新型PEC柱-钢梁BRS耗能部分自复位节点的抗震性能

方有珍，杨永龙，陈 赟，赵 凯，万财知

（1.苏州科技学院江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011；2.苏州中固建筑科技有限公司，江苏苏州215009）

新型PEC柱-钢梁BRS耗能部分自复位节点的抗震性能

方有珍1，杨永龙1，陈 赟2，赵 凯1，万财知1

（1.苏州科技学院江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011；2.苏州中固建筑科技有限公司，江苏苏州215009）

为研究采用预拉对穿螺栓的新型卷边PEC柱-钢梁BRS耗能板部分自复位连接中节点的抗震性能，对考虑PEC柱布置方式的2个试件进行了拟静力试验.结果表明：BRS板耗能部分自复位连接，通过BRS板屈服耗散地震能和预拉杆实现自复位功效，且整个加载过程中结构主要受力构件处在弹性状态；PEC柱的布置决定梁柱连接的刚度匹配，相应影响部分自复位节点受力性能发展进程和试件损伤分布规律；预拉对穿螺栓和预拉杆的设置促使节点域混凝土斜压带传力模式的形成，相应降低了对节点域钢结构腹板的抗剪要求；所有试件连接转角达到中震层间侧移角限值0.020 rad，残余转角均小于自复位残余转角限值为0.005 rad，即使层间侧移角超过大震层间侧移角限值0.035 rad，试件承载能力仍处于增长趋势，且梁端残余转角基本不超过0.010 rad.

新型PEC柱；BRS耗能；部分自复位连接；抗震性能；拟静力试验

建筑结构设计应保证建筑结构震后的残余变形在正常使用范围内，且保证结构主要受力构件不出现严重破坏，因而改善结构的抗震性能、降低震后修复成本，是实现结构预定性态设计目标的关键所在，由此促使了自复位结构的诞生.迄今为止，国内外在自复位结构方面进行了较为系统的研究.J.Ricles等［1-2］研究证实：钢管混凝土柱-宽翼缘梁设置顶底角钢作为耗能元件的预应力抗弯连接，具有较大的弹性刚度和极限承载能力、良好的延性性能和自复位功效.H.Chi［3］提出了自复位柱脚连接方式，通过试验研究发现：即使结构层间侧移达到5％，防屈曲钢板仍能发挥耗能作用，且震后结构残余变形极小.方有珍等［4-8］对新型PEC柱与相关节点进行的研究表明：新型PEC柱具有较大承载力和水平抗侧刚度、良好的抗震延性；预拉对穿螺栓有效地实现了节点区混凝土斜压带传力模式；节点加强板增强了对节点区混凝土的约束作用.因此，PEC柱不仅能满足自复位结构对竖向构件抗侧刚度与承载力的要求，也为预拉钢绞线锚固提供了可靠保障.

为了更好地实现结构自复位功能、耗能和结构安全冗余度三者的有机协调，课题组对现有自复位连接进行改进，提出新型卷边PEC柱-钢梁BRS板耗能部分自复位连接节点，并对其进行试验研究，揭示其抗震性能.

1 BRS板耗能部分自复位连接设计

1.1 设计思路

BRS板耗能部分自复位连接是遵循抗震性态设计而提出的一种新型连接形式.弯矩M与转角θ关系曲线如图1所示.由图1可知：外弯矩达到Ma之前，连接处梁端部与柱表面截面耗能件未脱开，BRS板、盖板与预拉杆共同受力；当连接弯矩在Ma与Mb之间时，梁端部一边翼缘进入消压状态；当连接弯矩达到Mb之后，梁消压翼缘与柱边接触面脱开，而BRS板与梁翼缘连接距PEC柱边近螺栓孔设置为一定规格的长圆孔，以保证连接在达到中震侧移角限值为0.020 rad时BRS板的伸缩变形需求，且保证结构主要构件处在弹性状态；当连接的弯矩达到Mc之后，BRS板距PEC柱边远螺栓孔与栓杆发生挤压，BRS板将被拉伸；连接弯矩达到Md时BRS板开始屈服.

图1 BRS板M-θ曲线

卸载过程中：①当BRS板屈服残余变形小于BRS板后孔与栓杆间距时，由于预拉杆回缩使得BRS板出现弹性恢复至Mf，随即梁继续滑移；当弯矩达到Mb时，梁端与柱翼缘接触，随后不断挤压闭合至卸载为0，见图1a.②当BRS板屈服残余变形大于BRS板后孔与栓杆间距时，预拉杆回缩使得BRS板出现弹性恢复至Mf；随即预拉杆继续回缩，当弯矩达到Mg时，BRS板后孔与栓杆出现反向挤压而产生压缩变形；当弯矩达到Mh时，则BRS板开始出现受压屈服至卸载为0，见图1b.当连接外弯矩使得BRS板前孔与栓杆产生挤压，连接转化为承压型受力模式，梁进一步发挥力学性能，且最后残余变形均不超过自复位残余转角限值0.005 rad的要求，从而更好实现自复位功效、耗能能力与结构安全冗余度有机统一的性能设计目标.

1.2 设计方法

假定梁在弯曲转动过程中梁截面以梁端翼缘与BRS板接触面外边缘交接点转动，则节点连接受力机理见图2.

图2 连接受力机理

BRS板部分自复位连接计算公式：

式中：Mb为梁端消压弯矩；Md为BRS板开始屈服时对应弯矩；ppt近似为预拉杆预拉力；Δppt为BRS板开始屈服时相应预拉杆拉力增量；hb为梁翼缘上下T形件腹板中心距离；ped为BRS摩擦与板屈服合力；Ept为预拉杆的弹性模量；Apt为高预拉杆的总面积；Δl1梁柱接触面脱开至BRS板开始屈服时梁的压缩量；Δl2为BRS板弹性伸长最大值；l为预拉杆长.

2 试 验

2.1 试 件

以实际层高为3.6 m的框架2层中节点为研究对象，提取与之相连的上下柱与左右梁反弯点处之间子结构为试件原型，考虑设计参数为柱布置方式，按照1∶1.6缩尺制作2个试件.钢柱采用Q235卷边钢板（钢板厚度t=6 mm）焊接组合截面，钢梁为Q345的I25a工字钢；T形BRS板采用Q235钢板手工焊加工，且T形BRS板与PEC柱采用10.9级 M20对穿高强螺栓连接；自复位预拉杆采用10.9级长螺杆；混凝土强度为C30.SYJ1均为PEC柱强轴与钢梁连接，SYJ2柱为PEC柱弱轴与梁连接.钢板材性：fy=294 N·mm-2，fu=414 N·mm-2，δ=22.8％；I25a工字钢材性：fy=356 N·mm-2，fu=526 N· mm-2，δ=18.0％；混凝土实测强度平均值fm=33.5 N·mm-2.

2.2 方 案

2.2.1 测点布置

位移计布置见图3.图中位移计1，2和3用于测量试件侧移量；位移计4和5测试整个连接转动变形；位移计6和7测试节点梁端转动变形；位移计8和9用于测量节点区剪切变形.

图3 测试仪表与应变片布置

2.2.2 加载设备与加载制度

制作了6个平面铰支座，以保证试件边界条件与实际受力状况基本吻合.试验在苏州科技学院江苏省结构工程重点实验室液压伺服系统+四连杆加载架上采用柱顶位移加载方式进行.各试件首先进行预加载，以检查试验仪表是否正常工作；随后正式加载以5 mm为初始加载级，前4级按5 mm递增，第5级加载为27 mm，随后依次按9 mm递增，每级荷载为3个循环以保证获取稳定的试验数据；试验以层间侧移角达到大震层间侧移限制0.035 rad或梁端转角超过中震层间侧翼限值0.020 rad作为结束的标志.

3 现象描述

试验现象如图4所示.加载初期，由于预拉杆预应力分别将PEC柱与梁、盖板和BRS板紧密接触，以致钢梁在外界荷载作用下一直处于消压状态，且所有构件基本处于弹性状态，初始刚度较大，卸载至0时，连接实现了弹性变形恢复而完全复位.当加载至位移27 mm时，柱顶水平力增大，连接克服预紧力提供的消压弯矩，梁端与BRS板接触面开始脱开（图4a）；卸载至0时，钢梁在预拉杆作用下，基本复位，残余变形极小.随着加载增大，BRS板后孔与螺杆接触挤压，BRS板拉伸变形不断增大，梁端与BRS板脱开现象明显（图4b）；卸载至0时，SYJ1仍实现了基本复位，残余变形极小，SYJ2由于PEC柱弱轴布置，柱抗侧刚度偏弱引起过大的自身变形，导致连接自复位效果减弱.SYJ1和SYJ2分别加载至位移90 mm和99 mm试验结束，对应层间侧移角与连接转角均超过大震层间侧移限值要求.

图4 试验现象

4 结果与分析

4.1 滞回曲线

4.1.1 梁端弯矩与层间侧移角关系曲线

试件为中节点，则梁端弯矩M=p×H/2，实测层间侧移角θ1=Δ1/h，其中p为柱顶水平荷载，Δ1为位移表实测数据ΔDT2-ΔDT3，H为试件柱上下支座转轴间距，h为柱下部铰支座转轴到柱顶端板距离（图2）.通过试验数据处理得到梁端弯矩与层间侧移角M-θ1滞回曲线如图5所示.由图5可知：SYJ1位移加载至81 mm级的第1个循环时，正向实测计算层间侧移角为0.042 4 rad，最大承载力为128.21 kN·m；负向实测计算层间侧移角0.041 8 rad，最大承载力109.20 kN·m.SYJ2位移加载至99 mm级的第1个循环时，正向实测计算层间侧移角0.046 7 rad，最大承载力128.70 kN·m；负向实测计算层间侧移角0.044 9 rad，最大承载力123.14 kN·m.此外，所有试件在荷载较小时，节点转动变形主要来自于预拉杆弹性变形，梁端处于消压状态，连接基本复位；采用PEC柱强轴与钢梁连接的试件能更好满足强柱弱梁的抗震要求，以致加载后期预拉杆自复位作用发挥明显；SYJ2采用PEC柱弱轴与梁连接，柱本身抗侧刚度偏弱造成其加载过程中自身变形较大，使得自复位连接发挥作用滞后，相应预拉杆自复位功效降低.

图5 M-θ1滞回曲线

4.1.2 梁端弯矩与节点转角和连接转角关系曲线

根据位移计DT4，DT5，DT6与DT7实测数据进一步整理（节点转角θ2=Δ2/h′，连接转角θ3=Δ3/ h″，其中Δ2=ΔDT4-ΔDT5；Δ3=ΔDT6-ΔDT7；h′为DT4与DT5之间距离；h″为DT6与DT7之间距离），得到了试件M-θ3滞回曲线，如图6所示.

图6 M-θ3滞回曲线

图6分析显示：加载初期，所有试件梁端首先进入消压状态，梁端与PEC柱接触未脱开.随着加载的继续，试件梁端部分翼缘消压完成，BRS板端部与柱脱开并开始受拉，随后BRS耗能板出现受拉屈服耗能.SYJ2采取PEC柱弱轴布置，以致PEC柱的抗侧刚度偏弱，相应延缓了自复位BRS耗能板连接的屈服耗能进程.试件加载至中震层间侧移限值0.020 0 rad［9-10］时，梁端卸载残余转角均布不大于自复位残余转角限值0.005 0 rad；继续加载至试验结束，试件层间侧移角均超过大震层间侧移限值0.003 5 rad，而其承载能力仍呈增大趋势，且梁端卸载残余转角不大于0.010 0 rad，则表明该连接形式具有良好的转动能力、耗能能力、自复位功效和抗倒塌性能.

4.2 残余变形

结构承受外界作用产生的残余变形是其损伤的外在表现，也是反映自复位结构自复位功效的重要指标.为此，根据试验实测数据对试件残余变形分布变化规律进行分析，计算结果见图7，其中θ为残余转角.

图7 残余变形发展规律

由图7可知：加载初期，梁端在外载作用下的受拉翼缘处于消压状态，梁与BRS耗能板均处于弹性状态；随着荷载增大，梁端消压完成，而与PEC柱接触面脱开，随即BRS耗能板开始受拉弹性变形，参与转角仍很小；随着加载的继续，BRS耗能板开始出现受拉屈服耗能，同时BRS耗能板T形翼缘出现面外变形，试件层间残余侧移角、节点残余转角和梁端残余转角明显增大.整个加载过程中，PEC柱强轴布置SYJ1的3种残余转角值基本满足自复位残余转角限值0.005 rad；PEC柱弱轴布置SYJ2的3种残余转角，由于PEC柱刚度偏弱，其中层间侧移角和节点转角残余值超过自复位残余转角限值0.005 rad，但不大于0.010 rad，且连接小于自复位残余转角限值0.005 rad，表明BRS板耗能部分的自复位连接较好地实现了屈服耗能与部分自复位的有机统一.

4.3 耗 能

结构耗能是评价结构抗震延性性能的重要指标之一.试验部分自复位连接中节点试件主要利用BRS辅助耗能件屈服耗散地震能，为此对试件耗能变化规律加以分析.其中耗能为滞回环所包的面积（即绝对耗能值），且每个位移加载级取3个滞回环面积平均值，计算结果见图8.

图8 滞回耗能变化规律

由图8可知：SYJ2与SYJ1的总体耗能差异随外加载增大而加大，主要是由于PEC柱刚度的变化导致其本身参与耗能比重变化的结果，进一步表明PEC柱布置方式决定梁柱刚度匹配，从而影响试件的受力损伤进程.

5 节点传力机理

试件预拉对穿螺栓和预拉杆将梁截面受拉部分的拉力转化为另一侧梁端对节点域的压力，使节点域混凝土形成斜压带传力模式，充分发挥了节点区混凝土抗压性能优势，从而增强了节点区剪切能力，相应增大了节点刚度，节点传力机理见图9.

图9 节点域传力机理

6 结 论

1）BRS耗能板部分自复位连接，通过设置预拉杆保证其连接承载力与自复位功效和辅助BRS耗能板，实现耗散地震能的需求，且保证了结构主要受力构件在整个加载过程中处于弹性状态，充分实现了自复位功效与耗能能力有机统一的设计目标.

2）BRS耗能板部分自复位连接，采用预拉对穿螺栓和高强预拉杆连接，可将梁端受拉部分的拉力转化为对节点域的压力，有效实现节点域混凝土压力带传力模式，充分发挥了混凝土的抗压性能，更好地满足了强节点的抗震需求.

3）PEC柱布置决定梁柱连接的刚度匹配，影响节点连接力学性能发展进程和变形分布模式.

4）试件在连接转角达到中震层间侧移角限值0.020 rad前，残余转角基本满足残余限值0.005 rad的要求；在超过中震层间侧移角限值0.020 rad时，试件承载能力仍处于增长趋势，且梁端残余转角仍不超过0.010 rad，连接具有良好的转动能力、耗能性能、自复位功效和抗倒塌性能.

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［10］FEMA 356 Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings［S］.Washington：Federal Emergency Management Agency，2000.

（责任编辑 赵 鸥）

Seismic performance of novel PEC column-steel beam interior joint with partial post-tensioned BRS energy-dissipation connection

Fang Youzhen1，Yang Yonglong1，Chen Yun2，Zhao Kai1，Wan Caizhi1
（1.Jiangsu Key Laboratory of Structure Engineering，University of Science and Technology of Suzhou，Suzhou，Jiangsu 215011，China；2.Suzhou Zhonggu Building Technology Co.，Ltd.，Suzhou，Jiangsu 215009，China）

To investigate seismic performance of the interior joint of novel PEC column-steel beam with partial post-tensioned BRS energy-dissipation connection，column layout was taken into consideration to design 2 large size specimens，and the testswere conducted under quasi-static cyclic lateral loading.The results show that the post-tensioned bars can provide restoring force to reduce residual driftwithmitigated structural damage process，while BRS energy-dissipation plates can be used to dissipate earthquake energy with reduced structural response.The stiffness distribution of column-beam is determined by PEC column layout to affect the mechanical process of connection and the damage pattern of the specimens. The force-transfermechanism of concrete equivalent strut in the panel zone is formed by pre-tensioned penetrating bolts and post-tensioned bars，which correspondingly alleviates shear demand of steel web. All residual rotations of specimens are less than 0.005 rad when interstory drift reaches the limitof0.020rad of frame structure at design basis earthquake level.All residual rotations of specimens are still less than 0.010 rad when interstory drift ismore than the limit of 0.035 rad of frame structure atmaximum earthquake level.

innovative PEC column；BRS yield energy-dissipation；partial self-centering connection；seismic performance；quasi-static test

TU398

A

1671-7775（2015）05-0598-06

方有珍，杨永龙，陈 赟，等.新型PEC柱-钢梁BRS耗能部分自复位节点的抗震性能［J］.江苏大学学报：自然科学版，2015，36（5）：598-603.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.05.019

2014-09-28

国家自然科学基金资助项目（51478286，51078247）；江苏省自然科学基金资助项目（BK2009558）；江苏省结构重点实验室开放基金资助项目（ZD0905）；江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人资助计划项目（2014）；江苏省高校首批优秀中青年教师出国研修计划项目（2011）

方有珍（1972—），男，安徽望江人，教授（Fyz72@mail.usts.edu.cn），主要从事钢结构与组合结构的研究.

杨永龙（1988—），男，江苏泗阳人，硕士研究生（635187167@qq.com），主要从事钢结构与组合结构的研究.