据统计,我国每年城乡新建房屋面积20亿m²,其中80%以上为高耗能建筑,单位建筑面积耗能是发达国家的2倍以上,发展工业化装配式钢结构是我国绿色建筑和生态文明建设的迫切要求^[1]。装配式钢结构体系符合全生命绿色建筑理念,可以提升建筑能效、品质和建设效率,为我国建筑工业化实现规模化、高效益和可持续发展提供技术支撑^[2]。同时,装配式钢结构采用工厂化的制作和生产模式,代替了传统的现场进行的湿作业施工方法,缩短了整体建设进度,降低了材料消耗以及工程造价成本,提高了工程质量^[3]。在装配式结构设计中,梁柱节点的构造形式对节点的强度、刚度以及整体结构的受力性能均有直接的影响,是设计中的重点内容^[4]。

　　 地震作为威胁人类生命财产安全的严重自然灾害之一,造成了大量建筑物损坏的同时也暴露出传统梁柱节点存在的缺陷。在1994年美国北岭地震^[5]和1995年日本阪神地震^[6]中,钢结构梁柱焊接节点发生了大量脆性破坏,暴露出传统钢结构节点的构造问题,使得各国学者对于抗震性能更稳定的节点构造进行了积极探索与研究,因此可恢复功能结构孕育而生。最早关于可恢复功能结构的分析与研究是由普林斯顿大学的Garlock^[7]于1997年进行,其设计的是带有预应力拉索的钢框架梁柱节点。随后美国Lehigh大学的J.Ricles^[8]通过计算机软件DRAIN-2DX对预应力梁柱节点进行了模拟分析,在此基础上进行了相关试验研究,实现了结构的自复位性能。Cruz^[9]探究了在节点上下翼缘设置摩擦耗能装置对节点耗能能力的影响,结果表明摩擦耗能件通过自身提供的摩擦力能有效为节点耗散能量,减少对结构的塑性损伤,预应力拉索为节点提供的恢复力使结构达到较好的复位效果。Vasdravellis^[10]提出一种沙漏形销钉的摩擦耗能装置,将其装置在预应力钢框架梁柱节点腹板部位,通过销钉的变形有效耗散地震能量来达到保护主体结构的作用。国内对于可恢复功能结构的研究起步相对较晚,潘振华等^[11]研究了一种在梁柱间通过角钢栓接耗能,并沿梁长布置高强预应力钢绞线的自复位钢框架梁柱节点。运用有限元软件分析得出了调整角钢厚度可以调节节点的耗能能力、增加拉索初始预拉力大小亦可增加节点自复位能力的结论,证明了该节点具有良好的耗能以及震后恢复能力。吕西林等^[12,13]结合国内外对于可恢复功能结构的研究现状,正式对可恢复功能结构进行了概念定义,同时论述了可恢复功能结构的研究现状并跟进了可恢复功能结构的研究进展。惠宽堂等^[14]基于对连接破坏结构的研究,提出了一种顶底角钢自复位节点M-θ_r关系的算法,将通过函数拟合得到的弯矩-转角关系与有限元结果以及已有试验结果进行比较分析,结果吻合良好,证实了所提出理论的合理性。张爱林、张艳霞等^{[15,16,17,18]}设计了一种具有可恢复功能的拉索预应力装配式钢框架梁柱节点,并对其进行了试验研究与理论分析,论述了该结构通过合理设计拉索初始预拉力的大小以及摩擦耗能装置,可使得结构具有较好的抗震性能和自复位能力。蔡小宁等^[19]基于结构的震后可恢复功能,提出了一种新型自复位预应力预制节点,通过低周往复加载试验,研究了预应力筋和角钢对节点受力性能的影响。

　　 通过以上论述可知,目前对于通过狗骨翼缘盖板控制结构塑性损伤、实现节点耗能,预应力拉索提供恢复力的可恢复功能装配式钢节点研究相对缺乏,且现在依然需要对可恢复功能节点进行创新研发和深入研究,以期获得地震作用下最佳的节点构造形式。因此,本文提出了一种带狗骨削弱盖板的自复位预应力钢框架梁柱节点。通过在翼缘上设置狗骨削弱盖板,由翼缘连接盖板来提升节点承载力且耗散地震能量,最大程度上保护主体结构,使主体结构免于损伤破坏;同时,合理设置拉索初始预拉力与狗骨削弱翼缘连接盖板厚度之间的关系,可通过拉索初始预拉力提供的恢复力使得结构达到复位效果,实现在震后更换狗骨削弱的翼缘连接盖板便可达到恢复使用的目的。

　　 本文提出的带狗骨削弱盖板的自复位预应力钢框架梁柱节点,暨在保证梁柱节点达到预期复位效果以及承载能力的基础上,通过设置翼缘狗骨削弱盖板,提高节点的承载能力和耗能能力,充分保护主体结构,降低塑性损伤。在震后由预应力拉索提供节点恢复力,更换狗骨削弱盖板便可正常使用,为目前可恢复功能结构中存在的震后修复难度高、修复成本大等问题提出新的解决思路。新型带狗骨削弱盖板的自复位预应力钢框架梁柱节点(图1)主要由带悬臂梁段的圆钢管柱、结构梁段、连接盖板、预应力拉索以及高强螺栓群组成,其中结构梁段进行了变截面设计,分为加强梁和普通梁两部分。对结构梁段与悬臂梁之间的转动挤压区域进行加厚处理,可有效防止拼接转动导致的塑性损伤甚至屈曲变形。图1(b)为本文新型自复位预应力梁柱节点拆分示意图,翼缘连接盖板进行了狗骨削弱,通过高强螺栓群使其与悬臂梁段、结构梁段连接成为整体,在地震作用下结构梁段与悬臂梁发生转动时会拉伸相应的翼缘狗骨削弱盖板,以此增加节点的承载能力和耗能能力,有效降低地震对主体结构造成的损伤。图中所示预应力拉索为高强预应力钢绞线,通过在索肋之间张拉使得拉索获得一定初始预拉力,在地震过程中为节点提供恢复力,使得结构达到复位效果。

　　 本文共设计了4个带狗骨削弱盖板的自复位预应力钢框架梁柱节点算例,研究有无狗骨削弱盖板对节点抗震性能的影响,以及不同狗骨削弱盖板厚度与拉索初始预拉力搭配关系对节点自复位性能的影响。故主要变化参数为上下翼缘的狗骨削弱连接盖板厚度t_cov,f以及拉索初始预拉力T_f。节点拼装详图如图2所示,各节点算例主要参数及板件材质如表1所示。

　　 各节点算例所采用的柱子为圆钢管柱,总长3 000mm,分上、中、下3段组成。上段圆钢管柱和下段圆钢管柱均采用ϕ299×14的圆钢管,中段圆钢管柱采用ϕ299×16的圆钢管。悬臂梁段采用截面为H324×200×12×24的H型钢梁,结构梁段中加强梁段截面尺寸为H324×200×12×24,普通梁段为H300×200×6×12,变截面处采用一级对接焊缝放坡焊接,具体尺寸如图3所示。预应力拉索采用公称直径为21.8mm的预应力钢绞线,抗拉强度1 860MPa,极限破断力大小为582kN,索肋连接板厚度20mm。除翼缘连接板以及预应力拉索外,钢材牌号均为Q345B,所用的连接螺栓规格为10.9级的M22摩擦型高强螺栓,节点与螺栓栓帽的接触面之间均采取喷砂处理,螺栓在盖板上开孔位置以及狗骨削弱盖板具体尺寸如图4所示。

　　 采用ABAQUS有限元分析软件建立各节点算例精细化模型,预应力拉索采用T3D2单元进行模拟,其余节点组成部件均采用C3D8R实体单元进行网格划分,节点有限元模型如图5所示。考虑到连接盖板、悬臂梁、结构梁段等各板件以及高强螺栓群螺帽接触面之间的摩擦关系,设置了0.45的摩擦系数;同时,对于高强螺栓群的螺杆与板件之间的接触也设置了接触关系,摩擦系数取为零。

　　 圆钢管柱上下两端均设置为铰接约束,并在一端柱顶施加了对应0.3轴压比的轴向压力。连接各板件的螺栓为10.9级M22高强摩擦型螺栓,所施加的螺栓预紧力为190kN,各节点预应力拉索初始预拉力大小设置见表1。为避免在加载过程中梁段发生平面外位移,沿梁长方向施加了侧向约束;同时在梁端按一定加载制度施加了位移约束来模拟梁端加载,具体梁端加载历程为0mm—64.5mm(对应节点转角0.03rad)—0mm,其中64.5mm为按图5中Z轴负向施加的位移约束。

　　 各节点模拟所用的钢材本构模型均为双折线模型,各材料属性如表2所示。

　　 节点JDMN-1～JDMN-4的梁端荷载-位移曲线如图6所示。从图中可以看出,各节点在加载初期均保持弹性变化,初始刚度基本相同;通过合理组合狗骨削弱盖板厚度和拉索初始预拉力大小,4个节点算例的屈服荷载基本相同,但卸载时各曲线在接近坐标原点时拐点出现的位置并不相同,这表明不同的拉索初始预拉力与盖板厚度的组合对节点的复位效果有着一定的影响。从曲线包络面积来看,节点JDMN-4的包络面积要小于其他3个节点算例,说明不设置狗骨削弱盖板但增加拉索初始预拉力的梁柱节点,其耗能能力要小于具有狗骨削弱盖板的节点。

　　 表3给出了各节点算例的最大承载力以及复位后的残余位移。从表中可以看出JDMN-3的承载能力要高于其他3个节点算例;在初始拉索预拉力相同的情况下,增加狗骨削弱盖板厚度可提高节点的最大承载力;在狗骨削弱盖板厚度相同的情况下,增大拉索初始预拉力同样可以提高节点的承载能力。此外,JDMN-1～JDMN-3的最大承载力均大于JDMN-4,再次说明通过设置狗骨削弱盖板可以明显提高节点的抗震性能,同时狗骨削弱盖板的设置降低了拉索初始预拉力值,使得预应力拉索能够保持足够的安全系数。表3中所示的残余位移为图6中荷载-位移曲线与X轴相交所得,可以看出各节点算例的残余位移均非常小,基本上实现了节点的自复位效果。JDMN-4所表现出来的残余位移比其他3个节点算例均大,主要是因为较大的初始拉索预拉力使得结构梁段内部有较大内应力,在地震作用下梁段发生转动挤压处更容易出现塑性发展,使得节点在加载结束后梁端出现了较大的残余位移,再一次证明了本文提出的预应力拉索配合狗骨削弱盖板的新型自复位梁柱节点构造形式,无论对于提升节点的承载能力、耗能能力还是对于降低主体结构塑性损伤方面均有明显的效果。需要注意的是,对于节点JDMN-1～JDMN-3的残余位移,在震后还可以通过松动翼缘连接盖板上的螺栓,使节点达到更好的复位效果。

　　 节点的4根预应力拉索两两对称布置,故选取图1(b)中上下两根预应力拉索LS1和LS2作为研究对象来分析各节点在加载过程中索力的变化情况。

　　 图7(a)为拉索LS1在加载过程中的索力变化曲线,LS1位于节点上翼缘一侧,在进行加载的过程中,LS1索力变化趋势基本是先小幅度减小,然后逐渐增加并恢复到初始预拉力值,索力变化路径如图中箭头方向所示。从图中可以看出,随着拉索初始预拉力的增加,拉索LS1索力变化曲线所包络的面积逐渐减小,其原因主要是在加载过程中梁会产生挠曲变形,当向图5中Z轴负向施加位移时,结构梁段会发生Z轴负向的挠曲变形,这使得拉索LS1张拉伸长量减少,LS1索力下降;当节点反向卸载时,结构梁段逐渐恢复平直状态,LS1索力会逐渐恢复到初始预拉力值;而随着拉索初始预拉力的增加,结构梁段刚度也会增大,在相同的位移加载条件下结构梁段变形程度会降低,拉索拉伸长度和相应回缩量将会减小,故索力变化曲线表现出包络面积减小的趋势,如JDMN-4。

　　 对比JDMN-1～JDMN-4拉索LS1索力变化的初始预拉力值与加载结束后索力值的吻合程度可知,JDMN-1～JDMN-3吻合程度较好,索力变化曲线的起点和终点基本吻合,而JDMN-4出现了明显的偏差,这主要是因为JDMN-4的拉索初始预拉力较大,在加载过程中梁的塑性损伤较为严重,造成了结构梁段轻微的轴向压缩变形;由于预应力拉索长度较短,结构梁段轻微轴向压缩变形将对索力产生明显影响,故表现出索力有少许下降。

　　 图7(b)为拉索LS2在加载过程中的索力变化曲线,LS2位于节点下翼缘一侧,在进行加载的过程中,LS2索力变化趋势基本是先增加后减小,然后逐渐恢复到初始预拉力值,索力变化如图中箭头所示。在进行加载的过程中,随着梁端位移的增加,拉索LS2随结构梁段的转动逐渐被拉伸,索力值开始逐渐增加;当反向卸载时,结构梁段与悬臂梁之间的开口减小,LS2被拉伸程度开始降低,索力开始下降;当梁端位移恢复到零时,索力基本与初始预拉力值保持相同,这也表明在地震作用后,由预应力拉索提供恢复力可以使节点构造达到复位的效果。通过对比JDMN-1～JDMN-4的LS2索力变化曲线,发现JDMN-4的索力变化曲线始、末值并未重合,出现了明显的偏差,证明过大的拉索初始预拉力会对节点造成一定的塑性损伤,进而导致索力出现亏损。

　　 图8为节点JDMN-1～JDMN-4在梁端位移达到64.5mm(0.03rad)时的应力云图,从图中也可看出各节点的变形情况及破坏模式,其中灰色部分表示该区域应力超过345MPa。从图中可以看出,随着梁端位移的施加,结构梁段上翼缘与悬臂梁上翼缘发生挤压,进而导致上翼缘的狗骨削弱盖板发生弹性变形;下翼缘盖板由于结构梁段与悬臂梁之间的开口而受拉屈服进入塑性,实现其塑性承载与耗能。

　　 观察JDMN-1～JDMN-3的破坏模式可知,各节点塑性损伤的区域主要集中在结构梁段与悬臂梁挤压旋转处及狗骨削弱盖板处。各节点在整个加载过程中依然保持着良好的承载性能,并且在预应力拉索的作用下达到了复位效果。对于节点JDMN-4,由于未设置狗骨削弱盖板进行有效承载且初始拉索预拉力较大,导致节点JDMN-4出现了较多的塑性发展区域。虽然节点JDMN-4同样能达到震后复位的效果,但整体塑性损伤较为严重,相比之下JDMN-1～JDMN-3通过设置狗骨削弱盖板并降低了拉索初始预拉力,在充分保护主体结构的基础上实现了自复位,证明了设置狗骨削弱盖板的新型自复位梁柱节点在达到自复位效果的基础上,可有效降低拉索初始预拉力,同时通过狗骨削弱盖板来有效耗散地震能量,降低主体结构的塑性损伤。节点JDMN-4由于拉索初始拉力值较大,使得结构梁段自身的内应力较大,即便在其最大承载力较其余节点最大承载力明显偏低时,节点JDMN-4结构梁段腹板的塑性发展区域仍最为广泛。

　　 图9为各节点部位在节点转角为0.03rad时的应力分布曲线,曲线的横坐标代表板件上应力采集点距离钢管柱轴心的水平距离。图9(a)为JDMN-1～JDMN-3上翼缘盖板中轴线位置的应力分布曲线,应力采集位置如图10(a)所示。从图9(a)中可以看出,上翼缘盖板的应力变化经历由波峰到波谷再到波峰的过程,依次对应的应力采集点如图10(a)中的L1,L2,L3。图9(a)中曲线峰值为187MPa,未超过235MPa,表明上翼缘盖板整体均处于弹性状态。

　　 图9(b)为JDMN-1～JDMN-3下翼缘盖板应力分布曲线,图10(b)为下翼缘盖板的应力云图。从图9(b)中可以看出,各节点下翼缘盖板应力分布大致呈现n字形,这主要是由于结构梁段与悬臂梁之间发生了转动导致下翼缘处发生开口,迫使下翼缘的狗骨削弱盖板被整体拉伸至屈服,其大面积区域应力值超过235MPa,进入塑性强化阶段。

　　 图9(c)为JDMN-1～JDMN-4结构梁段上翼缘的应力分布曲线,结构梁段与悬臂梁直接挤压处应力值较高,随着横坐标的增大,结构梁段应力也逐渐降低;结构梁段变截面处由于梁段截面高度变小出现了应力突变,使得曲线上再一次出现一个峰值;从梁段变截面位置向梁端方向的应力变化再一次出现逐渐降低的趋势。对比图9(c)中的4条曲线可以发现,与不具有狗骨削弱盖板的JDMN-4相比,具有狗骨削弱盖板的JDMN-1～JDMN-3的应力变化值均位于JDMN-4之下,说明狗骨削弱盖板的设置可以有效降低结构梁段的内力大小和节点的塑性损伤,提升节点的承载力。

　　 本文对具有狗骨削弱盖板的可恢复功能预应力钢框架梁柱节点的抗震性能进行了静力分析,通过设计4个节点算例,分别对其荷载-位移曲线、索力变化曲线、破坏模式以及应力分布情况进行了对比分析,得到了如下结论:

　　 (1)在达到预期自复位效果的基础上,相比于无翼缘盖板节点,具有狗骨削弱盖板的新型自复位梁柱节点可通过翼缘盖板的拉伸变形充分耗散地震能量,增强节点的承载能力和耗能能力,降低结构的塑性损伤,提升节点的抗震性能,实现自复位效果;狗骨削弱盖板与拉索的合理组合可有效提高节点的承载力且避免拉索预拉力过大对结构梁段的超应力负荷。

　　 (2)狗骨削弱盖板与预应力拉索相组合的新型自复位梁柱节点由预应力拉索提供恢复力,震后更换狗骨削弱盖板便可达到恢复正常使用的目的,降低了震后修复难度和修复成本。

　　 (3)在保证自复位效果的前提下,不同拉索初始预拉力值与狗骨削弱盖板厚度的组合,对节点构件的恢复模式有着不同的影响,设计时应选取最优组合方案。