图1 可更换延性耗能连接组件的钢框架节点示意
Fig.1 Steel frame connections with replaceable high ductility and energy dissipation components
随着我国新型城镇化进程的大力推进、制造业技术的不断提高、以及对新型建筑结构形式的迫切需求，装配式建筑符合上述趋势，迅速发展。2016年我国出台一系列政策大力支持和推广这种绿色建筑形式[1]。钢结构具有良好的机械加工性能，轻质，高强，易拼装，适合模块化、标准化、工厂化、装配化和信息化[2]，工厂化预制率达到 90%[3]。因此，通过大力发展装配式钢结构，既可有效缓解钢铁行业产能过剩，也可推进传统产业转型升级[1,4]。
在装配式钢结构中，预制钢框架结构体系可广泛应用于新型城镇化进程中多层及高层建筑以及抗震安居工程之中[5―8]。构件之间的可靠连接是实现快速安装、保证结构整体性及安全性的关键技术。其中，利用连接组件并采用高强度螺栓连接各构件是最常用的技术手段，包括角钢连接[9―10]、外伸端板连接[11]、盖板连接[12]、T 型钢连接[13―14]、铸钢连接[15]等。
同时，全螺栓连接节点也便于实现震后连接组件可更换、结构使用功能快速恢复的目标。这种带有可更换构件的结构体系要求在地震作用下结构损伤及塑性变形尽可能集中在可更换耗能元件中，充分发挥建筑结构 “保险丝”作用，尽量保证主体结构保持弹性[16―19]。例如，Mansour等[20]开发了一种可更换钢框架连接节点，在距离梁端一定距离处，分别采用槽钢连接和端板连接进行局部削弱；Calado等[21―22]设计了一种采用螺栓连接的梁端可更换“保险丝”节点，利用腹板连接钢板和翼缘连接钢板耗能，在循环加载后，更换三个保险丝连接板由两名工人完成，整个更换工作大约需要1.5小时；胡阳阳等[23]提出了带损伤控制“保险丝”连接板的高强钢减震钢框架节点。上述研究均采用局部削弱或通过间隙构造形成损伤元，发挥“保险丝”作用，基本实现了连接组件集中耗能、震后可更换的目标。然而，正是由于可更换构件需要集中大部分结构损伤和变形，为了避免其过早破坏，影响整体结构的受力行为，对其制作材料的延性、耗能能力、疲劳性能、变形能力均有较高要求[16]。
图1 可更换延性耗能连接组件的钢框架节点示意
Fig.1 Steel frame connections with replaceable high ductility and energy dissipation components
因此，基于“高性能材料与高性能结构相结合，承重构件与耗能元件相结合”的理念，本文采用屈服点低、高延性、高耗能能力的低屈服点钢材[24―25]代替传统钢材制作连接组件，提出一种震后可更换延性耗能连接组件的钢框架节点，如图1所示。通过对比低屈服点钢材(LYP100和LYP160)、普通钢材(Q345B)及高强度钢材(Q460D)的本构关系[24―25]，可得：低屈服点钢材单调及循环强屈比均在2.0~3.0以上(如图 2(a)和图 2(b)所示)；LYP100钢材和LYP160钢材极限强度所对应的应变分别为 29.1%和28.6%，为普通钢材及高强度钢材的2.3倍~3.0倍，说明低屈服点钢材具有更好的延性；同时，如图2(c)所示，低屈服点钢材的滞回曲线更饱满，具有更好的耗能能力。基于上述特点，低屈服点钢材完全满足可更换耗能连接组件对制作材料性能的需求。
这种震后可更换延性耗能连接组件的钢框架节点的削弱及损伤程度可根据连接组件尺寸调节。当采用普通钢材连接组件时，如要进行局部削弱，需要减小连接组件尺寸，会直接影响连接节点的初始刚度及承载性能，难以满足设计要求，由于低屈服点钢材连接组件材料屈服点较低，便于形成局部削弱，为了满足承载性能要求，板件宽厚比较小，又能够较好地保证连接节点的初始刚度。低屈服点钢材连接组件集中结构塑性变形，耗散大部分地震能量，起到“结构保险丝”作用，主动控制“破坏模式、破坏位置、破坏次序、破坏程度”，其作用机理如图3所示。采用高强螺栓连接，实现预制装配功能和“延性耗能保险丝”功能的叠加，最终达到震后更换耗能损伤连接组件来实现结构功能可恢复的目标。
本文选取T型钢连接、4角钢连接、铸钢连接三种典型螺栓连接节点，连接组件分别采用低屈服点钢材 LYP100、LYP160和普通钢材 Q235，利用通用有限元软件ABAQUS，建立钢框架梁柱连接节点非线性全接触有限元模型，并应用国内外典型试验结果，验证数值模型的准确性和适用性。通过对比其承载性能、滞回行为、累积塑性应变以及耗能能力等，深入探讨采用低屈服点钢材连接组件的钢框架节点的“延性耗能保险丝”作用机理。
图2 低屈服点钢材、普通钢材、高强度钢材本构关系对比[24－25
Fig.2 Comparison of constitutive relation of low yield point steel, ordinary steel and high strength steel[24－25]
图3 可更换延性耗能连接组件“保险丝”作用机理
Fig.3 Mechanism of "fuse" for replaceable high ductility and energy dissipation components
为验证本文建立的有限元模型对模拟强非线性螺栓滑移现象、塑性屈曲行为的准确性及适用性，选取Iannone等[13]、Yang等[9]的试验进行验证。
利用有限元软件 ABAQUS建立钢框架梁柱连接节点的非线性有限元模型，梁、柱、连接组件、螺栓均采用空间三维六面体非协调单元(C3D8I)进行模拟，可避免剪力自锁现象。连接组件与梁、柱通过高强度螺栓连接，所有接触面切线方向采用库仑摩擦，法向方向为硬接触。利用Bolt Load命令在螺栓杆的中面施加螺栓预拉力。采用的加载制度和试验一致。
Iannone等[13]的试验是为了研究组件对钢框架梁柱连接节点抗震性能的影响，选取带T型钢连接组件的节点试件进行模拟，有限元模型及详细尺寸如图4所示。
图4 Iannone等[13]的试验试件数值模型及详细尺寸 /mm
Fig.4 Finite element model and detailed dimension of specimens of Iannone et al[13]
数值计算的滞回曲线与试验滞回曲线对比如图5(a)所示，典型的破坏形态对比如图5(b)所示，说明数值模型能够较为准确地模拟曲线捏拢、螺栓滑移及T型钢连接组件受拉鼓曲变形等现象。
图5 Iannone等[13]的试验有限元对比分析
Fig.5 Comparison of test and finite element method of
specimen of Iannone et al[13]
Yang等[9]的试验目的是为了对比钢框架梁柱节点采用高强度螺栓连接与完全焊接节点的抗震性能。选取带4角钢连接组件的连接节点试件进行模拟，有限元模型及详细尺寸如图6所示。
数值计算的滞回曲线与试验滞回曲线对比如图7(a)所示，计算结果与试验曲线基本吻合，能够较为准确地模拟曲线捏拢以及螺栓滑移现象。有限元模拟的破坏形态与实际试验的破坏形态对比如图7(b)所示，数值模型能够较为准确地模拟出顶底角钢被拉开的现象以及塑性铰和破坏线位置。
图6 Yang等[9]的试验试件数值模型及详细尺寸 /mm
Fig.6 Finite element model and detailed dimension of specimens of Yang et al[9]
图7 Yang等[9]的试验与有限元对比分析
Fig.7 Comparison of test and finite element method of specimen of Yang et al[9]
为了增加节点的变形能力，提高节点延性，避免出现传统梁柱节点焊缝处的脆性破坏，实现震后的可更换功能，选取了三种典型的梁柱节点全螺栓连接形式，分别为T型钢连接，4角钢连接和铸钢连接，考察不同连接形式对可更换延性耗能连接组件的钢框架节点抗震性能的影响，同时验证“保险丝”作用在不同形式节点中的有效性。连接组件分别采用低屈服点钢材LYP100和LYP160及普通钢材 Q235，不同连接组件材料对比分析说明延性耗能节点的作用机理，具体参数如表1所示。
表1 三种连接形式节点参数说明
Table 1 Parameters of three connections
连接组件类型 连接组件材料 编号LYP100 (fy=100 MPa)T100 T型钢连接组件LYP160 (fy=160 MPa)T160 Q235 (fy=235 MPa)T235 LYP100 (fy=100 MPa)A100 4角钢连接组件LYP160 (fy=160 MPa)A160 Q235 (fy=235 MPa)A235 LYP100 (fy=100 MPa)C100铸钢连接组件LYP160 (fy=160 MPa)C160 Q235 (fy=235 MPa)C235
梁柱截面尺寸根据规范[26]的要求设计。连接组件的设计遵循等用钢量原则，不同形式节点所采用的用钢量一致，保证节点初始刚度；不同连接组件材料对应不同的节点削弱程度；螺栓孔大小、位置和间距等符合设计规范[26―28]，螺栓的布置能够控制节点的刚度和变形。节点的详细尺寸以及数值模型如图8所示。
10.9级 M22高强度螺栓的材料本构采用混合强化准则[29]，多线性应力-应变曲线，屈服强度fy=995 N/mm2，极限强度fu=1160 N/mm2，预拉力取规范[27]中设计值190 kN，摩擦系数取0.45。梁、柱以及加劲肋均采用Q345钢材(fy=345 MPa)，混合强化准则；连接组件采用Chaboche循环本构模型[30]，混合强化准则，本构关键参数根据文献[24－25,31]试验结果标定，典型低屈服点钢材的试验结果如图2所示。
图8 连接节点详细尺寸以及数值模型
Fig.8 Dimension and numerical model of connections
在梁端部施加位移荷载，所有模型采用相同的加载制度，如图 9所示。这里定义节点总转角为θ=Δ/L，Δ为梁端位移，L为梁长。加载最大幅值为81.5 mm，转角θ=0.05 rad，设计的最大转角满足美国FEMA-97[32]对延性节点的要求(0.03 rad)。
图9 加载制度
Fig.9 Loading pattern
采用承载力系数来衡量节点的削弱程度，控制可更换连接组件的损伤程度，承载力系数越小，表示削弱程度越高，承载力系数α的计算方法如式(1)：
式中：Mmax为三种螺栓连接节点塑性抵抗弯矩最大值；Mb为梁塑性抵抗弯矩。
从图10单调加载承载力比值-转角曲线可以看出，曲线基本分为三个阶段：第一阶段是弹性阶段，连接组件材料对节点初始弹性刚度的影响较小，T型钢和铸钢连接节点初始弹性刚度比较接近，比 4角钢连接节点初始弹性刚度大18%左右。带LYP100钢材连接组件的节点最先进入塑性阶段。第二阶段是螺栓滑移阶段，带Q235钢材连接组件的节点有两段滑移段，第一段滑移段是由于上翼缘连接组件克服摩擦力而产生滑移，第二段滑移段是由于下翼缘连接组件克服摩擦力而产生滑移。而带低屈服点钢材连接组件节点只有一段滑移段，主要由于上翼缘低屈服点钢材连接组件克服摩擦力后立刻进入塑性阶段，而下翼缘连接组件仍未克服摩擦力，说明带低屈服点钢材连接组件的节点进入塑性状态较快。第三阶段是塑性发展阶段，在转角为0.02 rad时，带低屈服点钢材连接组件的节点均出现承载力降低或增长缓慢的现象，而带Q235钢材连接组件的节点承载力仍然持续增长，这是由于低屈服点钢材连接组件的塑性充分发展，起到“保险丝”作用，有效控制破坏位置以及破坏模式，而普通钢材连接组件基本没有发生明显变形，破坏逐步在主体结构中发展。
表2 连接节点承载性能对比分析
Table 2 Comparison of bearing capacity of connections
连接节点类型 承载力峰值/kN 承载力系数α弹性刚度/(kN/m)T100 108.00 0.52 14336.06 T160 139.14 0.67 14715.79 T235 251.28 1.21 14799.96 A100 110.54 0.53 11994.89 A160 143.57 0.69 12112.43 A235 186.38 0.90 12085.40 C100 126.08 0.61 14524.29 C160 166.85 0.80 14725.56 C235 268.13 1.29 14766.79
从表2和图10中可得，采用普通钢材连接组件的T型钢和铸钢连接节点在加载中出现承载力比值α>1.0，此时梁开始出现屈服，破坏逐步向主体框架转移。而采用低屈服点钢材连接组件的节点承载力比值始终α<1.0，梁并未出现屈服，说明低屈服点钢材连接组件可以有效保护主体结构不进入塑性阶段，起到“保险丝”作用，改变节点的破坏模式。各种形式连接节点的承载力均有一定的强化现象，在设计中应予以考虑，保证承载力系数在要求的节点转角变形范围内低于1.0，避免“保险丝”作用失效，过早失去保护主体结构的作用。4角钢连接节点的承载性能小于其他两种连接形式节点，但结论基本一致，带低屈服点钢材连接组件的节点并未出现梁屈服现象。上述分析也说明，当采用普通钢材连接组件时，如想达到同样保护效果，需要大幅减小连接组件尺寸，以达到局部削弱的目的，但这会直接影响连接节点的初始刚度，不利于正常使用阶段。
图10 节点单调加载曲线对比分析
Fig.10 Comparison of monotonic curves of connections
2.3.1 节点滞回耗能行为
能量耗散系数是衡量节点构件耗能能力的常用的指标之一，按照文献[33]的规定，构件的能量耗散系数E应按图11右侧式(2)计算。其中，SABC和SCDA分别表示滞回曲线上半部和下半部的面积；SOBG和SODF分别表示三角形面积。E值越大，节点耗能能力越强。
图11 能量耗散系数计算示意
Fig.11 Calculation of energy dissipation coefficient
图 12为节点的滞回曲线，三种连接形式节点的滞回曲线呈现反S型，这主要由于梁翼缘处高强螺栓预拉力损失，导致摩擦力损失后螺栓滑移使得滞回环中部出现了不同程度的捏拢现象。
按照图 11能量耗散系数的计算方法，根据图12的滞回曲线，得到图 13能量耗散系数曲线。从图 13中可得三种连接节点的能量耗散系数基本呈现LYP100>LYP160>Q235，说明带低屈服点钢材连接组件的节点耗能能力更强，这主要是由于低屈服点钢材本身耗能能力是普通钢材的1.3倍[24―25]。当转角小于0.01 rad时，T型钢和4角钢连接组件克服摩擦力，出现螺栓滑移较铸钢连接更早，开始进入螺栓孔壁承压阶段，因此进入塑性程度更深，能量耗散系数不断增大。随着转角的增加，T型钢和4角钢连接节点的能量耗散系数不断降低，主要由于T型钢和顶底角钢连接组件屈曲变形较严重，耗能能力明显降低，而铸钢连接节点的能量耗散系数渐渐趋于平稳，说明与T型钢和4角钢连接节点相比，铸钢连接节点的耗能能力更稳定。
图12 节点滞回曲线对比分析
Fig.12 Comparison of hysteresis curve of connections
图13 节点能量耗散系数对比分析
Fig.13 Comparison of energy dissipation coefficient of connections
2.3.2 各组件滞回耗能行为
图14为各组件滞回曲线横纵坐标定义示意，其中T型钢、角钢和铸钢件为可更换连接组件，梁和柱为普通组件。u1和u2分别为三种可更换连接组件的翼缘板端部和腹板端部在y方向上的位移，u1-u2为可更换连接组件两端的相对位移；M为梁端弯矩；F为作用在可更换连接组件y方向上的力；α为梁相对转角；P为加载点荷载；l为梁的长度；h为梁的高度；x1和x2为梁两端在x方向上的位移；v1和v2为连接处梁端的上下翼缘板在y方向上的位移。
图14 各组件滞回曲线横纵坐标定义示意
Fig.14 Definition of x-axis and y-axis of hysteresis curve of components
从图15~图17三种连接节点中梁的滞回曲线可以得到，采用低屈服点钢材LYP100和LYP160连接组件的节点，其梁刚度基本没发生退化，主体结构没有进入塑性阶段。采用Q235钢材连接组件的节点，其梁进入塑性阶段，尤其是T型钢连接节点和铸钢连接节点。由此说明：在往复荷载作用下，采用低屈服点钢材的连接组件作为一种延性耗能元件，能够有效集中耗散能量，保护主体结构，起到“保险丝”作用。
从图 18可更换连接组件相对变形与加载圈数曲线(由图15~图17可更换连接组件滞回曲线提取每一圈的最大相对变形值得出)可以看出，三种连接形式节点规律相似，前三圈可更换连接组件处于弹性阶段，随后进入塑性阶段，变形不断增大，每圈的相对变形呈现LYP100>LYP160>Q235，说明采用低屈服点钢材连接组件能够有效提高节点变形能力。从各可更换连接组件伸长率(相对变形最大值/各组件变形方向原长)可知，当节点转角达到0.02 rad时，T型钢连接组件最大伸长率为采用LYP100钢材的节点，其值为1.69%；当节点转角达到0.03 rad时，顶底角钢连接组件最大伸长率为采用LYP160钢材的节点，其值为4.34%；当节点转角达到0.045 rad时，铸钢连接组件最大伸长率为采用LYP160钢材的节点，其值为5.02%。三种连接节点最大伸长率远没达到文献[24]中得到的低屈服点钢材极限强度所对应的应变，说明连接组件还有较大变形空间，不会发生提早断裂破坏。
图15 带T型钢连接组件的节点各组件的滞回曲线对比分析
Fig.15 Comparison of hysteretic curves of components of connections with T steel
图16 带4角钢连接组件的节点各组件的滞回曲线对比分析
Fig.16 Comparison of hysteretic curves of components of connections with four angle steel
图17 带铸钢连接组件的节点各组件的滞回曲线对比分析
Fig.17 Comparison of hysteretic curves of components of connections with cast steel
图18 可更换连接组件相对变形曲线对比分析
Fig.18 Comparison of relative deformation of replaceable components
图 19(a)~图 19(c)对比了各组件耗散的能量(连接组件、梁、柱、总节点耗能)；图 19(d)~图 19(f)为各组件耗能比例与转角曲线，图中的纵坐标为各组件耗散的能量/整个节点耗散的总能量。从图中可得：在带低屈服点钢材连接组件的T型钢和铸钢连接节点的整个承载过程中，连接组件耗散95%以上的能量，耗能比较稳定。当转角大于0.01 rad时，4角钢连接节点的顶底角钢克服摩擦力后，螺栓开始承压，此时顶底角钢承担的耗能比例逐渐增大，双腹板角钢承担的耗能比例逐渐减小，二者共同承担整个节点90%以上的能量，发挥其“延性耗能保险丝”作用。三种连接形式采用Q235钢材连接组件的节点表现规律都是连接组件耗能逐步减少，梁的耗能逐步增加，说明能量耗散从连接组件向主体结构转移。当采用Q235钢材并当节点达到相同转角0.025 rad处时，T型钢连接节点的梁承担了38%的能量，4角钢连接节点的梁承担了59%的能量，铸钢连接节点的梁承担了28%的能量，此时Q235钢材的连接组件无法起到保护主体结构的作用。
图19 各组件能量耗散行为对比分析
Fig.19 Comparison of energy dissipation behavior of components
等效塑性应变PEEQ是一种塑性应变累积表征量，该指标反映了钢材局部的延性以及断裂倾向，因此也称为断裂倾向指标，PEEQ越大，说明该位置塑性应变累积越大，越容易发生断裂。
图20为各节点的PEEQ分布，颜色越深表明塑性应变累积越大，越容易发生断裂。图20(a)所示，在循环往复荷载作用下，T型钢连接组件的腹板和翼缘连接处逐渐形成塑性铰。T型钢连接组件腹板螺栓削弱处 PEEQ值最大。但采用普通钢材 Q235连接组件的节点除了在连接组件处塑性应变较大，在梁翼缘处塑性应变也相对较大，说明主体梁也明显进入塑性阶段。图20(b)所示，4角钢连接节点的顶底角钢以及腹板角钢均出现了较大塑性应变累积，而采用普通钢材Q235连接组件的节点在梁翼缘和腹板处也出现较明显的塑性应变累积。图20(c)所示，铸钢连接组件的水平肢与梁翼缘交接处PEEQ值较大，同时水平肢受弯拉起，导致肋板出现较大的屈曲变形，采用普通钢材Q235连接组件的节点在梁翼缘处塑性应变也相对较大。
图20 节点PEEQ分布和破坏形态对比分析
Fig.20 Comparison of PEEQ distribution and failure mode
从上述分析可知，不同连接节点的塑性应变累积位置不同，但是使用低屈服点钢材连接组件会使塑性应变累积位置主要发生在连接组件上，从而起到保护主体结构的作用，震后仅更换低屈服点钢连接组件，就能快速恢复结构的使用功能。
(1) 采用通用有限元软件 ABAQUS建立钢框架梁柱连接节点非线性有限元计算模型在模拟局部屈曲、螺栓滑移和破坏形态等方面与典型试验结果均吻合良好，验证了模型中采用的单元类型、材料本构、接触关系以及约束的合理性。
(2) 除了4角钢连接节点采用Q235钢材连接组件时出现承载力系数α=0.90，承载力系数α基本呈现LYP100<LYP160<1.0<Q235。连接组件采用低屈服点钢材的节点，其梁未进入塑性阶段，说明采用低屈服点钢材连接组件的可更换钢框架节点可以改变结构的破坏模式，比较合理地控制损伤位置，避免主体结构过早进入塑性阶段，起到“延性耗能保险丝”作用，震后仅通过更换低屈服点钢连接组件，就能快速恢复结构的使用功能。各种形式连接节点的承载力均有一定的强化现象，在设计中应予以考虑，保证承载力系数在要求的节点转角变形范围内低于 1.0，避免“保险丝”作用失效，过早失去保护主体结构的作用。
(3) 三种连接节点的能量耗散系数都基本呈现LYP100>LYP160>Q235，说明带低屈服点钢材连接组件的节点耗能能力更强。从节点各组件耗能、塑性应变累积及破坏形态对比分析中可得，三种连接形式带低屈服点钢材连接组件的节点，其塑性应变累积主要发生在连接组件上，连接组件的耗能占总耗能的90%以上，主体结构基本未进入塑性阶段，残余变形很小，说明低屈服点钢连接组件起到 “延性耗能保险丝”作用，具备实现震后可更换的条件。三种连接形式采用Q235钢材连接组件的节点，其塑性应变累积同时还发生在梁翼缘上，表现规律是连接组件耗能逐步减少，梁的耗能逐步增加到30%以上，说明能量耗散的主体逐步从连接组件向主体结构转移，无法再起到保护主体结构的作用，难以通过仅更换连接组件来恢复结构使用功能。
(4) 当节点转角达到0.045 rad时，低屈服点钢材连接组件的最大伸长率为5.02%，远小于低屈服点钢材极限强度所对应的应变，说明连接组件还有较大的变形空间，不会发生提早断裂破坏，为震后更换损坏的连接组件提供可靠保障。
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SEISMIC BEHAVIOR OF STEEL FRAME CONNECTIONS WITH REPLACEABLE HIGH DUCTILITY AND ENERGY DISSIPATION COMPONENTS