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专家解读青岛理工大学张纪刚教授为您解读装配式人工消能塑性铰节点抗震性能

发布于：2021-05-08 13:59:08 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

专家解读

为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果，反映相关研究发展动态和趋势，推动学术交流，《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性，研究成果具有创新性和实用性，研究方法具有可借鉴意义的优秀成果，由作者介绍研究背景，深入解读其创新成果及研究过程。 本期特邀 青岛理工大学 张纪刚教授，为您解读装配式人工消能塑性铰节点抗震性能。

装配式人工消能塑性铰节点抗震性能试验研究

研究背景

预制装配式建筑具有绿色高效建造、环保节能减排等特点，是符合绿色可持续发展要求的新型建筑，也是实现建筑产业现代化的重要抓手。2020年，全国31个省市新开工的装配式建筑达6.3亿平方米，占新建建筑面积的比例约为20.5%。

装配式混凝土框架结构具有空间布置灵活，运输、安装效率高等优势，是应用最为广泛的装配式结构形式之一。但是，历次震害均表明，装配式混凝土框架节点区域及连接部分始终是结构中的薄弱环节，且纯框架结构在地震作用下易出现“强梁弱柱”的层屈服机制。因此，发展装配式混凝土框架结构，应重视发展适应装配式特点的混凝土框架抗震结构体系和构造方法，在实现装配式混凝土结构“等同现浇”的基本要求下，力求突破“等同现浇”，在抗震性能上实现“超越现浇”，同时兼具高效装配施工。

为此，课题组在国家重点研发计划项目（2017YFC0703600）资助下，提出一种适应装配化施工特点的新型消能减震结构体系， 装配式人工消能塑性铰RC框架-摇摆墙结构体系（artificial dissipative plastic hinge-rocking wall，ADPH-RW） ^[1] ，见图1，旨在发挥装配式建筑高效建造等优点的同时，提高结构的抗震性能。通过人工消能塑性铰和摇摆墙，优化框架结构的变形模式，使得装配式混凝土框架结构具有高耗能、低损伤等优点。

图1 装配式人工消能塑性铰RC框架-摇摆墙结构体系

研究过程

围绕上述结构体系，课题组采用试验研究、数值模拟和理论分析等方法，由构件至结构整体，从构造 ^[2] 、节点 ^[3] 、框架、体系 ^[4-5] 四个层面，系统地对装配式人工消能塑性铰框架-摇摆墙结构的抗震性能进行研究，相关试验及数值研究如图2所示。

图2 装配式人工消能塑性铰RC框架-摇摆墙结构体系相关研究

2.1 节点层面

发表在《建筑结构学报》2021年第7期的论文《装配式人工消能塑性铰节点抗震性能试验研究》详细介绍了装配式人工消能塑性铰框架-摇摆墙结构体系在节点层面的研究，文中设计并制作了2个人工消能塑性铰（ADPH）装配式钢筋混凝土框架边节点试件，一个试件是通过预埋加劲钢板连接机械铰的框架节点，如图3a所示，另一个试件是通过预埋钢骨连接机械铰的框架节点，如图3b所示，同时制作了1个现浇钢筋混凝土框架边节点试件作对比研究。

图3 装配式人工消能塑性铰节点

人工消能塑性铰的梁端受力分析如图4所示，人工消能塑性铰的转动是通过附加耗能钢板中段弯曲变形实现，因而将附加耗能钢板中段的截面屈服弯矩作为人工消能塑性铰的设计屈服承载力，如图5所示。

图4 梁端受力分析

图5 承载力设计

装配式人工消能塑性铰框架节点的拟静力试验在青岛理工大学结构实验室进行，试验装置如图6所示。

图6 节点试验加载

依据3个框架节点试件的试验现象和破坏特征分析，以及试件的滞回曲线、骨架曲线、延性、应变、耗能能力及刚度退化等研究节点的抗震性能，并验证框架节点塑性铰外移及损伤控制的机制，图7为节点试验各试件的破坏模式。

图7 装配式人工消能塑性铰节点试验现象

试验结果表明：人工消能塑性铰框架节点可将塑性损伤控制在附加耗能钢板中间开缝段位置，避免了节点核心区域的损伤，其破坏模式为附加耗能钢板中部开缝段在往复拉、压过程中的严重屈曲及轻微撕裂；人工消能塑性铰框架节点相较于现浇RC框架节点，极限承载能力提高约30%以上，延性提高28%以上，滞回曲线相对饱满，耗能能力增强，刚度退化速度较慢；卷边加劲的附加耗能钢板屈曲后仍具有一定刚度及强度，但过早屈曲易导致加载过程中出现两侧附加耗能钢板均处在受弯的状态，产生滑移，导致滞回曲线不饱满，降低耗能效率。

使用ABAQUS软件建立了多尺度节点模型（图8a），以及OpenSEES纤维截面节点模型（图8b），对试验进行数值模拟校核，模拟结果与试验结果均吻合较好。并在有限元参数分析中，引入了人工消能塑性铰截面屈服弯矩降低系数 γ ，模拟分析结果表明， γ 近似取在0.75至0.85范围内时，可使得该框架节点最大限度发挥附加耗能钢板的耗能能力，并控制非耗能构件的塑性损伤。

图8 装配式人工消能塑性铰节点模型

2.2 框架层面

在上述试验研究基础上，课题组分别设计制作了装有人工消能塑性铰的装配式框架结构模型试件和框架-摇摆墙结构模型试件，进行了拟静力试验研究，如图9所示。结果表明，所设计试件的破坏模式均实现预期的“完全梁铰”破坏机制，塑性损伤集中发生在各层梁端的人工消能塑性铰处、装配式柱脚的耗能钢片处以及摇摆墙与框架间的连梁处，而传统节点区域仅轻微损伤。人工消能塑性铰框架及框架-摇摆墙结构均具有良好的延性，变形能力强，同时具备良好的整体性。试件的延性系数均大于4.0，具有良好的延性，试件的峰值荷载对应的位移角均超过1/25，极限位移角均超过1/20。

图9 装配式人工消能塑性铰框架-摇摆墙模型试验

采用ABAQUS建立的有限元框架模型，如图10所示。有限元模型在试件变形模式、破坏模式、滞回曲线、裂缝发展以及应变等方面与试验结果吻合较好；采用OpenSEES软件建立的简化模型同样具有较好的模拟效果，且计算效率显著提升，如图11所示。

图10 ABAQUS多尺度框架-摇摆墙模型

图11 OpenSEES纤维截面框架-摇摆墙模型

2.3 体系层面

在人工消能塑性铰框架节点试验、框架试验及相应有限元模拟的研究基础上，课题组采用OpenSEES软件参照规范建立了6层装配式人工消能塑性铰框架-摇摆墙（ADPH-RW）结构模型，如图12所示。

图12 OpenSEES结构模型

通过非线性动力时程分析，选用24条天然地震波对结构模型进行双向地震作用下弹塑性响应分析，图13为选用地震波频谱分析。图14为模型峰值变形云图，可见，ADPH-RW结构楼层变形更为均匀，具有良好的屈服机制，在大震作用下结构的屈服机制为理想的“完全梁铰”机制，避免了薄弱层的产生。同时，ADPH-RW结构的最大层间位移角显著减小，如图15和图16所示，可见，ADPH-RW结构损伤变形集中在人工消能塑性铰附加耗能钢板处，有效减少梁、柱、节点等构件的损伤，梁、柱等构件的损伤程度为无损伤或轻微损伤，可实现损伤控制。