既有建筑与加装电梯的可滑移节点抗震研究

陈 东，甄雪虎，李今保，张保谦

（1.安徽建筑大学土木工程学院，合肥 230601；2.江苏东南特种技术工程有限公司，南京 210018；3.中国建筑第四工程局有限公司，合肥 230601）

引言

传统半刚性节点[1]（见图1）在多遇荷载作用下，并不能实现有效的耗能，往往是依靠钢材自身的塑性变形来消耗地震作用，这样对结构整体是不利的，因此半刚性节点的研究应受到各界学者和专家的重视。而国内对半刚性节点的研究未形成成熟的理论成果和节点设计体系，很多半刚性节点问题还有待解决。

图1 传统半刚性节点

Wang 等[2]和France 等[3]通过对单边螺栓连接的外伸端板形式的方钢管柱-H 梁的连接节点进行反复加载的性能试验，发现该节点的转动性能与耗能性能良好。Nair 等[4]通过对T 型件连接节点进行单调静力加载试验，确定了T 型件连接节点的屈服承载力和初始刚度两种计算模型的可行性与准确性。Jin 等[5]通过对14 种梁柱节点形式的构件进行单调反复荷载的试验，研究了钢框架薄壁形方钢管柱-H型钢的连接节点形式的抗震性能。针对传统抵抗地震方式的局限性和缺陷，人们通过长期的研究和实践，找到了一种新的抵抗地震的思路，即减、隔震技术[6]。隋䶮等[7]通过实际工程案例分析和软件模型计算（在剪力墙中的连梁上设置粘滞阻尼器）来推导带阻尼器连续梁的最优参数。刘昆鹏[8]巧妙地利用了“以柔克刚”的思想，发现添加隔震支座后发生破坏的位置主要是排架底部。韩庆华等[9-10]提出将铸钢节点加入到方钢管柱-H型钢梁节点中，采用往方钢管柱里面填充混凝土的方式进行研究，发现节点区域的抗弯最大载荷提高较多。

李景龙[11]通过对节点模型施加不同的轴压力，分析了轴压力对连接节点的影响。李鑫海[12]对6 种加强型T 型钢连接节点进行试验研究，发现增加T型连接件厚度、肋板宽度和螺栓强度，可显著提高节点的刚度和抗弯性能。刘美香[13]设计了单层底板可滑移柱脚节点和双层底板可滑移柱脚节点，有限元模拟结果表明指数函数对剪力-滑移、弯矩-转角曲线有较好的拟合效果。

本文主要提出一种适用于电梯入口平台与既有建筑连接的可滑动节点。为研究这种节点的抗震性能，完成4个试件的拟静力实验，实验主要变化参数为节点的开孔形状以及垫板上是否有橡胶垫，同时建立精细的有限元模型，分析在反复水平力下的抗震性能。

1 实验概况

1.1 试件设计

本实验在进行现场调研后，以相关电梯入口平台与既有建筑的连接节点为原型，根据电梯安装工程设计图纸得出相关尺寸，通过使用1∶1 模型对测试节点的组件进行改进。试验梁构件选用方钢管梁，除螺栓外均选用Q235钢。节点采用矩形截面钢梁，截面尺寸为300 mm×300 mm×10 mm，梁 高1000 mm，底座尺寸为460 mm×900 mm×20 mm×20 mm。螺栓采用半径为10 mm 的M20 高强度螺栓，见表1。

表1 试件主要参数

1.2 实验装置、加载过程和测量内容

本文共设计了4个节点，名称分别为传统节点、PC1、PC2和PC3。实验构件明细见表2，节点设计如图2 所示。实验共采用24 组应变片用以记录节点区域的应力变化情况，其中垫板分布12 个测点，钢梁上分布应变片12只，主要测量节点核心区的受力情况，根据荷载-位移曲线分析节点的抗震性能。

表2 实验构件明细

图2 节点设计

本实验采用位移控制加载制度，主要分为4 个加载阶段：第一阶段荷载步1～4 mm，每一荷载步增加3 mm，循环1 次；第二阶段荷载步4～14 mm，每一荷载步增加5 mm，循环1次；第三阶段荷载步共14～26 mm，采用4 mm 为一级加载，循环次数为3 次；第四阶段共1 个荷载步26～38 mm，亦采用4 mm 为一级加载，循环3次。

2 实验现象与结果

2.1 实验现象

传统节点试件初始加载阶段，节点处有轻微响动，方管上油漆出现裂纹。当位移增大时，圆孔板两侧出现微翘，中间出现凹陷，圆孔板翘曲现象明显。当位移增大到14 mm 时，圆螺栓孔凹陷，螺母弯曲（见图3）。当位移增加到26 mm 时，螺栓垫片弯曲，孔位凹陷。当位移增加到38 mm 时，螺栓弯曲，孔处凹陷加重、板端翘曲增大。PC1节点初始加载阶段，螺栓开始出现滑移，挤出少量橡胶垫（见图4）。加载后期，螺栓滑移量增大，橡胶垫被挤出，垫板与橡胶垫之间出现空隙。加载后期PC2节点长圆孔位置出现划痕，板两边出现轻微翘曲、中间凹陷的现象（见图5）。PC3 节点在方钢梁钢垫板与底座之间增设了橡胶垫，橡胶垫作为不可压缩材料在加载时只能向外膨胀，垫板与底座限制橡胶的向外膨胀，垫板与橡胶垫之间出现空隙，如图6所示。

图3 传统节点实验现象

图4 PC1节点实验现象

图5 PC2节点实验现象

图6 PC3节点实验现象

2.2 实验结果

图7 所示为节点滞回曲线图，在循环荷载作用下，PC1节点的滞回曲线为梭形，滞回环形状相对饱满，面积较大，构件的耗能能力和抗震性能最好。

图7 节点滞回曲线图

图8 所示为节点骨架曲线图。由图8 可以看出，PC1节点具有明显的弹性阶段、弹塑性阶段和极限破坏阶段。初始加载阶段，试件处于弹性阶段，随着加载位移的增大，荷载呈缓慢增长趋势。加载到相同位移时，PC1 节点所需的荷载小于其他节点。这是因为一方面，橡胶板在其中起着缓震作用；另一方面，构件的椭圆孔使其滑动，减轻了地震荷载的作用。

图8 节点骨架曲线图

3 数值分析

为了研究构造参数对既有建筑与加装电梯的节点抗震性能的影响，采用有限元计算软件ABAQUS进行有限元参数分析。本文以实验所示的PC1节点为基础试件，参照PC1节点改变橡胶垫的厚度，研究不同厚度橡胶垫对构件抗震性能的影响。

3.1 有限元模拟

试件的有限元结果与实验结果的滞回曲线吻合程度较好，如图9 所示。实验过程中的“捏缩”效应较为明显，其原因一方面是橡胶垫和椭圆孔在试验中产生滑移；另一方面，考虑到实验中螺栓孔直径略大于螺栓直径，其本身存在滑移。与实验结果相比，有限元模拟结果的骨架曲线差异不大，能较好地模拟既有电梯建筑在往复荷载作用下的抗震性能，如图10所示。

图9 滞回曲线对比图

图10 骨架曲线对比图

3.2 参数分析

为了研究结构参数对既有建筑与加装电梯节点抗震性能的影响，采用ABAQUS 对试验构件进行参数分析。本文以实验中所示PC1 节点为基础试件，根据基础试件改变橡胶垫厚度，研究不同厚度橡胶垫对构件抗震性能的影响。通过PC1节点与实验结果的对比，验证了有限元模型的准确性。本文设计XJ 系列节点，节点参数细则见表3，3 种类型的构件分别记为XJ-1、PC1、XJ-2。

表3 橡胶厚度细则

在ABAQUS 软件中采用位移加载模拟，加至荷载-位移曲线出现下降段或者荷载下降至最大荷载的85%时停止，加载制度如图11所示。

图11 XJ系列模型节点加载制度图

图12 所示为XJ 系列试件的滞回曲线。从图12可见，PC1 节点滞回曲线的形状呈现较为饱满的梭形（图12 (b)），与XJ-1 节点（图12 (a)）相比，滞回线形状较为饱满，滑移量较XJ-1 节点小。XJ-2 节点的滞回曲线如图12 (c)所示，曲线呈现出饱满的梭形，说明节点塑性变形能力优于前两个节点，能较好地吸收地震带来的能量。

图13 所示为XJ 系列的骨架曲线。从图13 可见，XJ-1节点、PC1节点、XJ-2节点的承载力最大值分别为147.56、159.94、154.65 kN。加载制度为负时，位移加载达到最大时，XJ-1节点、PC1节点、XJ-2节点的承载力最大值分别为-163.49、-166.61、-156.51 kN。XJ-1 节点、XJ-2 节点正向承载力最大值与PC1节点相比变化值为12.38%、5.29%，XJ-1节点、XJ-2 节点反向承载力最大值与PC1 节点相比变化值为1.9%、6.4%。不难得出，橡胶厚度选取10 mm时最佳，节点的承载能力得到提高。

橡胶垫和螺栓的延性使试件节点具有抵抗变形的能力，随着节点受到的荷载不断增加，构件达到屈服强度时的变形小于产生的变形时，橡胶垫和螺栓仍然具有延性，而使结构不遭到破坏。延性系数是判断结构抗震能力的相关指标，延性系数大于3.0 的节点或构件具有一定的变形能力和刚度。延性系数常用μ来表示，可通过以下表达式进行计算。

其中，Du表示梁顶端的极限位移，Dy表示梁顶端的屈服位移。

计算可知：XJ-1节点的延性系数为3.22，PC1节点的延性系数为3.30，XJ-2 节点的延性系数为3.07，均满足相关规范的要求。PC1 节点与其他两个节点相比延性系数较大，可以在后期表现出较强的变形能力。

表4 列出了节点的耗能参数。由表4 可知，随着橡胶垫厚度的增加，节点的耗能能力增加。在加载制度相同时，橡胶垫厚度越大，节点等效粘滞阻尼系数与等效耗能系数越大。

表4 节点的耗能参数

4 结论

通过对既有建筑与加装电梯节点受力机理及受力特性的分析，并参考相关钢结构节点的连接方式，提出了一种抗震性能优异的新型可滑移节点。该节点符合相关抗震规范中钢结构节点的设计特点，且该节点结构形式简单，施工方便。主要结论如下：

1）传统节点滞回环面积小，耗能能力不明显，抗震性能较差。与传统节点相比，新型可滑移节点的滞回曲线形状更饱满、光滑，呈现出一定的“捏缩”现象,说明连接螺栓孔和橡胶垫的厚度会影响节点的抗震性能。

2）PC1 节点存在橡胶垫和椭圆孔，橡胶的超弹性特性为节点抵消了部分荷载，能够吸收地震的能量，这是实验过程中螺栓部分滑移造成。因此可利用椭圆孔的滑动效应和橡胶垫块的超弹性效应抵消地震带来的能量，从而提高节点的抗震能力。

3）数值模拟结果表明：当橡胶厚度为10 mm时，滑移效果较好，正向和反向承载能力也最大。因此，对于PC1 可滑节点，橡胶垫的厚度为10 mm时，效果最好。