，并能提高了节点的耗能能力.

3 钢筋混凝土平面框架结构抗震性能研究

3.1 框架结构设计

基于前述提出的新型减震节点型阻尼器，采用多尺度方法建立了三层三跨的平面框架结构，结构设计采用PKPM软件，梁柱主筋用HRB335级钢筋，箍筋用HPB235级钢筋，凝土强度等级为C30，设计地震动分组为第一组，设计场地类别为Ⅱ类，结构尺寸及阻尼器设置位置见图9(a)，图9(b)和9(c)分别给出了结构的梁、柱配筋详图.为研究节点型阻尼器曲板环向开孔厚度对结构抗震性能的影响，并保证曲板开孔区域进入塑性屈服，相较于前文本节减小开孔厚度共建立四种平面框架结构模型，分别为不设节点型阻尼器及设置曲板环向开孔厚度为1、2和4 mm的三种节点型阻尼器，阻尼器与结构梁柱的连接方式同样采用TIE绑定模拟阻尼器端板与梁柱钢筋焊接.其中GKJ-1为无节点型阻尼器框架结构，GKJ-2、GKJ-3和GKJ-4分别为曲板环向开孔厚度为1、2和4 mm的设有节点型阻尼器的框架结构.

(a)结构尺寸

3.2 地震响应计算结果分析

本文选用Taft波进行地震动输入，地震加速度峰值取为罕遇地震动加速度峰值0.4g.四种工况下平面框架结构的顶点位移时程曲线对比情况见图10.从图10可以看出，设置节点型阻尼器的框架结构顶点位移明显低于未设节点型阻尼器的框架结构，减震效果明显.同时，从图中可以看出，加速度峰值在0.4 g地震动作用下，曲板环向开孔厚度为1、2、4 mm的框架结构顶点位移分别降低53.8%、68.9%、70.4%.可见，节点型阻尼器不仅为框架结构提供了附加的侧向刚度，而且增强了结构构件的耗能能力，进而有效降低了结构顶点位移.

图10 顶点位移对比

图11分别为三种不同曲板环向开孔厚度的阻尼器框架结构和无控框架结构层间位移角在峰值加速度为0.4 g地震动作用时随楼层变化的层间位移角及其变化曲线，可以看出，层间位移角随楼层的增加先增大后减小，且最大值均发生在第二楼层.无控结构的层间位移角最大值为0.000 64, 曲板环向开孔厚度为1、2、4 mm的结构层间位移角最大值分别比无控结构的减小6.2%、25%和25%，可以看出，在罕遇地震作用下，设有节点型阻尼器的框架结构减震效果明显.

图11 层间位移角随楼层变化曲线

图12给出了四种工况下平面框架结构的底部剪力时程曲线对比情况，从图12可以看出，设置节点型阻尼器的框架结构底部剪力显著低于未设节点型阻尼器的框架结构，同时通过曲线可以发现，阻尼器曲板环向开孔厚度为1、2、4 mm的底部剪力最大值分别比无控结构降低19.0%、33.8%、38.1%，底部剪力显著降低.

图12 底部剪力变化曲线

4 结论

本文基于ABAQUS有限元软件，采用多尺度建模方法研究了新型减震梁柱节点及其框架结构的抗震性能，得出以下结论：

(1)基于多尺度建模方法对本文提出的新型减震梁柱节点进行数值模拟，共设置两种环向开孔厚度的节点阻尼器，结果表明,本文提出的新型节点型阻尼器能够有效提高节点的承载能力及延性性能；

(2)将本文提出的新型节点阻尼器应用于平面框架结构，结构顶点位移和层间位移角均显著降低，曲板环向开孔厚度为4 mm时减震效果最佳，顶点位移降低70.4%，层间位移角最大值降低25%，各开孔厚度条件下，结构底部剪力也有不同程度降低.