节点张开后刚度对变摩擦耗能...凝土框架抗震性能的影响分析_黄林杰.pdf

.，.，工业建筑 年第 卷第 期节点张开后刚度对变摩擦耗能自复位预应力混凝土框架抗震性能的影响分析黄林杰 曾 滨 周 臻 张文清 桑晨旭 张静茹（南京林业大学土木工程学院，南京；中冶建筑研究总院有限公司，北京；东南大学，混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京）摘 要：自复位预应力混凝土（）框架在梁柱节点张开后的刚度显著降低，导致罕遇地震下结构的层间侧移角较大。利用具有第三刚度的变摩擦（）耗能 节点构造可有效提高结构罕遇地震下刚度，降低层间侧移。选择我国 度设防地区的一 框架为分析算例，利用 分析软件建立其有限元模型。以 条地震波为输入，研究节点张开后刚度（第二刚度和第三刚度）对 框架抗震性能的影响。结果表明：增大节点的第二刚度可以降低罕遇地震下结构的层间侧移角，但不会改变层间侧移的分布模式；增加节点的第三刚度不仅可以显著降低结构的层间侧移角和柱内力，且可以降低结构的高阶模态效应，从而降低上部楼层的层间变形，同时保证较好的复位效果。关键词：节点张开后刚度；自复位预应力混凝土；变摩擦；高阶模态 ：.（，；，；，）：（），（），：；国家自然科学重点基金（）；国家自然科学基金项目（）；江苏省高校自然科学基金面上项目（）；江苏省“双创博士”项目（）；大学生实践创新训练计划项目（、）。第一作者：黄林杰，男，年出生，博士，讲师。电子信箱：收稿日期：随着韧性城市建设在全球范围内的兴起，结构可恢复性成为了国际地震工程界的关注热点。相应地，为使结构具备在地震作用下可以快速恢复预定使用功能的能力，国内外许多学者提出了结构抗震设计的新概念，即可恢复功能防震结构。因此，研究可恢复功能的抗震韧性结构是实现韧性城市的必然趋势。在可恢复功能设计中，控制结构残余变形和结构构件的损伤是关键所在。美国国家标准研究院与节点张开后刚度对变摩擦耗能自复位预应力混凝土框架抗震性能的影响分析 黄林杰，等 日本联合开展的预制结构抗震体系采用的干式混合连接的框架体系中，预应力技术能够有效控制结构残余变形，节点耗能系统耗散能量的方法可显著降低结构构件的损伤。这种框架由于具有较好的震后复位能力，也被称为自复位预应力混凝土（）框架，是现阶段重要的可恢复功能结构形式。随着高耗能技术的不断改进，框架的抗震性能得到了显著提高，但随着梁柱节点张开间隙激发耗能器启动后，结构的刚度主要由预应力筋控制而大幅降低。有研究表明较大的刚度削弱会导致 框架产生较明显的高阶模态效应，形成薄弱层，局部（上部）楼层位移角较大，极大加剧了非结构构件的损伤，降低震后结构的功能可恢复性。为解决罕遇地震下结构刚度较低的问题，文献提出了一种基于平面坡面摩擦构造的变摩擦（）耗能 节点构造。该节点构造利用耗能器的坡面摩擦构造提供结构罕遇地震下的大刚度与高耗能能力，且通过试验证明了节点的三刚度、变摩擦旗帜形滞回特征。为研究 框架的抗震性能，以一 层 框架为原型，建立其有限元模型。以节点张开后刚度（第二刚度和第三刚度）为变量，进行设防烈度和罕遇地震水平的抗震性能参数化分析，研究最大层间侧移角及其沿楼层的变形模式，提出结构高阶模态效应的控制方法。变摩擦自复位混凝土框架.节点构造 节点构造如图 所示，其中，耗能器由内摩擦钢板、带坡面的中摩擦钢板、带坡面的外摩擦钢板、新型非石棉有机物（）摩擦片、垫板、碟形垫片和高强螺栓组成（图）。摩擦片嵌在内摩擦钢板上预留的长槽内，并通过摩擦型高强螺栓与摩擦钢板挤压在一起。摩擦材料与中摩擦钢板构成的非金属摩擦面可有效避免现有金属摩擦面在正常使用阶段发生的电化学腐蚀，从而提高结构的耐久性；内、外摩擦钢板与垫板通过高强螺栓与梁可靠连接，中摩擦钢板通过端部预埋板与柱固定。在地震作用下，梁柱发生相对变形，带动中摩擦钢板与内、外摩擦钢板之间的相对滑动。节点中引入的暗牛腿可提供足够的竖向抗剪能力，并在施工阶段为梁提供临时搁置，提高结构的装配效率。耗能器的第一次启动为平面滑动段（滑动位移不超过）（图），此时高强螺栓的预紧力恒定，因此摩擦力不变。当中摩擦钢板与外摩擦钢板滑动至坡面段（滑动位移超过）时，摩擦耗能器第二次启动。由于坡面的存在，中摩擦钢板与外摩擦钢板的距离会不断增大并压缩碟形垫片，使摩擦面法向正压力不断增加，进而增大摩擦力，使摩擦耗能器具有了二次刚度（图），形成节点的第三刚度。设计过程中，可通过调整平面段长度 和坡面段角度，有效控制耗能器的二次启动位移和第三刚度，从而提升结构在罕遇地震下的可恢复性能。耗能器两阶段的摩擦力如式（）所示：，（）（），（）|（）式中：，和，分别为平面滑动段和坡面滑动段的摩擦力；为施加在单个 上的螺栓预紧力；和 分别为中摩擦钢板外摩擦钢板和中摩擦钢板内摩擦钢板的摩擦系数；为碟形垫片的刚度。节点构造；截面；变摩擦机理；滞回曲线。为消压荷载；为消压位移；为第一刚度；为第二刚度；为第三刚度。图 节点构造 .多层 框架算例为研究节点张开后刚度对 框架动力响应的影响规律，选取文献中的一原型结构（图）为分析算例。在该框架的两个方向各布置两榀 层 跨的 框架作为抗侧框架，忽略其他框架的抗侧贡献，认为在地震作用下结构的抗震能力主要由 框架提供。结构的底层和其他层层高分别为.和.。根据耗能器的两阶段工作机理，文献提出了 工业建筑 年第 卷第 期框架基于性能的抗震设计方法，对结构的设防地震和罕遇地震水平分别进行设计，即：结构遭遇本地区设防烈度相当的地震，最大层间侧移角不超过.，且梁柱均处于弹性变形；结构遭遇罕遇地震相当的地震，最大层间侧移角不超过.，允许梁柱发生轻微损伤，但需保证预应力筋不发生屈服以实现结构的震后可恢复性能。梁柱中的混凝土强度等级为，受力钢筋等级为，预应力筋的屈服强度为 。结构的重力荷载代表值 ，对应的层剪力沿楼层分布模式如图 所示，梁柱的设计信息如表 所示（为便于下文研究，具有表 设计信息的结构记作）。顶层与其他楼层的恒荷载标准值分别为.，.，活荷载的标准值均为.。由图 可知，与现有 框架不同，框架在节点张开后具有 和 两级刚度。由文献可知：主要由预应力筋的数目和预应力筋与梁形心的距离决 定，所以可通过两种方式改变：）分别增加两个框架中预应力筋的刚度至 的 倍，记作；）保持预应力筋的总面积不变，将预应力筋对称布置在 距 离 梁 中 心 位 置 的 梁 高 处，记 作。分别将 降低和增加（分别为 的.倍和.倍），分别记作.，.以分析 对 框架抗震性能的影响。平面布置；抗弯框架。图 原型结构 表 设计信息 楼层梁尺寸（）柱尺寸（），（）.和 分别为梁、柱配筋率；和，分别为预应力筋的面积和初始张拉值。.多层 框架有限元分析模型采用 有限元软件建立 框架的有限元模型，节点的建模方法如图 所示。梁柱节点；简化单元；变摩擦行为的模拟。图 基于 有限元分析平台的 节点数值建模方法 梁和柱均采用基于纤维截面的非线性梁柱单元模拟，以获得单元的分布塑性。混凝土纤维和钢筋纤维分别采用可考虑混凝土受拉的 （）本构模型和可考虑钢筋强化特性的 （）本构模型。预应力筋单元采用桁架单元模拟，且赋予桁架单元具有初始预应力的 本构材料。顶部梁柱接触面及底部柱暗牛腿的接触面分别由一对刚臂模拟，且在上下两个转动中心分别用一嵌套了弹性无受拉（）材料的零长度接触单元模拟节点处只压不拉的张开闭合行为。由于暗牛腿提供了节点的可靠抗剪机制，所以假定牛腿梁接触部位在 方向耦合，无相对竖向位移。在节点核心区用赋予双线性弹塑性本构关系的零长度转动单元模拟剪切变形，摩擦节点张开后刚度对变摩擦耗能自复位预应力混凝土框架抗震性能的影响分析 黄林杰，等 单元由图 所示的零长度截面单元模拟。为实现节点的变摩擦、三刚度特性，赋予零长度截面单元滞后材料模型如图 所示。框架结构的动力分析.地震动输入充分结合场地特征与 关于地震波的选取原则，选择 条地震波作为结构分析的动力输入（图）。调整 条地震波，使其在结构基本周期.处的平均谱加速度（，）分别与设防烈度和罕遇地震对应的设计谱加速度相等（图），将调整后的地震波输入结构进行动力分析。地震动谱；调整至目标设计谱。图 动力分析所用地震波 .第二刚度对结构动力响应的影响图 为设防烈度和罕遇地震水平、及 的最大层间侧移角及其沿楼层的分布规律，表 也给出了 条地震波激励下各模型层间侧移角的平均值。由图 可见：在经历相同强度的地震时，相对于，和 的层间侧移角均呈现出不同程度的降低。这是由于提高预应力筋刚度后，预应力筋内力在节点经历相同转角时的增长值显著提升，极大提高了节点的抗弯能力。图 给出了结构层间侧移角沿楼层的分布。在设防地震水平下，相对于，和 的层间侧移角分别降低了.至.。而在罕遇地震水平、几乎所有地震波作用下，相对于，和 的层间侧移角均呈现了更加明显的降低。但无论设防烈度还是罕遇地震水平下，层间侧移角沿楼层分布模式并未发生改变。这说明增加节点的第二刚度可降低结构的层间侧移角，在罕遇地震水平下的控制效果更加明显，但结构的高阶模态效应不能得到有效控制。值得注意的是，相对，所需预应力筋数量更少，仅在 的基础上改变了预应力筋的布置位置，在经济投入较低的情况下亦较好控 设防烈度；罕遇地震；层间侧移角沿楼层分布。图 节点第二刚度对结构层间侧移角的影响 制了结构的层间侧移角。因此，为控制结构层间侧移，建议在实际工程中可将 框架的预应力筋设置在梁的上下部位。.第三刚度对结构动力响应的影响图 比较了、.和.在设防烈度和罕遇地震水平下的层间侧移角及其沿楼层的分布模式。表 也给出了.与.相对于 的最大层间侧移角变化率。由图 和表 可见：在设防烈度水平、部分地震波（第、条）的激励下，的最大层间侧移角超过目标位移限值.，导致变摩擦耗能器进入坡面摩擦滑动阶段，对结构抗震性能产生一定的影响，如相对于，.和.的最大层间侧移角分别增加了.和降低了.。而对于其他地震波，个模型的层间侧移角基本相同，这是由于这些地震波激励下，结构的动力响应主要由耗能器的平面滑动段控制。整体而言，大多数地震激励下，结构的动力响应主要受控于平面滑动摩擦段，结构层间侧移沿楼层的分布模式仍未发生显著改变。而在罕遇地震水平、大多数地震波作用下，节点处的变摩擦耗能器均进入了坡面摩擦滑动段，结构的动力响应主要受 控制，所以，几乎所有地震波激励下，、.和.的最大层间侧移 工业建筑 年第 卷第 期 设防烈度；罕遇地震；层间侧移角沿楼层分布。图 节点第三刚度对结构层间侧移角的影响 表 层间侧移角的均值 模型设防烈度下罕遇地震下均值变化率均值变化率.角均出现明显差别。相对于，.和.的层间侧移角分别增加了.和降低了.。相对于，.的层间侧移角沿楼层分布模式呈现了明显的差异，即上部楼层降低幅度明显高于下部楼层，导致结构的层间变形沿楼层分布更加均匀。这说明，增加第三刚度可有效提高节点张开后结构的整体刚度，从而有效降低结构在罕遇地震水平的高阶模态效应。由文献可知：自复位结构在节点张开后的抗弯能力等于预应力和摩擦力的弯矩贡献之和。同时，为实现结构的复位，摩擦力的弯矩贡献须小于预应力的弯矩贡献。由于坡面摩擦滑动段会导致结构的耗能能力贡献提升，为实现结构的复位，耗能比须小于.。所以，分析得出结构层间侧移角最大楼层的所有变摩擦耗能器弯矩贡献 和该楼层的预应力弯矩贡献，通过式（）所示的 量化摩擦力和预应力的弯矩贡献。（）图 给出了设防地震烈度和罕遇地震水平变形最大楼层的弯矩贡献比。当结构遭遇设防烈度相当的地震时，.、.的耗能比呈现轻微的增大，即第三刚度的提升对 的影响较小。而在罕遇地震水平，由于大多数地震波激励下，耗能器进入了坡面摩擦滑动段，摩擦力显著提升，各模型的耗能比 相对设防烈度明显提高，且随着第三刚度 的增大，显著提高。值得注意的是，所有模型的 均未超过.，说明耗能器第三刚度的提高并未使摩擦力的弯矩贡献超过预应力的弯矩贡献，即结构可较好地实现罕遇地震下的复位。图 耗能比 定义地震作用下柱最大弯矩与弯矩设计值之比为柱标准化弯矩（），统计得出罕遇地震水平所有地震波作用下柱标准化弯矩的平均值（），如图 所示。在设防烈度水平下，柱内弯矩均小于设计值，即结构未发生破坏，满足设防烈度的性能 目 标。在 罕 遇 地 震 水 平 下，.的（）明显小于 和.，说明增大第三刚度可有效降低结构构件的损伤程度。而.的较大层间位移导致（）在第 层均大于图 归一化柱弯矩 节点张开后刚度对变摩擦耗能自复位预应力混凝土框架抗震性能的影响分析 黄林杰，等 ，即柱发生了严重损伤，增加了结构的修复难度，导致结构较难实现“大震可修”的性能目标。结束语为解决自复位预应力混凝土（）框架在梁柱节点张开后刚度不足的问题，提出一种具有第三刚度的变摩擦耗能 节点构造，降低结构的层间侧移。选择我国 度设防地区的一 框架为分析算例，利用 分析软件建立其有限元模型，分析设防烈度和罕遇地震水平下，节点张开后刚度（第二刚度和第三刚度）对 框架抗震性能的影响，主要结论如下：）增加 节点的第二刚度可降低结构的层间侧移，尤其罕遇地震水平下的控制效果更加明显，对于结构层间侧移的降低更为明显，但无论设防烈度还是罕遇地震水平，层间侧移角沿着楼层分布模式并未发生改变。）可通过增加预应力筋数量和改变预应力筋位置的方法提升结构第二刚度，从而降低地震下结构的层间侧移角。但相对增加预应力筋数量的方法，改变预应力筋位置的方法材料用量更少，在经济投入较低的情况下亦较好地控制了结构的层间侧移角。因此，为控制结构层间侧移角，建议在实际 框架中宜将预应力筋设置在梁的上下部位。）增加节点的第三刚度，可明显降低罕遇地震下结构的层间侧移角，降低主体构件内力，对上部楼层的层间侧移降低更为明显，导致结构的层间变形沿楼层分布更加均匀，从而有效降低结构在罕遇地震水平的高阶模态效应。同时，通过合理的设计，耗能器第三刚度的提高并不会造成摩擦力的弯矩贡献高于预应力的弯矩贡献，即结构可以较好地实现震后复位。参考文献 吕西林，武大洋，周颖可恢复功能防震结构研究进展建筑结构学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，（）：宋良龙，郭彤 腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架的抗震性能研究工程力学，（）：，：（）：，（上接第 页）金广君城市设计的”触媒效应”规划师，（）：金广君，陈旸论”触媒效应”下城市设计项目对周边环境的影响规划师，（）：蒋朝晖保护，发展的”触媒”：探索古城保护方法国外城市规划，（）：卢济威，韩晶轨道站地区体系化与城市设计城市规划学刊，（）：苏锐基于”城市触媒”的工业遗产更新策略研究重庆：重庆大学，（）：，（）：陈劼城市触媒理论的文献综述城市建筑，（）：李伊格，刘彦，吴雪晴基于触媒理论的老工业城市工业区活化策略：以焦作市老城区及风神轮胎厂为例面向高质量发展的空间治理：中国城市规划年会 李旭旭基于城市触媒理论的城市旧工业地段更新研究重庆：重庆大学，贺丽洁，程凯，王珂钰，等生产性理念下矿业废弃地的绿色更新探索：以北京门头沟区王平矿废弃地为例 规划师，（）：