带可更换抗侧耗能装置的装配式钢框架结构静力性能研究

姜子钦, 杨晓峰, 张爱林,3, 陈 鑫, 康轶涛

(1.北京工业大学建筑工程学院， 北京 100124;2.北京工业大学北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心， 北京 100124;3.北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心， 北京 100044)

可恢复功能结构摒弃单一追求结构抗倒塌能力的传统设计理念，转变成兼顾结构抗倒塌能力且损伤可控、震后可修、结构可恢复的设计理念，要求主体构件在地震中无损伤或轻微损伤，塑性损伤主要集中在易于更换的耗能元件上，震后只需更换或修复损伤元件即可恢复结构的正常使用功能.如今大力发展的装配式钢结构具有易拆装的优势，十分有利于可恢复功能设计理念在其中的实现.然而若没有合理的理论支撑和技术指导，装配式钢结构建筑在地震作用下仍会发生区域内的整体破坏，导致体系内主体构件发生不同程度的塑性损伤，不易实现结构的震后修复.这使得装配式钢结构建筑的震后修复与其他传统建筑结构无异，装配式钢结构易拆装的优势在震后可恢复功能领域无法进一步发挥[1-4].因此，亟需研发一种具有可恢复功能的装配式钢框架结构，通过合理设计使结构中的塑性损伤主要集中在易于更换的耗能元件上，震后只需更换耗能元件即可实现结构功能的快速恢复，充分发挥装配式钢结构建筑的优越性.

国内外学者对震后可恢复结构开展了一系列研究.Oh等[5]将一种带缝钢板阻尼器引入到钢框架体系中，研究表明，带缝钢板阻尼器可以增加体系耗能与损伤控制能力，保证主体构件始终处于弹性状态，易于震后修复.贾明明等[6]提出一种摇摆桁架- 钢框架结构体系，并对其设计方法和需求刚度比的建议取值进行了相关探索，对整个体系的耗能能力及延性指标进行分析，研究了体系中塑性铰形成过程及失效模式.Zhang等[7]提出一种中间柱设置摩擦阻尼器的自复位钢框架体系，通过试验分析该框架结构整体抗震性能，研究表明，阻尼器可以消耗较多能量从而抑制主体构件的塑性发展，该钢框架体系震后残余变形较小，表现出良好的自复位效果.Castiglioni等[8]研发了一种设置耗能元件的抗震组合钢框架结构，旨将结构在强震作用下的损坏全部集中于损伤元件上，修复工作仅限于更换损伤元件而框架主体构件无须修复.Zhang等[9-10]、Jiang等[11]提出一类可恢复功能的装配式钢结构梁柱节点，研究表明，通过合理设计翼缘盖板厚度及中间螺栓间距，可将塑性损伤控制在可更换的翼缘盖板上，易于节点震后修复.Hou等[12]将形状记忆合金材料加入到中心支撑自复位钢框架中，重点研究形状记忆合金材料类型及磁滞特性对该钢框架地震行为的影响，研究表明，通过合理设计的自复位钢框架结构在控制峰值位移及消除残余变形方面表现优良，所有类型的形状记忆合金均能使该框架满足既定性能目标.Dubina等[13]用齐平端板及螺栓将偏心支撑框架与可拆卸连梁连接组成双重结构配置，高强钢用于外部构件，以此将塑性损伤集中到可拆卸连梁上，减少框架结构的残余位移，增强整体抗震性能.Lü等[14]对一种自复位框架结构进行振动台试验，研究表明，预应力筋可有效将震中抬升的柱脚复位，且无残余变形，具备良好的自复位性能.Mansour等[15]设计了一种可更换剪切连接件的钢偏心支撑框架，研究表明该连接具有良好的延展性和现场可更换性.陈以一等[16]提出一种适用于抗弯钢框架的可更换组合梁连接构造，通过一系列试验验证在地震作用下，该构造将损伤集中于钢梁翼缘处的可更换角钢，便于震后更换.王先铁等[17]提出一种外张拉式自复位方钢管混凝土柱脚节点，研究表明，该柱脚节点完全遵循自复位柱脚的工作原理，能够实现铰接机制，具备良好的自复位能力，该自复位柱脚的耗能集中于可更换的防屈曲钢板及盖板，可实现震后的快速修复.刘阳等[18]提出一种在柱脚处设置可更换消能件的震损可更换组合柱，试验研究表明，该柱脚受损伤的消能部件可实现原位更换，且更换前后柱脚均具有良好的抗震性能.Fang等[19]在传统端板连接中引入形状记忆合金(shape memory alloys, SMA)螺栓，使得试件具有良好回缩能力和中等耗能能力，并通过数值模型和试验结果对该结论进行验证.

基于上述内容，本文提出一种带可更换抗侧耗能装置的装配式铰接钢框架结构.通过设置附加抗侧耗能装置的柱脚节点及削弱型翼缘连接盖板等构造将框架结构内的塑性损伤转移至可更换的耗能元件上，震后只需更换耗能元件即可恢复结构的使用功能.本文首先对该钢框架结构的受力机理开展研究，分析钢框架体系内力流传递路径，提出结构的合理失效顺序，建立相应失效准则；而后对该装配式铰接钢框架结构与对应刚接框架及对应纯铰接框架分别进行对比分析；最后进行变参数分析，着重讨论抗侧剪切件截面宽度厚度及高度、节点板连系螺栓数量、柱脚横梁刚度及柱轴压比等参数对该装配式钢框架结构力学性能的影响.

1 构造及数值模型建立

1.1 框架设计

本文提出的装配式铰接钢框架结构具体形式如图1所示，主体部件包括方钢管柱、悬臂梁段、普通工字梁段、两梁段间连接装置以及柱脚抗侧耗能装置等.本钢框架结构采用变截面的方钢管柱，上、下柱截面均为300 mm×12 mm，中柱加厚段截面为300 mm×16 mm，三段方钢管柱总长3 200 mm.在方钢管柱内与悬臂梁翼缘和柱脚横梁翼缘相对应的位置分别加设内环板，以此减轻方钢管柱损伤程度.普通梁段采用截面为300 mm×200 mm×6 mm×12 mm的工字型钢，长度为2 600 mm.与柱子相连的悬臂梁为钢框架受力较大处，为确保其处于弹性状态而进行加强，采用截面为300 mm×200 mm×12 mm×24 mm的工字型钢，其长度即方钢管柱中心至悬臂梁端部的距离为800 mm.为减轻普通梁段受力转动时螺栓挤压而对主体构件产生的局部损伤，在悬臂梁翼缘上的螺栓孔全部采用沿梁长方向的长圆形，梁腹板上中心螺孔为圆形，上下螺孔为长圆形.框架内梁柱节点构造与课题组先前所研究的节点构造[4]相同，即通过外置翼缘连接盖板、腹板剪切板及高强螺栓连接2个梁段，其中翼缘连接盖板采用狗骨削弱及降低板件材性的方式，以此将结构中的塑性铰转移至翼缘连接盖板上，避免框架梁塑性损伤.框架内柱脚节点由铰接方钢管柱、抗侧耗能装置及高强螺栓组成，其中抗侧耗能装置由节点板、柱脚横梁及抗侧剪切件焊接而成.柱脚横梁由一小段工字型钢梁与3块加劲肋组成，柱脚横梁规格为240 mm×150 mm×20 mm×20 mm的工字型梁，横梁加劲肋布置于抗侧耗能装置两侧边对应位置，确保横梁正常传力.抗侧剪切件采用160 mm×20 mm×1 000 mm的3块钢板组合而成，板件间距为20 mm，两侧各焊接5块均匀排布的缀板.通过柱底铰接和附加抗侧耗能装置2种措施，柱脚节点将塑性损伤集中于易于更换的抗侧耗能装置上，震后只需更换损伤部件即可实现节点的功能恢复，从而使柱脚节点兼具承载、耗能、震后可修复等功能.本钢框架各部件其他细节尺寸如图2所示.

图1 装配式钢框架结构形式Fig.1 Prefabricated steel frame structure

图2 装配式钢框架尺寸Fig.2 Dimension of prefabricated steel frame

1.2 模型建立

采用大型通用有限元分析软件ABAQUS建立本装配式钢框架的数值模型[20]，单元类型选择三维实体C3D8R单元模拟.为减小网格离散化影响及考虑板件局部屈曲等问题，对钢框架受力较大部位及关键板件进行网格局部加密处理，有限元模型及网格划分情况如图3所示.柱脚抗侧剪切件及翼缘连接盖板屈服强度设为235 MPa，其余板件均设为345 MPa，材料本构采用考虑塑性后强化的双折线模型，强化段斜率设为弹性模量的0.02倍，见表1.模型内所有螺栓均选用10.9级M24高强摩擦型螺栓，并施加225 kN的螺栓预紧力[21].对方钢管柱、螺栓帽头、柱脚抗侧耗能装置、悬臂梁段、翼缘连接盖板、普通梁段等相接触的板件之间建立摩擦约束，摩擦因数取为0.45；对上、中、下方钢管柱之间，以及悬臂梁段与方钢管柱之间等建立绑定约束.对两端方钢管柱底设置铰接约束，柱脚抗侧耗能装置下端设置刚性约束，方钢管柱顶端部加载端设置刚性垫块以施加90.0 mm的位移约束(层间转角0.03 rad)来实现框架梁端静力加载模拟，并在柱顶施加恒定轴压比.此外，为防止钢框架发生平面外变形，对方钢管柱及普通工字梁设置面外约束.

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

表1 板件材性参数

2 受力性能分析

2.1 受力机理研究

由于本装配式钢框架结构与传统钢框架结构相比梁柱节点域构造及柱脚节点处构造有所差异，故其力流传递路径亦存在不同.本装配式钢框架结构传力路径(以弯矩传递为例)为悬臂梁截面弯矩通过高强螺栓传递至翼缘连接盖板上，此时翼缘连接盖板主要承受轴向力，高强螺栓主要承受剪力，后经高强螺栓传递至普通梁段上，普通梁段绕中心转动，继续经高强螺栓传递至翼缘连接盖板、悬臂梁段、框架柱；方钢管柱弯矩通过节点板及高强螺栓传递给柱脚横梁，柱脚横梁传递给抗侧剪切件，此时抗侧剪切件处于压、弯、剪受力状态，且由于方钢管柱底部铰接释放柱底弯矩，与抗侧剪切件对应的下柱段几乎无弯矩作用.

本装配式钢框架结构受力较为合理，通过柱底铰接及设置柱脚抗侧耗能装置等构造使竖向轴力主要由方钢管柱承担，柱弯矩及剪力则主要由抗侧耗能装置承担，改善柱内力分布，保护框架柱免受塑性损伤，且遵循抗侧刚度分离的设计理念.通过框架梁分段、设置削弱型翼缘连接盖板及加强悬臂梁段刚度等构造将塑性铰转移至可更换的翼缘连接盖板处，保护框架梁免受损伤.

综合上述措施可将钢框架体系内的塑性损伤集中在翼缘连接盖板、柱脚抗侧耗能装置等易于更换的耗能元件上，使梁、柱等主体构件基本处于弹性状态，震后只需更换耗能元件即可实现结构功能的快速恢复.

通过有限元模拟分析本装配式钢框架结构内各部件的塑性发展历程可知，首先抗侧剪切件角部进入塑性状态，加载点荷载- 转角曲线出现拐点，标志着钢框架结构发生屈服，而后梁翼缘连接盖板逐渐进入塑性状态，随着柱转角的继续增加，抗侧剪切件及翼缘连接盖板塑性区域不断发展，柱脚横梁发生塑性破坏，翼缘连接盖板鼓曲变形逐渐明显，直至加载结束.本装配式钢框架结构的最终破坏模式为：方钢管柱绕柱底转动，抗侧剪切件受剪变形破坏；普通梁段绕其中心轻微转动，翼缘连接盖板鼓曲变形破坏.整体看来，可更换的耗能元件(如翼缘连接盖板、柱脚抗侧耗能装置等)变形明显且破坏严重，但主体梁柱未见塑性变形现象.

2.2 力学性能对比

本装配式钢框架结构采用柱底铰接以及附加抗侧耗能装置等构造，柱底铰接可释放底部弯矩，避免结构柱塑性损伤，附加的抗侧耗能装置又能为钢框架结构提供抗侧刚度及必要的承载能力，使其综合刚接框架及铰接框架的优势.此外，本文提出的装配式柱脚节点是基于与刚接柱脚节点等效原则设计的，故将该柱脚节点放入钢框架后组成的装配式钢框架结构应与刚接柱脚钢框架结构等效，即本装配式钢框架结构的屈服荷载及初始刚度应等于或略大于对应刚接框架结构.

图4为本文提出的带有抗侧耗能装置的装配式铰接钢框架结构与对应纯铰接框架及刚接框架柱端荷载- 转角曲线.对比本装配式铰接钢框架结构与对应的纯铰接框架柱端荷载- 转角曲线可以发现，本钢框架结构曲线始终在铰接框架曲线之上，表明抗侧耗能装置可明显提高铰接钢框架的初始刚度及承载能力.对比本装配式铰接钢框架结构与对应刚接框架柱端荷载- 转角曲线发现，两榀框架的曲线走势基本相同，且本装配式钢框架结构的屈服荷载及初始刚度均略大于对应刚接框架，完全符合等效设计原则，可用本装配式铰接钢框架结构等效代替对应结构.

图4 框架承载能力对比曲线Fig.4 Comparison curve of frame bearing capacity

图5 框架弯矩对比(单位：kN·m2)Fig.5 Comparison of frame bending moment(Unit: kN·m2)

通过数值模拟计算本装配式钢框架与对应传统刚接框架的屈服荷载均约为450 kN，绘制两榀框架刚进入屈服时的弯矩分布图，如图5所示.对比两弯矩图发现，抗侧耗能装置对框架柱内弯矩调幅作用非常明显，弯矩最大处由框架柱底部移至抗侧耗能装置连接处，弯矩最大值减小约40%，框架柱沿高度方向的弯矩分布更加均匀.由此可以认为，本文提出的设置柱脚抗侧耗能装置的装配式铰接钢框架结构受力更加合理，其受力性能相对传统刚接框架结构有所提升.

图6 框架应力云图对比Fig.6 Comparison of frame stress nephogram

图6给出本装配式铰接钢框架与对应刚接框架在柱转角为0.03 rad时整体结构的应力云图.由图6(a)可知，本装配式钢框架中柱脚抗侧耗能装置、翼缘连接盖板等损伤较为严重，而主体梁柱除局部腹板进入塑性外，其他部位基本处于弹性状态；与图6(b)所示的刚接柱脚钢框架应力云图对比发现，抗侧耗能装置的设置可改善框架柱的受力状态，结合翼缘连接盖板的设置可将结构内的塑性损伤集中在易于更换的耗能元件上，使梁柱等主体构件基本处于弹性状态，具备震后更换耗能元件实现结构修复的功能.

3 变参数分析

本文主要围绕抗侧剪切件截面宽度(bw)及厚度(tw)、抗侧剪切件高度(lw)、节点板连系螺栓数量(nb)、柱脚横梁刚度比(ψbw)、柱轴压比(n)等几个主要参数对本装配式钢框架结构力学性能开展相关研究，其中，ψbw为柱脚横梁与抗侧剪切件截面惯性矩比，tw为抗侧剪切件单块钢板厚度tw0总和.各组算例模型参数见表2.

表2 各算例参数

3.1 抗侧剪切件截面参数影响

由柱脚抗侧剪切件截面宽度对本装配式钢框架结构受力性能的影响曲线(见图7)可知，截面宽度越宽，钢框架承载能力及初始刚度越大.算例KJ_ZJ1_2与算例KJ_ZJ1_4相比，屈服荷载降低21.5%，算例KJ_ZJ1_6与KJ-ZJ1-4相比，屈服荷载增加26.4%，表明抗侧剪切件截面宽度是影响本钢框架屈服荷载及初始刚度的主要影响因素.此外，算例KJ_ZJ1_6在加载末期柱端荷载急剧下降，这是由于该算例抗侧剪切件截面宽度较大，抗侧剪切件由3块钢板组合而成，其宽度越大，越易发生平面外失稳；模拟结果显示该算例在加载末期抗侧剪切件发生了非常明显的平面外变形，因而承载力迅速降低.

由柱脚抗侧剪切件截面厚度对本装配式钢框架结构受力性能的影响曲线(见图8)可知，与截面宽度的影响相似，抗侧剪切件截面厚度越厚，钢框架承载能力及初始刚度越大.对比各条曲线走势，算例KJ_ZJ2_1和KJ_ZJ2_2相对其他算例承载力增幅情况有所差异，这是由于这2个算例截面厚度较薄，与算例KJ_ZJ1_6一样发生了抗侧剪切件平面外失稳现象，但二者又存在一些区别.算例KJ_ZJ2_1和KJ_ZJ2_2自加载开始抗侧剪切件即逐渐发生平面外变形，其框架屈服由板件平面外失稳控制，而非板件强度控制；而算例KJ_ZJ1_6框架屈服仍由板件强度控制，当柱转角较大时，板件才发生平面外失稳.此外，算例KJ_ZJ2_6较算例KJ_ZJ2_4截面面积增加20.0%，屈服荷载增加10.0%，其截面面积增加量大致等于算例KJ_ZJ1_6较算例KJ_ZJ1_4的增加量，但屈服荷载的增加量相对较小，这表明柱脚抗侧剪切件截面宽度对框架承载力的影响大于厚度的影响.

综上所述，柱脚抗侧剪切件截面宽度及厚度是影响本装配式钢框架承载能力及初始刚度的主要参数，且截面宽度影响要大于其厚度影响；此外，抗侧剪切件截面宽度较宽时或厚度较薄时应重点验算是否会平面外失稳，若发生应采取相应措施以避免其对框架承载力的影响.

图7 抗侧剪切件截面宽度影响Fig.7 Influence of lateral resistance shear member width

图8 抗侧剪切件截面厚度影响Fig.8 Influence of lateral resistance shear member thickness

3.2 抗侧剪切件高度参数影响

由柱脚抗侧剪切件高度对本装配式钢框架结构受力性能的影响曲线(见图9)可知，抗侧剪切件高度几乎不影响本装配式钢框架结构的承载能力与初始刚度.提取方钢管柱上各观测点在柱转角为0.05 rad时的应力分布情况，并绘制应力分布对比图，如图10所示.观察各曲线可知，各算例柱应力发展趋势基本相同，均在柱高度约2 300 mm的位置应力为0，此处为柱反弯点，这与图5所示的柱弯矩分布一致；随着柱高度的降低，应力逐渐增加，并在与节点板相连的对应位置应力达到最大值，高度低于节点板后应力逐渐减小，直至为0.高度越低的抗侧剪切件会对柱的约束更强，这使得低于节点板的柱各处应力稍小.综上，各算例框架柱除与节点板相连的局部区域进入塑性外，其余各处均为弹性状态，抗侧剪切件高度的不同仅会造成柱应力峰值位置有所差异，但并不影响方钢管柱的损伤控制效果.

图9 抗侧剪切件高度影响Fig.9 Influence of lateral resistance shear member height

图10 柱应力分布对比Fig.10 Comparison of column stress distribution

3.3 节点板连系螺栓数量参数影响

由节点板连系螺栓对本装配式钢框架结构受力性能影响曲线(见图11)可知，随着螺栓数量的增加，钢框架承载能力及初始刚度有所提高，待增加到一定数量时不再影响钢框架的力学性能.提取各算例节点板与方钢管柱之间的相对滑移量并绘制滑移曲线如图12所示.对比各曲线可知，算例KJ_ZJ4_1～3由于采用的螺栓数量较少，其滑移时刻相对其他3个算例较早，滑移量相对较大，此3个算例框架屈服由螺栓滑移控制而非板件屈服控制，加载后期也会由于板件间大幅滑移而卸力，故其屈服荷载及极限荷载相对其他算例小一些，荷载- 转角曲线亦在其他3个算例曲线之下；当螺栓数量大于螺栓设计阈值时，螺栓滑移时刻及滑移量均得以控制，此时即使继续增加螺栓数量，框架的力学性能也不会再有所改变，故算例KJ_ZJ4_4～6的荷载- 转角曲线以及滑移曲线均基本重合.

图11 节点板连系螺栓数量影响Fig.11 Influence of the number of connecting bolts

图12 相对滑移量对比曲线Fig.12 Comparative curve of relative slip

3.4 柱脚横梁刚度比参数影响

柱脚横梁用于方钢管柱与柱脚抗侧剪切件之间的连接与传力，若横梁抗弯刚度过小，横梁会过早破坏影响力流传递.由柱脚横梁刚度对本装配式钢框架结构受力性能的影响曲线(见图13)可知，与节点板连系螺栓数量参数影响类似，随着柱脚横梁刚度的增加，钢框架承载能力及初始刚度有所提高，在增加到一定程度后几乎不再影响钢框架结构的力学性能.图14为各算例在柱转角为0.03 rad时的抗侧剪切件塑性损伤区域图.为表现更加直观，图中彩色高亮部分代表应力超过235 MPa，表明该区域已进入塑性状态，灰色部分为应力小于235 MPa.当柱脚横梁刚度较小时(如算例KJ_ZJ5_1)，柱脚横梁对抗侧剪切件约束将不足，抗侧剪切件破坏模式类似于下端连接、上端自由的厚钢板剪力墙破坏模式，即主要底部区域塑性发展，无法充分受力和耗能，因而框架承载力及初始刚度均偏低.随着柱脚横梁刚度的增加，其对抗侧剪切件的约束也逐渐增强，抗侧剪切件破坏模式逐渐变为上、下端均连接的厚钢板剪力墙破坏模式，即板件上、下端均存在大区域破坏，塑性发展及耗能相对充分，框架承载力及初始刚度也逐渐增大.综上，柱脚横梁刚度直接影响抗侧剪切件的破坏模式，进而影响本钢框架结构的承载力及抗侧刚度.

图13 柱脚横梁刚度比影响Fig.13 Influence of column foot beam stiffness ratio

3.5 柱轴压比参数影响

由轴压比对本装配式钢框架结构受力性能的影响曲线(见图15)可知，轴压比基本不影响刚框架结构的屈服荷载及初始刚度，但对极限荷载影响较大，且随着轴压比的增大，钢框架结构的极限荷载逐渐减小.这是由于柱轴压垂直柱顶施加，加载前期柱转角较小，轴压产生的附加弯矩几乎可以忽略不计，故各算例曲线前期基本重合，其屈服荷载及初始刚度基本相同；随着柱转角的增加，附加弯矩对钢框架的影响逐渐增大，此时钢框架会因轴力的不同而产生不同程度的力学响应.

图15 柱轴压比影响Fig.15 Influence of column axial compression ratio

4 结论

本文针对带可更换抗侧耗能装置的装配式铰接钢框架结构开展了力学性能及滞回性能的数值研究，重点分析抗侧剪切件截面宽度、厚度及高度、连系螺栓数量及柱脚横梁刚度等参数对钢框架结构相关性能的影响，得到以下结论：

1) 本装配式铰接钢框架结构在屈服荷载及抗侧刚度两方面可以与对应刚接柱脚框架完全等效，且本文提出的钢框结构主体构件的应力分布方面优于对应刚接框架，本装配式铰接钢框架结构可以作为对应刚接框架的等效结构使用.

2) 本文提出的装配式铰接钢框架结构合理设计后可以将结构内的塑性损伤集中在翼缘连接盖板、抗侧耗能装置等易于更换的耗能元件上，使梁柱等主体构件基本处于弹性状态，具备震后修复的功能.

3) 柱脚抗侧剪切件截面宽度及厚度是影响框架屈服荷载、初始刚度的主要参数，其中宽度参数的影响程度要更大一些；抗侧剪切件高度仅会影响柱应力峰值位置，而对钢框架的力学性能几乎不产生影响.

4) 连系螺栓数量直接影响节点板的滑移时刻及钢框架的滑移荷载，采用足够螺栓数量能保证节点板不会过早滑移，使钢框架具备较好的承载能力.

5) 柱脚横梁刚度较小时会改变抗侧剪切件的破坏模式，进而影响钢框架的力学性能，故不建议采用小刚度的柱脚横梁构造.