装配式钢筋混凝土结构：人工可控塑性铰钢节点变形机制研究

文摘科学 2022-12-30 22:21 甘肃

引用格式：

Yuan Yu-Jie, Wang Wen-Da*, Huang Hua. Deformation mechanism of steel artificial controllable plastic hinge in prefabricate frame. Journal of Constructional Steel Reserarch, 2023, 201: 107735(1-18).

Highlights:

1. A bending-shear decoupling replaceable ACPH joint is put forward for precast structures.

2. The （ACPH were manufactured by steel to achieve the deformability of the prefabricate RC structure to that of the steel structure

3. Seismic behavior of the ACPH is explored based on experimental research.

4. The deformation model and deformation calculation formula of ACPH are put forward.

5. The formulas of ultimate moment bearing capacity for the ACPH are proposed.

论文信息：

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143974X22006058

论文50天免费下载链接(至2023年2月3日)：https://authors.elsevier.com/c/1gFe7,3HWfEMyg

DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107735

一、研究背景

近年来，结构抗震设计一个重要发展趋势是从防止结构倒塌转向结构功能的可持续、可恢复、可更换。结构震后功能的可恢复依赖于结构变形的可恢复性。可恢复结构主要由主结构和可更换元件组成，在预期大地震作用下，主结构保持弹性或者微弹塑性变形，而结构塑性变形主要集中在可更换元件上，震后更换损坏元件使结构功能恢复正常。可更换元件装置在结构中将结构承重功能和耗能功能集于一体的为集成体系，而结构承重功能和耗能功能分离的为分离体系。对于装置损伤元件装配式混凝土结构，协调损伤与预制构件的性能，可实现结构具有可控、稳定、有序、渐进的损伤机制。“先梁铰后柱铰”实现了框架结构的分散耗能，表现出优良的延性，因而被视为框架的理想损伤机制。装配式结构中装置可更换元件可实现结构损伤分散的目的，使结构中尽可能多的构件参与耗能，避免损伤集中导致结构局部出现薄弱部位。

为提高装配式结构体系的抗震性能和功能恢复能力，将可更换元件直接置换结构连接或者易损区域的钢筋混凝土，使其在结构的正常使用状态下提供足够的刚度和承载能力，在强震作用下耗散地震能量、集中结构非线性变形，从而避免预制钢筋混凝土结构构件的损伤，震后通过更换损伤元件来恢复结构的正常功能。基于结构可修复理念，本文设计了一种弯-剪解耦的装配式可更换人工可控塑性铰节点（Replaceable Artificial Controllable Plastic Hinge: ACPH），其构造和安装如图1所示。ACPH由两个系统组成：耗能系统，仅承载力弯矩；连接系统，承载剪力和轴力或部分弯矩。耗能系统由四块相同尺寸的薄板和两块带有预留螺栓孔的厚板焊接组成，通过钢制薄板的变形来耗散能量；连接系统是由两个双耳板和一个销轴组成的机械铰，销轴与耳板传递轴力和剪力，这样铰节点实现了构件截面弯矩和剪力的解耦，更有力于控制铰节点的性能。本文设计了3个节点进行低周反复加载试验，选取耗能薄板的削弱面积率影响因素。对试件制作、试验条件及试件破坏过程进行了详细的描述。对人工塑性铰结点在低周反复加载试验的工作过程、破坏状态、荷载-转角曲线、承载力等进行分析，研究铰节点的转动能力、刚度退化、延性系数以及耗能能力，揭示节点的工作原理和变形机制，为后续铰节点的性能控制设计提供依据。

二、试验设计

试验制作了3个180×290×300mm3人工可控塑性铰钢节点(ACPH-A00、ACPH-A25、ACPH-A50，图2)，主要改变了耗能薄板截面削弱比率（50%，25%，0%）。试件编号中ACPH代表Replaceable Artificial Controllable Plastic Hinge，A代表耗能薄板截面面积，00、25和50代表耗能薄板截面削弱的比例。试件中耗能薄板采用造价经济、屈服点低、延性优良的Q235B钢；耗能端板、耳板以及耳板底板采用焊接性能较好Q345B钢；销轴采用强度、硬度、冲击韧性等综合机械性能均比较优越的Cr40合金结构钢。连接系统与耗能系统均采用10.9级高强度摩擦型单面连接螺栓（M18），接触面未经处理，抗滑移系数为0.33。

人工可控塑性铰节点低周反复加载试验装置如图3所示，试验装置包括反力架、电液伺服作动器、加载梁以及底座。底梁通过16根12.9级高强度螺栓杆锚固在反力架水平底梁上，并施加充足预压力保证试验期间底梁与反力架水平梁不发生滑移。人工可控塑性铰节点通过10.9级高强度摩擦型螺栓与底座和加载梁连接，加载梁端部与作动器垂直连接。电液伺服作动器加载板中心与人工塑性铰销轴中心之间的垂直距离为1150mm，耗能薄板中心到销轴中轴的垂直距离为120mm。加载制度如图4所示。整个位移加载速度为8mm/min以确保检测数据点的准确与稳定。发生下列情况之一时即可停止加载：①试件承载力下降到峰值荷载的80%；②耗能薄板断裂；③耗能薄板与耗能端板焊缝撕裂；④螺栓拔出或断裂；⑤试验中不能继续安全加载时，终止试验。

三、试验结果与分析

人工可控塑性铰节点破坏过程如图5~7所示，人工可控塑性钢节点的破坏模式为耗能薄板的撕裂破坏，3个铰节点的破坏过程基本一致，按照加载现象可分为：①弹性阶段：加载初期，耗能薄板处于弹性阶段，受压区耗能薄板未屈服，荷载由受压和受拉区耗能薄板共同承担，耗能端板、销轴、耳板和耳板底板均无明显变形特征；②受压屈服阶段：继续加载，位于受压区的耗能薄板由于长细比较大，先于受拉侧耗能薄板屈服；随着位移的增加，受压区耗能薄板屈服应力在受压屈服应力附近波动，而受拉侧耗能薄板未受拉屈服，仍处于弹性阶段，受拉侧耗能薄板的承载力会随着加载幅值的增加而增长；③受拉屈服阶段：当受拉侧耗能薄板变形增大至塑性变形，此时受压、受拉侧耗能薄板均处于屈服状态；但受拉侧耗能薄板未达到极限应力，人工可控塑性交铰节点承载力仍会随着位移的增加而增长；④破坏阶段：人工可控塑性铰节点历经40多次循环往复加载，耗能薄板由于拉压往复加载损伤逐渐累积，在达到极限应变时，发生断裂破坏。

ACPH-A50、ACPH-A25、ACPH-A00试件的荷载-位移曲线如图8所示，水平位移以加载梁顶水平作动器伸长为正向位移，收缩为负向位移。由人工可控塑性铰荷载-位移曲线可知，3个试件的滞回环呈现典型的“Z”型，三个人工塑性铰节点的变化趋势一致。人工可控塑性铰节点的滞回曲线正、负对称，该种现象主要因为铰节点两个耗能系统对称的安装在梁的上部和下部，耗能薄板的状态始终处于一侧受拉一侧受压，并在加载幅值中点时，恢复到初始状态缓解结构的塑性变形。人工可控塑性铰钢节点滞回曲线不饱满，可通过以下方法增强耗能能力：①增加耗能薄板的尺寸和数量；②采用低屈服点的钢材或者记忆合金；③改变耗能薄板的形状，建议T型，C型等；④在耗能薄板之间填充材料，提升耗能薄板的压屈承载力和耗能能力，如粘滞阻尼橡胶、泡沫混凝土或其它高阻尼材料；⑤耳板之间放置摩擦板，并对销轴施加预紧力，通过耳板之间的转动摩擦提升ACPH的耗能能力。

人工可控塑性铰的骨架曲线如图9所示，骨架曲线呈“Z”形，构件往复加载过程中都经历了2个阶段：加载初期试件处于弹性阶段，该阶段试件的刚度保持稳定，位移与荷载呈线性增长；构件屈服后，荷载仍随着位移缓慢增长，但是刚度急剧减小，直到试件破坏未有承载力下降的趋势。以上现象表明，人工可控塑性铰节点具有较好的承载性能，在地震作用下具有优良的抵抗作用。试件ACPH-A25和ACPH-A50承载力相较于试件ACPH-A00分别减少50%和25%，改变耗能薄板的截面积可以有效改变试件的刚度和承载力。3个节点的延性均大于7，试件延性最大可达8.56，且此时耗能薄板并未撕裂，承载力也在持续增长，节点仍有较强的承载能力和充足的变形能力；试件ACPH-A25和ACPH-A50在位移加载到88和80mm时耗能薄板分别发生断裂现象，但是试件破坏之前承载力均未下降；此外两个试件的延性均超过8，人工可控塑性铰转动角度都超过了3倍抗震设防大震层间位移角，这主要得益于耗能薄板是由Q235B材质的钢材制成，Q235B钢材屈服点低、延性好、价格低廉是比较优良的耗能材料。图10为人工可控塑性钢节点不同耗能薄板截面削弱程度的等效粘滞阻尼比曲线。加载初期（12mm），铰节点处于弹性状态，等效粘滞阻尼系数较小但是随着位移的增加而增大；当铰节点进入塑性状态，等效粘滞阻尼系数开始稳定在0.11。在水平位移幅值加载到40mm之后（转角0.0348rad），铰节点的等效粘滞阻尼系数开始缓慢减小，这主要因为耗能薄板在加载后期进入大变形阶段，承载力增长带来的耗能量的增长难以弥补耗能薄板大变形造成的残余变形增加量，进而导致滞回环相对比较狭长。但三个人工可控塑性铰钢节点的等效粘滞阻尼比均在0.07之上，表明该铰节点的耗能性能优良。

四、节点变形机理及极限承载力分析

节点是结构中构造最为复杂的部分，由2个或2个以上的结构构件相连的区域，通常包括节点区、连接件、被连接件等。节点的性能包括节点的强度、刚度、转动能力和耗能能力等。组件法是将节点拆分为多个基本组件，每个组件是由线性和非线性弹簧模拟，通过分别计算各个组件的受力特性并按组件之间的串、并联方式组合计算以获得节点的整体的力学性能。该方法物理意义明确，从构成节点的基本组件出发考察节点的整体性能有利于了解节点连接的工作机理，并可确定各组件的失效顺序。参考EC3中纯钢节点中对刚度较大组件的假定不会引起连接变形。销轴、耳板以及耳板底板均较厚且采用的钢材强度较高，可视为以上三个组件刚度无限大，不考虑三者的自身和之间的连接变形。本文在计算人工可控塑性铰节点转动变形量时考虑的基本组件包括钢耗能薄板、耗能端板、螺栓杆、安装间隙。人工可控塑性铰节点是完全对称结构，该节点承受正弯矩作用与负弯矩作用的弹簧模型和相应的简化模型相同，如图11其所示。

人工可控塑性铰节点是以受压区耗能薄板的压区为屈服状态，由于耗能薄板长细比比较大，受压屈服应力小于受拉屈服应力，此时受拉区耗能薄板仍处于弹性状态，则铰节点屈服时转角为：

ACPH达到极限承载状态时，耗能薄板受拉边缘已经达到纤维屈服，此时铰节点极限角为：

随着薄板挠度的增大，板面应力重分布以及板中面薄膜应力的出现，薄板在屈服后仍能承载。由ACPH试件屈服之后，耗能薄板发生较大的平面外变形，此时该板挠度超过其厚度的1/5，受力特点属于薄板大挠度变形，须考虑中面内各点由挠度引起的纵向位移，因而此项需计算中面位移引起的中面应变和中面应力。假定耗能薄板为单向均匀受压的四边简支薄板，则ACPH极限抗弯承载力为：

基于前期人工可控塑性铰屈服承载力分析，结合本文人工塑性铰节点变形机理和极限承载力分析，试件ACPH-A00、ACPH-A25和ACPH-A50理论推导结果与试验骨架曲线对比如图12所示，理论推导曲线与试验曲线吻合较好。

五、结论

Conclusions

ACPH的屈服状态为受压区耗能薄板的压屈屈服，破坏状态为受拉区耗能薄板达到极限应变的撕裂破坏，达到控制结构损伤位置的目的。连接系统始终未变形，从而保证ACPH的可修复性。

ACPH的转角位移可超过3倍抗震设防大震层间位移角，此时试件承载力仍在稳定增长。ACPH具有优越的变形能力，节点延性系数均大于7。

削弱耗能薄板的面积可有效实现控制ACPH的抗弯承载力，促使ACPH破坏位置出现在截面削弱处，避免耗能薄板与耗能端板间的焊缝破坏。

采用组件法推导ACPH的变形计算方法，考虑了螺栓伸长量、螺栓安装间隙以及耗能端板等构件的变形；基于大挠度薄板理论，推导ACPH极限承载力计算公式。计算结果与实验结果的偏差在15%以内，表明ACPH变形模型和计算公式是合理的。

六、相关文献

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袁玉杰：女，河南人，博士，讲师。主要从事装配式钢筋混凝土结构抗震、减震等方面研究。

2018.09-2022.06，长安大学建筑工程学院结构工程专业，博士研究生

2022.06-至今，兰州理工大学土木工程学院，讲师

作者简介

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组合结构抗震

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[2].史艳莉，纪孙航，王文达*，张宸，范家浩．大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能研究．土木工程学报，2022，55(1): 75-88, DOI: 10.15951/j.tmgcxb.2022.01.003

[3].王文达*，陈润亭．方钢管混凝土柱-外环板式组合梁节点在地震损伤后的耐火性能分析．工程力学，2021，38(3): 73-85，DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.05.0259

[4].王凤，王文达*，史艳莉．钢管混凝土框架柱计算长度研究．工程力学，2015，32(1): 168-175

[5].王文达*，魏国强，李华伟．钢管混凝土框架-RC剪力墙混合结构滞回性能分析．振动与冲击，2013, 32(15): 45-50

[6].王文达*，史艳莉，文天鹏．钢框架平端板连接组合节点弯矩-转角关系．振动与冲击，2013，32(10):43-49+68

[7].史艳莉，王文达，靳垚．考虑墙体作用的低层冷弯薄壁型钢轻型房屋住宅体系弹塑性动力分析．工程力学，2012，29(12): 186-195

[8].Han Lin-Hai, Wang Wen-Da, Tao Zhong. Performance of circular CFST column-to-steel beam frames under lateral cyclic loading. Journal of Constructional Steel Research, 2011, 67(5): 876-890

[9].曲慧，王文达．钢管混凝土梁柱连接节点弯矩-转角关系实用计算方法研究．工程力学，2010，27(5): 106-114

[10].王文达，韩林海．钢管混凝土柱-钢梁平面框架的滞回关系．清华大学学报(自然科学版)，2009，49(12): 1934-1938

[11].王文达，韩林海．钢管混凝土框架力学性能的简化二阶弹塑性分析．清华大学学报(自然科学版)，2009，49(9): 1455-1458

[12].Wang Wen-Da, Han Lin-Hai, Zhao Xiao-Ling. Analytical behavior of frames with steel beam to concrete-filled steel tubular column. Journal of Constructional Steel Research, 2009, 65(3): 497-508

[13].王文达，韩林海．钢管混凝土框架力学性能的非线性有限元分析．建筑结构学报，2008，29(6): 75-83

[14].王文达，韩林海．钢管混凝土框架实用荷载-位移恢复力模型研究．工程力学，2008，25(11): 62-69

[15].Wang Wen-Da, Han Lin-Hai, Uy Brian. Experimental behaviour of steel reduced beam section (RBS) to concrete- filled CHS column connections. Journal of Constructional Steel Research, 2008, 64(5): 493-504

[16].Han Lin-Hai, Wang Wen-Da, Zhao Xiao-Ling. Behaviour of steel beam to concrete-filled SHS column frames: Finite element model and verifications. Engineering Structures, 2008, 30(6): 1647-1658

[17].王文达，韩林海，游经团．方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点滞回性能的实验研究，土木工程学报，2006，39(9)：17-25

[18].王文达，韩林海，陶忠．钢管混凝土柱-钢梁平面框架抗震性能的试验研究．建筑结构学报，2006，27(3)：48-58

Part.5

组合结构全寿命周期性能

[1].Wang Wen-Da*, Ji Sun-Hang, Shi Yan-Li. Experimental and numerical investigations on concrete-filled double-tubular slender columns under axial and eccentric loading. Journal of Constructional Steel Research, 2023, 201: 107714.

[2].Jia Zhi-Lu, Wang Wen-Da*, Shi Yan-Li, Xian Wei. Performance of steel-reinforced concrete-filled square steel tubular members under sustained axial compression loading. Engineering Structures, 2022, 263: 114464(1-17), DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.114464

[3].贾志路，史艳莉，王文达*，鲜威．钢管初应力对内配型钢的圆钢管混凝土柱受压性能影响．建筑结构学报，2022，43(6): 63-74, DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2020.0796

[4].Jia Zhi-Lu, Shi Yan-Li, Wang Wen-Da*, Xian Wei. Compression-bending behaviour of steel-reinforced concrete-filled circular steel tubular columns with preload. Structures, 2022, 36: 892-911, DOI: 10.1016/j.istruc.2021.12.056

[5].Jia Zhi-Lu, Shi Yan-Li, Xian Wei, Wang Wen-Da*. Torsional behaviour of concrete-filled circular steel tubular members under coupled compression and torsion. Structures. 2021, 34: 931-946, DOI: 10.1016/j.istruc.2021.08.026

[6].王文达*，纪孙航，史艳莉，张宸．内配型钢方钢管混凝土构件压弯剪性能研究．土木工程学报，2021，54(1): 76-87

[7].Shi Yan-Li, Jia Zhi-Lu, Wang Wen-Da*, Xian Wei, Tan Ee Loon. Experimental and numerical study on torsional behaviour of steel-reinforced concrete-filled square steel tubular members. Structures, 2021, 32: 713-730, DOI: 10.1016/j.istruc.2021.03.045

[8].Wang Wen-Da*, Ji Sun-Hang, Xian Wei, Shi Yan-Li. Experimental and numerical investigations of steel-reinforced concrete-filled steel tubular members under compression-bending-shear loads. Journal of Constructional Steel Research, 2021, 181: 106609 (1-20), DOI: 10.1016/j.jcsr.2021.106609

[9].Wang Wen-Da*, Xian Wei, Hou Chao, Shi Yan-Li. Experimental investigation and FE modelling of the flexural performance of square and rectangular SRCFST members. Structures, 2020, 27: 2411-2425, DOI: 10.1016/j.istruc.2020.08.050

[10].Wang Wen-Da*, Jia Zhi-Lu, Shi Yan-Li, Tan Ee Loon. Performance of steel-reinforced circular concrete-filled steel tubular members under combined compression and torsion. Journal of Constructional Steel Research, 2020, 173: 106271(1-16), DOI: 10.1016/j.jcsr.2020.106271

[11].Shi Yan-Li, Xian Wei, Wang Wen-Da*, Li Hua-Wei. Mechanical behaviour of circular steel-reinforced concrete-filled steel tubular members under pure bending loads. Structures, 2020, 25: 8-23, DOI: 10.1016/j.istruc.2020.02.017

[12].Shi Yan-Li, Xian Wei, Wang Wen-Da*, Li Hua-Wei. Experimental performance of circular concrete-filled steel tubular members with inner profiled steel under lateral shear load. Engineering Structures, 2019, 201: 109746(1-17). DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109746

[13].史艳莉*，周绪红，鲜威，王文达．无端板矩形钢管混凝土构件基本剪切性能研究．工程力学，2018，35(12): 25-33

[14].王文达，于清．混凝土浇筑过程中方钢管柱的力学性能．清华大学学报(自然科学版)，2013，53(1):6-11

Part.6

中空夹层钢管混凝土结构

[1].Fan Jia-Hao, Wang Wen-Da*, Shi Yan-Li, Ji Sun-Hang. Torsional behaviour of tapered CFDST members with large void ratio. Journal of Building Engineering, 2022, 52: 104434, DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104434

[2].Shi Yan-Li, Ji Sun-Hang, Wang Wen-Da*, Xian Wei, Fan Jia-Hao. Axial compressive behaviour of tapered CFDST stub columns with large void ratio. Journal of Constructional Steel Research, 2022, 191: 107206(1-14), DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107206

[3].Duan Li-Xin, Wang Wen-Da*, Xian Wei, Shi Yan-Li. Shear response of circular-in-square CFDST members: Experimental investigation and finite element analysis. Journal of Constructional Steel Research, 2022, 190: 107160(1-21), DOI: 10.1016/j.jcsr.2022.107160

[4].史艳莉，纪孙航，王文达*，张宸，范家浩．大空心率圆锥形中空夹层钢管混凝土压弯构件滞回性能研究．土木工程学报，2022，55(1): 75-88, DOI: 10.15951/j.tmgcxb.2022.01.003

[5].Wang Wen-Da*, Fan Jia-Hao, Shi Yan-Li, Xian Wei. Research on mechanical behaviour of tapered concrete-filled double skin steel tubular members with large hollow ratio subjected to bending. Journal of Constructional Steel Research, 2021, 182: 106689(1-18), DOI: 10.1016/j.jcsr.2021.106689

[6].史艳莉，张超峰，鲜威，王文达*．圆锥形中空夹层钢管混凝土偏压构件受力性能研究．建筑结构学报，2021，42(5): 155-164+176,DOI: 10.14006/j.jzjgxb.2019.0023

Part.7

子程序开发等

[1].Tao Zhong*, Katwal Utsab, Uy Brian, Wang Wen-Da. Simplified nonlinear simulation of rectangular concrete-filled steel tubular columns. ASCE Journal of Structural Engineering, 2021, 147(6): 04021061(1-16), DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0003021

[2].Shi Yan-Li*, Li Hua-Wei, Wang Wen-Da, Hou Chao. A fiber model based on secondary development of ABAQUS for elastic-plastic analysis. International Journal of Steel Structures, 2018, 18(5): 1560-1576

[3].Katwal Utsab, Tao Zhong*, Hassan Md Kamrul, Wang Wen-Da. Simplified numerical modeling of axially loaded circular concrete-filled steel stub columns. ASCE Journal of Structural Engineering, 2017, 143(12): 04017169(1-12)

[4].王文达*，魏国强．基于纤维模型的型钢混凝土组合剪力墙滞回性能分析．振动与冲击，2015，35(6):30-35

[5].王文达*，王景玄，周小燕．基于纤维模型的钢管混凝土组合框架连续倒塌非线性动力分析．工程力学，2014，31(9): 142-151

[6].王文达*，杨全全，李华伟．基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析．振动与冲击，2014, 33(16):142-149

[7].李华伟，王文达*．ABAQUS二次开发在钢管混凝土结构有限元分析中的应用．建筑结构学报，2013，34(s1):353-358

Part.8

装配式钢筋混凝土结构

[1].Yuan Yu-Jie, Wang Wen-Da*, Huang Hua. Deformation mechanism of steel artificial controllable plastic hinge in prefabricate frame. Journal of Constructional Steel Reserarch, 2023, 201: 107735(1-18).

编辑：郑龙

审核：王文达

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王文达课题组

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兰州理工大学土木工程学院王文达课题组

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王文达课题组

兰州理工大学土木工程学院王文达教授课题组公众号，主要进行钢与混凝土组合结构混合结构、钢结构及结构抗火研究、工程技术咨询等。