专家解读海南大学陈云教授为您解读装配式自复位摇摆钢框架的抗震性能

美国北岭地震（Northridge earthquake）和日本阪神地震（Kobe earthquake）灾害调查表明，传统栓焊连接的钢框架在强震时梁柱节点和柱脚可能发生严重的屈服或屈曲，震后残余变形较大而导致修复困难或代价昂贵，特别是对于重要的建筑物由于使用功能中断可能造成巨大的经济损失和社会影响。

针对上述问题，海南大学陈云教授团队在国家自然科学基金（51968020）等课题的资助下，研发了一系列可恢复功能节点及结构，包括装配式自复位韧性摇摆柱脚、装配式自复位梁柱摩擦耗能节点、装配式自复位摇摆钢框架，遵循从节点到结构体系的研究思路，采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的研究方法，进行了系列科学研究工作，形成了较为系统的研究成果。

课题组在研究前期进行广泛的文献阅读和资料查阅，结合既有的研究基础和工程实际应用需求，提出了自复位钢框架的梁柱节点和柱脚的新型构造及其整体结构。具体如下：

1) 提出了一种装配式自复位韧性摇摆柱脚，如图1所示，钢柱底部焊接一块平齐式底板，平齐式底板与基础之间竖向无黏结，在地震作用下能够发生受控转动。在柱脚悬挑板上设置复合组合碟簧组，相较于传统柱脚，其初始预压力施加在悬挑板上，降低了对底板的刚度需求。在柱脚发生转动后，两侧碟形弹簧组中的预压力相对于转动点产生稳定的自复位力矩，保证柱脚在强震作用下具有较好的自复位性能。

2) 提出了一种装配式自复位梁柱转动摩擦耗能节点，如图2所示，自复位梁柱摩擦耗能节点将钢梁沿跨度分成两部分，即短梁段和中间梁段。短梁段直接焊接在柱翼缘上，中间梁段与短梁段以及钢柱通过高强锚杆、碟形弹簧以及转动摩擦铰连接。自复位组件主要由复合组合碟形弹簧组构成，通过创新设计，安装完成的预压复合组合碟形弹簧在整个加载过程中均为压缩状态，能够为节点提供良好的自复位力矩。装配式自复位梁柱转动摩擦耗能节点的安装步骤如图3所示。

3) 提出了一种装配式自复位金属耗能摇摆钢框架，如图4所示，其主要由钢柱、中间梁段、短梁段、自复位柱脚和金属耗能梁柱节点组成。自复位柱脚底部与基础直接接触，两者之间无焊接或螺栓连接，通过嵌固在基础的抗剪部件或基础凹槽限制柱脚的侧向位移。梁柱节点通过销轴将短梁段与中间梁段铰接连接，梁柱节点位置安装有轴向拉压屈服耗能型金属阻尼器（BRB）。

图4  装配式自复位金属耗能摇摆钢框架

其工作机理为：在多遇地震作用下，梁端发生微小转动，柱脚未发生转动，BRB保持为弹性状态，此时整体钢框架的柱脚是固接状态，BRB主要为结构附加刚度。在设防地震或罕遇地震作用下，梁端发生较大的转动，柱脚同时发生转动，BRB进入塑性耗能状态，此时整体钢框架的梁端和柱脚均为半刚性连接，BRB为结构附加刚度和阻尼。

3.1  装配式自复位韧性摇摆柱脚

自复位柱脚发生了受控转动，主要呈现出刚体转动变形模式，如图5所示。装配式自复位韧性摇摆柱脚的滞回曲线为典型的双旗帜形（图6），表明其具备较好的自复位性能和一定的耗能性能。

图5  装配式自复位韧性摇摆柱脚试验结果

图6  试验滞回曲线

基于以上的试验研究结果，在柱脚左右悬挑板下方各设置一组BRB，如图7所示。通过理论分析提出了其力学模型，如图8所示。

             

             

通过线性组合的方法，将自复位柱脚的恢复力模型分解为BRB的恢复力模型、竖向轴力的恢复力模型和复合组合碟形弹簧的恢复力模型的线性叠加，如图9所示。

通过有限元软件ABAQUS对设置BRB的自复位柱脚进行了低周反复加载模拟，并将理论分析结果与模拟结果进行了对比 分析，如图10所示。 可见，有限元的模拟结果与恢复力模型的计算结果吻合较好，证明提出的恢复力模型能够较好地模拟自复位柱脚在低周反复荷载作用下的滞回性能。

3.2  装配式自复位梁柱转动摩擦耗能节点

装配式自复位梁柱转动摩擦耗能节点的试验加载装置如图11所示。加载位移幅值为40 mm时试件各组成部分的变形如图12所示，在节点转角达到1/16时，主体钢柱与钢梁保持为弹性，梁柱节点未发生屈服或屈曲，能量耗散主要集中在转动摩擦铰处，整个加载过程中复合组合碟形弹簧组始终处于压缩状态，有效保证了节点的自复位性能。当加载位移一定时，随着摩擦铰的预压力不断增大，自复位梁柱摩擦耗能节点的耗能性能不断增强，滞回曲线为饱满的旗帜形（图13），证明其具有良好的自复位和耗能性能。

图12  试验现象

图13  试验滞回曲线

装配式自复位梁柱摩擦耗能节点的恢复力模型可由耗能组件（转动摩擦铰）和自复位组件（复合组合碟形弹簧）的恢复力模型叠加得到，分别如图14、15和图16所示。

           

图14  转动摩擦铰的恢复力模型

图15 复合组合碟形弹簧的恢复力模型

                 

图16 装配式自复位梁柱摩擦耗能节点的恢复力模型

采用微元法计算单个摩擦界面的转动摩擦力矩 M _fr 的数值大小，恢复力模型中的 M _f 为两个摩擦界面的 M _fr 之和，如图17所示。

             

图17 梁柱摩擦耗能节点的力学分析简图

将微元部分受到的转动摩擦力矩分别从 R ₁ 到 R ₂ 积分，得到单个摩擦面所受的转动摩擦力矩 M _fr ：

根据以上分析，恢复力模型中的 M _f 为两个摩擦界面的 M _fr 之和，则：

当外力相对于节点产生的外力矩超过节点的转动摩擦力矩时，摩擦铰发生转动，据此可计算临界推力 F _e ：

由 F _e 引起水平侧移为

进一步可知：

上式中 θ ₂ 由抗震性能目标直接给定，至此转动摩擦铰的恢复力模型所有关键参数均已确定。

推导单独的复合组合碟形弹簧的恢复力模型（不考虑转动摩擦铰的影响）。自复位梁柱节点转动前后的力学分析简图如图18所示，通过扭矩扳手施加的碟簧初始预压力为 F ₀ （已知），复合组合碟形弹簧的初始预压力相对于转动点产生的初始力矩为

复合组合碟形弹簧的等效轴向刚度 k _s 可通过弹簧的对合与叠合数计算得到，当节点转动角度为 θ 时，复合组合碟形弹簧的压力增量相对于转动点产生的力矩增量为

由此可知，单独设置复合组合碟形弹簧的梁柱节点转动刚度为

复合组合碟形弹簧的恢复力模型所有关键参数均可由上述公式确定。

将以上摩擦铰和复合组合碟形弹簧的恢复力模型叠加，即可得到装配式自复位梁柱摩擦耗能节点的恢复力模型，将试验中水平推力与水平位移的关系曲线转化为节点弯矩与节点转角的关系曲线，并与基于恢复力模型的计算结果进行对比分析，如图19所示，基于恢复力模型的计算结果与试验结果吻合较好。

图18  装配式自复位梁柱摩擦耗能节点的力学分析简图

图19  梁柱节点恢复力模型验证

3.3  装配式自复位金属耗能摇摆钢框架

自复位摇摆钢框架的变形模式如图20所示， 柱脚自复位力矩主要由柱脚锚杆间距与碟簧初始预压力确定。

柱脚在抬升后的受力分析如图21所示，设两侧弹簧的初始预压力均为 F ₀ ，每片碟形弹簧的刚度为 k ，弹簧的对合组数为 i ，叠合个数为 n ，当柱脚转动角度为 θ 时，预压力增大一侧的弹簧压力为 F ₁ ，预压力减小一侧的弹簧压力为 F _r ，两侧高强锚杆距离转动点的距离分别为 d ₁ 和 d _2。

             

根据图21中的几何关系和受力分析可知：

根据以上分析，可知柱脚的自复位力矩的承载力设计值为（假定柱脚与锚杆均未发生屈曲和屈服）

设高强锚杆的屈服强度为 f _y ，截面面积为 A _s ，在整个受力过程中，为了保证在设计位移下受力较大一侧的锚杆拉力不超过其抗拉强度，受力较小一侧的锚杆拉力不减小为0，则还需满足以下不等式：

结合式(10)～(13)可知初始预压力 F ₀ 的取值范围为

工程设计时，假定小震下自复位框架的柱脚未发生抬升，即 θ =0，代入上式可得柱脚未抬升的自复位力矩承载力为

按照传统的刚接柱脚设计得到框架柱的柱脚弯矩为 M _cb ，则需满足：

验算柱脚在允许转动位移角是否发生屈曲或屈服，否则需增大截面。

3.4  装配式摇摆钢框架的抗震性能试验

试验加载装置由竖向加载装置和水平加载装置组成，如图22所示。装配式摇摆钢框架的拼装模块如图23所示。水平位移加载制度分为两个阶段，第一阶段位移增量为1 mm，逐步加载到8 mm，每级循环加载1次；第二阶段位移增量为4 mm，每级循环加载3次，最终加载至32 mm，相当于1/30的层间位移角。试验加载时竖向荷载分为200、300 kN和400 kN三个工况，柱脚复合组合碟形弹簧的初始预压力分为24、30 kN和36 kN三个工况。在竖向轴力施加完成前，应首先通过扭矩扳手将自复位柱脚的复合组合碟形弹簧压缩至设计初始预压力，并通过螺母固定。

在整个加载过程中的变形机制符合预期设计，钢柱在柱脚转动后主要呈现为刚体转动变形机制，加载至层间位移角为1/30时主体结构未发生屈服或屈曲（如图24a所示）。在层间位移角为1/30时的右侧梁端转动图和右侧柱脚转动图分别如图24b和图24c所示，与预期设计一致。由图24d~24f可知在加载至层间位移角1/30时，梁柱节点和柱脚没有发生屈服或屈曲，损伤与破坏集中在BRB处，震后BRB拆卸和更换非常方便。将阻尼器更换前后的滞回曲线进行对比分析，如图25所示。两次加载的滞回曲线吻合较好，初始刚度、转动后刚度、最大位移下的承载力和卸载刚度等力学性能指标基本一致，证明了该自复位摇摆钢框架有效实现了消能构件地震损伤可更换以及结构功能可恢复的设计目标。

图24  试验现象

图25  滞回曲线对比

自复位摇摆钢框架的柱脚和梁铰发生了明显的转动，如图26所示。 加载至最大位移时，主体结构无屈服和屈曲，损伤与耗能主要集中在可更换的BRB处。

           

模拟曲线与试验曲线总体吻合较好，均为典型的双旗帜形曲线， 如图27所示 ， 表明其自复位和耗能性能较好。

           

根据自复位钢框架的受力特性，建立了其恢复力模型， 如图28所示 。

           

建立的恢复力模型能够较好地反映自复位摇摆钢框架在低周反复荷载作用下的滞回性能，如 图29所示 。

图29  恢复力模型验证

课题组自主研发的自复位柱脚、梁柱节点及自复位钢框架结构施工安装方便，抗震性能和经济性较好，具有广阔的工程应用前景。自复位柱脚可在工业厂房排架结构、钢框架结构、悬臂式立杆（电线杆、广告牌柱子）等结构或构筑物中广泛应用；自复位梁柱节点可在钢框架结构或钢框架-核心筒混合结构中应用。目前，转动摩擦耗能节点已在某高层钢框架中成功应用，针对自复位钢框架的地震模拟振动台试验正在准备中。