NUMERICAL STUDY ON HYSTERETIC PERFORMANCE OF ASSEMBLED BEAM-COLUMN STEEL JOINT WITH SMA CONNECTION
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摘要: 采用形状记忆合金(SMA)作为节点连接材料，可限制装配式钢结构在强震作用下的塑性变形，提升结构抗震韧性。该文以一种采用SMA连接的韧性抗震装配式钢节点为研究对象，建立精细化实体有限元模型，并通过试验验证模型的有效性，进而分析SMA螺栓预紧力和SMA束初始拉应力对装配式钢节点受力状态和滞回性能的影响。研究结果表明：建立的有限元模型可以较好地模拟装配式梁柱钢节点的滞回行为；SMA束连接的装配式梁柱钢节点具有极好的抗震韧性，在低周循环往复荷载作用下梁柱钢构件及其连接件基本维持在弹性范围内，且残余位移近似为零；提高螺栓预紧力可增大螺栓与钢板的摩擦力，进而提高梁柱节点的承载能力和耗能能力，但增大SMA束初始拉应力对梁柱节点的受力状态和滞回性能影响不显著。Abstract: Shape memory alloy (SMA) as joint connection material can limit the plastic deformation and improve the seismic resilience of the assembled steel structure under strong earthquakes. An assembled seismic resilient steel joints using SMA material was investigated. A delicate solid finite element model was established and verified by test data. The influence of bolt preload and SMA tendon pre-stress on the mechanics state and hysteretic performance of assembled steel joints were analyzed. The results show that the hysteretic behavior of assembled beam-column steel joints can be well simulated by the finite element model. The assembled beam-column steel joints connected by SMA tendons have excellent seismic resilience. When subjected to the low cyclic loading, the beam, column and their connectors are basically maintained within the elastic range, with a residual displacement of approximately zero. Increasing the bolt preload can increase the friction between the bolt and steel plate, and can improve the carrying capacity and energy dissipation capacity of the beam-column joint. However, increasing the SMA tendon pre-stress has insignificant effect on the mechanics state and hysteretic performance of the beam-column joint.
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在强震作用下，采用全约束连接方式的装配式钢结构将不可避免的发生塑性变形，从而通过延性能力来抵抗地震作用，防止结构倒塌破坏。然而，震后结构的塑性损伤和残余变形会严重影响其使用功能，且修复难度和成本较高[1-2]。基于STANTON等[3]提出的可释放弯矩的混凝土预制拼装理念，CHRISTOPOULOS等[4]研发了一种采用预应力钢筋连接节点的装配式钢框架结构，变形集中在梁柱界面的开合来限制弯矩的传递，并通过试验验证了该类结构具有极好的韧性抗震能力。但受限于预应力钢筋的弹性变形能力，当其进入塑性后结构的自复位能力下降明显。
近年来，形状记忆合金(SMA)因其具有超弹性效应[5]而引起了土木工程研究人员的极大关注[6-9]。GARDONE等[10]进行了SMA支撑与传统支撑的对比研究，表明SMA支撑可使钢筋混凝土框架结构具有极好自复位能力。DESROCHES等[11]以典型多跨简支梁桥为对象，得出了SMA限位杆比传统钢缆限位器具有更好的限位能力的结论。MILLER等[12]通过试验验证了SMA防屈曲支撑可提供稳定的自复位和耗能能力。SPEICHER等[13-14]通过试验验证了采用SMA束连接的梁柱钢节点在循环荷载作用下无明显残余变形和塑性损伤。ABOLMAALI等[15]通过试验研究指出，采用SMA螺栓连接可提升连接件的耗能能力。MA等[16-17]、FANG等[18]和FARMANI等[19]对采用SMA螺栓连接的梁柱节点进行了有限元研究和全尺寸循环试验研究，与采用高强度螺栓的传统连接方式相比，采用SMA螺栓连接方式的梁柱节点具有更好的自复位能力。
本文以SPEICHER等[13-14]提出的SMA束连接的装配式梁柱钢节点为研究对象，建立精细化有限元模型，并验证建模方法的有效性，分析此装配式梁柱钢节点的受力特点和规律，研究螺栓预紧力和SMA束初始拉应力对滞回性能的影响。研究成果可为采用SMA材料连接的装配式钢结构的抗震设计和工程应用提供基础性依据。
1 有限元分析模型
本文以文献[13-14]中的装配式梁柱钢节点试件为研究对象，如图1所示。该试件基于强柱弱梁理念设计，缩尺比为1∶2，梁柱采用A572 Gr.50钢材。通过SMA束和20.3 cm×12.7 cm×0.64 cm耗能钢板将2个274 cm长的W12×14梁与1个178 cm长的W8×67柱连接。耗能钢板焊接在柱表面的两侧，并采用3个1.6 cm的A325螺栓与梁连接。
采用ABAQUS建立的装配式梁柱钢节点试件的有限元模型如图2所示。梁柱钢构件采用减缩积分的三维八节点线性实体单元C3D8R，SMA束采用普通三维八节点线性实体单元C3D8。根据网格敏感性分析结果确定所采用的网格尺寸，且为获得更准确的计算结果，在梁柱连接区域设置了更小的网格尺寸。钢和SMA的材料特性取自文献[13]中的拉伸试件试验结果，其中SMA束的材料特性如表1所示。
表 1 形状记忆合金材料特性Table 1. Material characteristics of shape memory alloy材料特性 数值 奥氏体弹性模量EA/GPa 30 马氏体弹性模量EM/GPa 23 奥氏体到马氏体的起始应力σMs/MPa 280 奥氏体到马氏体的终止应力σMf/MPa 500 马氏体到奥氏体的起始应力σAs/MPa 320 马氏体到奥氏体的最终应力σAf/MPa 100 泊松比 0.33 相变应变εL 0.04 数值模型的边界条件与试验保持一致，柱顶和梁的两端采用滑动边界，柱底采用铰接边界。根据试验实际加载方式，在柱顶采用位移控制循环加载，使其与参考试验测试保持恒定，具体加载模式见文献[14]。
装配式梁柱钢节点试件有限元模型在最大位移时刻的受力状态如图3所示。从图3中可知，在地震作用下，梁柱钢构件及其连接件基本维持在弹性范围内，仅SMA束因梁柱连接界面间的局部分离而应力较大，超过σMf。图4给出了装配式梁柱钢节点试件的弯矩-位移角滞回曲线的试验数据和模拟值，从图4中可知该建模方法可较好地模拟装配式梁柱钢节点的滞回行为。值得注意的是，由于SMA束的应力超过σMf，位移角为0.45 rad时的计算值显著高于试验值。
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图 4 试验和数值模型的滞回曲线对比Figure 4. Comparison of hysteretic curves between experiment and numerical models2 滞回性能研究
2.1 螺栓预紧力
图5所示为当SMA束的应力达到σMf时，装配式梁柱钢节点有限元模型在不同螺栓预紧力下(工况1：90 MPa、工况2：120 MPa、工况3：150 MPa)的受力状态。从图5中可知，随着螺栓预紧力的提高，螺栓的应力集中现象越显著，但远未达到高强螺栓的屈服应力(<900 MPa)，螺栓不会发生失效。不同螺栓预紧力的弯矩-位移角滞回曲线如图6所示，装配式梁柱钢节点的残余位移仍为零，自复位能力未受影响；随着螺栓预紧力的增大，节点的抗弯承载力逐渐增大，且其初始刚度和卸载刚度也有小幅提升。
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图 6 不同螺栓预紧力下节点的滞回曲线Figure 6. Hysteretic curves of joints under different bolt preload图7描述了在不同螺栓预紧力下节点的耗能情况。从图7可知，在试件加载初期，试件处于弹性阶段，耗能较小。随着加载位移增大，试件进入弹塑性阶段，耗能逐渐增多。值得注意的是，螺栓预紧力的增大，会提高节点的耗能能力。引起这个现象的主要原因是螺栓预紧力增大会提高螺栓与摩擦板之间滑动摩擦力，如图7(b)所示。
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图 7 不同螺栓预紧力下节点的耗能能力Figure 7. Energy dissipation of joints under different bolt preload2.2 SMA束初始拉应力
如图8所示，在不同SMA束初始拉应力下(工况2：100 MPa、工况4：80 MPa、工况5：120 MPa)，装配式梁柱钢节点的受力状态变化不明显。同样，从图9可知，SMA束初始拉应力的改变对滞回曲线的影响不大。因此，对节点的耗能能力也影响较小，在加载位移达到89 mm时，相比工况2，工况5的耗能仅增大了5.5% (如图10所示)。
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图 8 不同SMA束初始拉应力下节点的受力状态Figure 8. Mechanics state of joints under different SMA tendon pre-stress![]()
图 9 不同SMA束初始拉应力下节点的滞回曲线Figure 9. Hysteretic curves of joints under different SMA tendon pre-stress![]()
图 10 不同SMA束初始拉应力下节点的耗能能力Figure 10. Energy dissipation of joints under different SMA tendon pre-stress图11描述了SMA束在低周反复荷载下的应力变化情况(对应图8中的A点、B点和C点)，SMA束的应力呈现反复波动，并且随着加载位移的增大，应力值也逐渐提高。值得注意的是，初始拉应力对SMA束最终应力值的影响可近似忽略。
3 结论与展望
为了研究SMA束连接的装配式梁柱钢节点滞回性能，本文在已有试验的基础上，建立了精细化有限元模型，分析了螺栓预紧力和SMA束初始拉应力对节点滞回性能的影响规律，具体结论如下：
(1)本文给出有限元建模方法可较好地模拟SMA束连接的装配式梁柱钢节点的受力状态和滞回行为；SMA束连接的装配式梁柱钢节点具有极好的抗震韧性，在地震作用下，梁柱钢构件及其连接件基本维持在弹性范围内，且自复位能力强，残余位移近似为零。
(2)高强螺栓预紧力的增大，会提高螺栓与摩擦板之间滑动摩擦力，进而提升装配式梁柱钢节点的承载力和耗能能力，且自复位能力仍维持不变，虽然高强螺栓的应力集中变显著，但远未达到高强螺栓的屈服应力，安全储备较大。
(3) SMA束初始拉应力的变化对装配式梁柱钢节点的受力状态和滞回性能影响不显著，且SMA束最终应力状态与初始拉应力的关联性可近似忽略。
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图 4 试验和数值模型的滞回曲线对比
Figure 4. Comparison of hysteretic curves between experiment and numerical models
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图 6 不同螺栓预紧力下节点的滞回曲线
Figure 6. Hysteretic curves of joints under different bolt preload
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图 7 不同螺栓预紧力下节点的耗能能力
Figure 7. Energy dissipation of joints under different bolt preload
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图 8 不同SMA束初始拉应力下节点的受力状态
Figure 8. Mechanics state of joints under different SMA tendon pre-stress
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图 9 不同SMA束初始拉应力下节点的滞回曲线
Figure 9. Hysteretic curves of joints under different SMA tendon pre-stress
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图 10 不同SMA束初始拉应力下节点的耗能能力
Figure 10. Energy dissipation of joints under different SMA tendon pre-stress
表 1 形状记忆合金材料特性
Table 1 Material characteristics of shape memory alloy
材料特性 数值 奥氏体弹性模量EA/GPa 30 马氏体弹性模量EM/GPa 23 奥氏体到马氏体的起始应力σMs/MPa 280 奥氏体到马氏体的终止应力σMf/MPa 500 马氏体到奥氏体的起始应力σAs/MPa 320 马氏体到奥氏体的最终应力σAf/MPa 100 泊松比 0.33 相变应变εL 0.04 
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期刊类型引用(2)
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百度学术
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