同济大学李国强教授为您解读半刚性可更换消能高强钢柱脚抗震性能试验研究

高强度钢材具备更高的强质比，在工程结构中应用高强度钢材可以减少材料用量，减轻结构自重，减少碳排放，助力我国实现“碳达峰”“碳中和”目标，且高强度钢材单位强度相对价格更低，具备经济优势（图1）。但随着屈服强度的提高，钢材的延性变差（图2），且在循环荷载作用下的材料强度也从“循环强化”逐渐转变为“循环软化”。可见，高强度钢材构件在地震作用下可能会过早地出现性能退化，对结构抗震不利。

在地震区应用高强钢结构的典型方案是“强柱弱梁”框架,即分别采用高强钢和普通钢形成强柱和弱梁。然而，在强震作用下，首层柱底端在轴力弯矩复合作用下仍无法避免出现塑性铰，在震后难以修复(图3)。由于材料疲劳断裂或截面局部屈曲，高强钢柱转动能力不足且无法形成稳定塑性铰，典型破坏模式如图4所示。因此，如何保证首层柱底端不屈服同时提供一定的抗弯能力，是推动高强钢结构应用的关键。

为了解决上述问题，课题组提出半刚性可更换消能高强钢柱脚节点构造。在土木工程防灾国家重点实验室基金项目（SLDRCE 19-A-07）的资助下，通过试验研究验证了方案的可行性。

传统外露式刚接柱脚节点底板与基础贴合，节点刚性大，转动能力有限，因此柱截面转动能力需求较大。为了提升柱脚节点转动能力，提出一种带有可更换部件的节点构造，如图5所示。在该柱脚节点中，柱底板与基础混凝土分离，能够提升柱脚节点的转动能力。

柱脚节点的受力机理如图6所示。柱脚节点可分为两大构造系统，即摇摆支座系统与锚杆-底板耗能系统。摇摆支座系统主要由圆柱形支座与带圆柱形内凹槽的矩形底座组成，承担绝大部分的竖向荷载与水平剪力。锚杆-底板耗能系统主要由锚杆、柱端底板、可更换耗能板及盖板组成，主要承担上部结构传递来的弯矩作用，并通过耗能板的面外弯曲变形耗散地震能量。耗能板与底板和盖板通过对拉螺栓进行紧固，使耗能板能够拆卸更换；锚杆与耗能板通过上下双侧螺母连接，使耗能板能够承受往复荷载作用。

为验证节点构造的可行性，以某典型高强钢框架首层柱节点为研究对象，设计了2个足尺柱脚节点试件。柱截面规格为□400×400×20，柱高840 mm。影响柱脚节点抗震性能的因素之一是盖板与底板的缺口形状。因此，试验中设计的两个试件仅盖板与底板的缺口形状不同，分别为梯形缺口与圆形缺口（图7），其余尺寸均一致。为了研究耗能板厚度对柱脚节点抗震性能的影响，同时验证节点的震后修复性能，制作了厚度分别为12 mm和16 mm的耗能板。在对耗能板厚度12 mm的无损试件进行加载后，更换为厚度16 mm 耗能板并形成修复试件，重新进行加载。

试验加载装置如图8所示，通过200 t作动器施加往复水平力，通过500 t千斤顶施加跟动轴压力，轴压比保持为0.23。水平作动器通过位移控制加载，定义加载点的水平位移与距圆柱形支座上表面的垂直距离之比为层间转角 θ ，加载层间位移角幅值由1/300递增至1/20。加载过程中，耗能板的变形模式如图9所示。

4.1 破坏模式

试验完成后，高强钢柱身未见损伤，仅在翼缘侧的耗能板上观测到明显裂缝，试验厚度12 mm的耗能板损伤及变形如图10所示。由于翼缘侧耗能板距节点转动中心更远，因此变形更大，损伤较为明显，在支撑边界上出现明显裂缝；而腹板侧耗能板试验后观察到的损伤较小，仅有轻微压痕，未有裂缝产生。对比梯形缺口试件与圆形缺口试件发现，梯形缺口试件裂缝开展程度明显高于圆形缺口试件，且主要集中于梯形的短边侧，这是因为梯形缺口形状不规则，更易造成应力集中。因此，实际使用中推荐采用圆形缺口。

4.2 滞回性能

典型梯形缺口试件Z1t12及圆形缺口试件Z2t12的 荷载 - 转角 （ F - Φ ）滞回曲线如图11所示，可以发现，所提出的柱脚节点具备一定的耗能能力，滞回曲线整体呈“弓”形，同时由于摇摆支座的原因，节点具备一定自复位能力，残余变形有所减少。在层间位移角不超过1/30时，各柱脚节点试件在给定变形幅值下的滞回曲线基本重合，无显著的软硬化现象。当层间位移角继续增加时，耗能板厚为12 mm的试件出现承载力衰退现象，且对比不同缺口试件发现，圆形缺口试件承载力衰退更小。在加载过程中，板厚16 mm的试件承载力未出现衰减。

4.3 骨架曲线

试件骨架曲线见图12，对比四组骨架曲线发现：

1) 梯形缺口试件Z1t12 与圆形缺口试件 Z2t12在各级位移角幅值下峰值荷载基本一致，但前者的峰值荷载退化早于后者。主要是因为梯形缺口边界的不连续性加剧了耗能板钢材裂纹拓展，降低了其疲劳性能。

2) 当层间位移角较大时，修复后试件的峰值荷载得到提高，但当层间位移角较小时，其峰值荷载低于初始柱脚节点的。这是首次试验后节点内部存在不同程度的局部变形所致。

4.3 刚度演化

采用准弹性刚度来综合评价柱脚节点的刚度与损伤发展情况，具体确定方法及试验提取数据的演化规律如图13所示，其本质为转角-荷载曲线弹性段切线刚度的近似值。总体上，柱脚节点的准弹性刚度随位移幅值的增加而迅速衰减，最后趋于稳定。随耗能板厚度增加，柱脚节点准弹性刚度稳定值增加，随加载位移幅值增加，梯形开口试件的准弹性刚度衰退速率大于圆形开口试件的。

4.4 耗能能力

柱脚节点的耗能由可更换耗能板提供，试件在层间位移角超过1/75之前能量耗散较小，约为整个加载过程总耗能的2%，此时柱脚节点仅有轻微的塑性变形。随耗能板厚度增加，柱脚节点的耗能能力增加。试件等效黏滞阻尼系数发展曲线如图14所示。当位移角超过1/100时，等效黏滞阻尼系数大于0.1。

4.5 应变发展

试验过程中，不同试件的应变时程基本类似，选取应变发展较大的试件Z1t16为例进行说明，不同测点应变发展曲线见图15，图中以受拉为正，受压为负。通过柱应变发展曲线可知，在竖向压力作用下柱压应变首先增大，随后在水平荷载作用下，柱应变往复变化。柱最大压应变小于屈服应变，可认为在过程中柱始终保持弹性。竖向荷载作用下，耗能板上表面拉应变首先增大；加载平面外，耗能板应变较小，试验中钢板未超过屈服应变，板件保持为弹性状态；加载平面内，耗能板塑性应变较大，在层间位移角达到1/100时，超过钢材弹性应变，整个加载过程中最大应变为15.9×10 ^-3 。

1) 所提出的柱脚节点具备一定的刚度、承载力和耗能能力。柱脚节点在发生往复转动时，所有塑性变形均集中于耗能板，损坏后的耗能板可以方便进行更换。

2) 耗能板厚与缺口形状对半刚性可更换消能高强钢柱脚的抗震性能与疲劳性能具有显著影响。实际使用建议采用边界过渡平缓的缺口形式，耗能板厚不宜过小。

3) 承受单向弯矩作用时，仅平面内耗能板提供承载力与耗能能力。柱脚节点在双向弯矩作用下的抗震性能有待于进一步验证。

参考文献：

[1] 李国强，王彦博，陈素文，等. 高强度结构钢研究现状及其在抗震设防区应用问题[J]. 建筑结构学报,2013,34(1):1-13.