基于SMA连接的装配式梁柱钢节点滞回性能数值研究.pdf

文章编号：1000-4750(2023)Suppl-0283-06基于 SMA 连接的装配式梁柱钢节点滞回性能数值研究和海芳1，周雨龙1，伍敏2，许紫刚1,3，温佳年4(1.交通运输部公路科学研究院，桥梁结构安全技术国家工程实验室(北京)，北京100088；2.长沙理工大学土木建筑学院，长沙410114；3.华东交通大学土木建筑学院，南昌330013；4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京100088)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。关键词：装配式钢节点；韧性抗震；形状记忆合金；滞回性能；有限元分析中图分类号：TU391文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2022.06.S012NUMERICALSTUDYONHYSTERETICPERFORMANCEOFASSEMBLEDBEAM-COLUMNSTEELJOINTWITHSMACONNECTIONHEHai-fang1,ZHOUYu-long1,WUMin2,XUZi-gang1,3,WENJia-nian4(1.NationalEngineeringLaboratoryofBridgeSafetyandTechnology(Beijing),ResearchInstituteofHighwayMinistryofTransport,Beijing100088,China;2.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410114,China;3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China;4.CCCCHighwayBridgesNationalEngineeringResearchCentre,Beijing100088,China)Abstract:Shapememoryalloy(SMA)asjointconnectionmaterialcanlimittheplasticdeformationandimprovetheseismicresilienceoftheassembledsteelstructureunderstrongearthquakes.AnassembledseismicresilientsteeljointsusingSMAmaterialwasinvestigated.Adelicatesolidfiniteelementmodelwasestablishedandverified by test data.The influence of bolt preload and SMA tendon pre-stress on the mechanics state andhystereticperformanceofassembledsteeljointswereanalyzed.Theresultsshowthatthehystereticbehaviorofassembledbeam-columnsteeljointscanbewellsimulatedbythefiniteelementmodel.Theassembledbeam-columnsteeljointsconnectedbySMAtendonshaveexcellentseismicresilience.Whensubjectedtothelowcyclicloading,thebeam,columnandtheirconnectorsarebasicallymaintainedwithintheelasticrange,witharesidualdisplacementofapproximatelyzero.Increasingtheboltpreloadcanincreasethefrictionbetweenthebolt收稿日期：2022-06-20；修改日期：2023-01-25基金项目：中国博士后科学基金项目(2021M693545)；桥梁结构安全技术国家工程实验室(北京)开放课题项目(2020-GJKFKT-8)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目(2021-9052b)通讯作者：周雨龙(1988)，男，黑龙江人，助理研究员，博士，主要从事桥梁抗震方面的研究(E-mail:).作者简介：和海芳(1979)，男，山西人，副研究员，博士，主要从事桥梁工程方面的研究(E-mail:);伍敏(1990)，男，湖南人，讲师，博士，主要从事桥梁工程方面的研究(E-mail:);许紫刚(1992)，男，江西人，讲师，博士，主要从事防灾减灾工程方面的研究(E-mail:);温佳年(1990)，男，甘肃人，高工，博士，主要从事桥梁工程方面的研究(E-mail:).第40卷增刊Vol.40Suppl工程力学2023 年 6月June2023ENGINEERINGMECHANICS283andsteelplate,andcanimprovethecarryingcapacityandenergydissipationcapacityofthebeam-columnjoint.However,increasingtheSMAtendonpre-stresshasinsignificanteffectonthemechanicsstateandhystereticperformanceofthebeam-columnjoint.Keywords:assembledsteeljoint;seismicresilience;shapememoryalloy;hystereticperformance;finiteelementanalysis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12。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69。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1314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1617、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1314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 1314 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 12，梁柱采用 A572Gr.50钢材。通过 SMA 束和 20.3cm12.7cm0.64cm 耗能钢板将2 个274cm 长的W1214 梁与1 个178cm长的 W867 柱连接。耗能钢板焊接在柱表面的两侧，并采用 3 个 1.6cm 的 A325 螺栓与梁连接。SMA棒耗能钢板连接螺栓II梁W867A572 Gr.50梁W1214A572 Gr.50(b)I-I截面图(a)立面图图1装配式梁柱钢节点试件Fig.1Prefabricatedbeam-columnsteeljointspecimen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。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，284工程力学在地震作用下，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 Mf。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Mf，位移角为0.45rad时的计算值显著高于试验值。0.060.030.000.030.069060300306090位移角/rad模拟试验弯矩/(kNm)图4试验和数值模型的滞回曲线对比Fig.4Comparisonofhystereticcurvesbetweenexperimentandnumericalmodels2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 Mf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1：90MPa、工况2：120MPa、工况3：150MPa)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(900MPa)，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YXXZYZ图2梁柱节点数值模型Fig.2Numericalmodelofbeam-columnjoints表1形状记忆合金材料特性Table1Materialcharacteristicsofshapememoryalloy材料特性数值奥氏体弹性模量EA/GPa30马氏体弹性模量EM/GPa23奥氏体到马氏体的起始应力Ms/MPa280奥氏体到马氏体的终止应力Mf/MPa500马氏体到奥氏体的起始应力As/MPa320马氏体到奥氏体的最终应力Af/MPa100泊松比0.33相变应变L0.045520应力/MPa图3最大位移下的受力状态Fig.3Mechanicsstateunderthemaximumdisplacement工程力学285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。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。2.2SMA 束初始拉应力如图 8 所示，在不同 SMA 束初始拉应力下(工况2：100MPa、工况4：80MPa、工况5：120MPa)，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 89mm 时，相比工况 2，工况 5 的耗能仅增大了 5.5%(如图 10 所示)。5000应力/MPa(a)工况1(b)工况2(c)工况3图5不同螺栓预紧力下节点的受力状态Fig.5Mechanicsstateofjointsunderdifferentboltpreload0.060.040.020.000.020.040.069060300306090位移角/rad工况1工况2工况3工况1工况2工况30.000.010.020204060位移角/rad弯矩/(kNm)弯矩/(kNm)(a)全局滞回曲线(b)局部滞回曲线图6不同螺栓预紧力下节点的滞回曲线Fig.6Hystereticcurvesofjointsunderdifferentboltpreload最大位移初始位置5500024681001234耗能/kJ循环次数工况1工况2工况3S1S2E=S2+S1(a)耗能工况1预紧力 90 MPa应力/MPa(b)钢板受力状态图7不同螺栓预紧力下节点的耗能能力Fig.7Energydissipationofjointsunderdifferentboltpreload286工程力学图 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。CBA5000(a)工况2(b)工况4(c)工况5应力/MPa图8不同 SMA 束初始拉应力下节点的受力状态Fig.8MechanicsstateofjointsunderdifferentSMAtendonpre-stress0.060.040.020.000.020.040.069060300306090位移角/rad工况2工况4工况50.000.010.020204060位移角/rad弯矩/(kNm)弯矩/(kNm)(a)全局滞回曲线(b)局部滞回曲线图9不同 SMA 束初始拉应力下节点的滞回曲线Fig.9HystereticcurvesofjointsunderdifferentSMAtendonpre-stress024681001234S1S2E=S2+S1循环次数工况2工况4工况5耗能/kJ图10不同 SMA 束初始拉应力下节点的耗能能力Fig.10EnergydissipationofjointsunderdifferentSMAtendonpre-stress051015202530350100200300400500应力/MPa加载伪时间工况2-A点工况4-B点工况5-C点图11SMA 束的应力变化曲线Fig.11StresscurvesofSMAtendon工程力学287(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。参考文献：周雨龙,杜修力,韩强.双柱式摇摆桥墩结构体系地震反应和倒塌分析J.工程力学,2019,36(7):136145.ZHOUYulong,DUXiuli,HANQiang.Seismicresponseandoverturningofdouble-columnrockingcolumnbridgesystemJ.EngineeringMechanics,2019,36(7):136145.(inChinese)1陈敬一,杜修力,韩强,等.摇摆双层桥梁地震反应及抗倒塌能力分析J.工程力学,2020,37(10):5669.CHENJingyi,DUXiuli,HANQiang,etal.Analysisofseismic response and overturning resistance of rockingdouble-deck bridge systemJ.Engineering Mechanics,2020,37(10):5669.(inChinese)2STANTON J,STONE W C,CHEOK G S.Hybridreinforced frame for seismic regionsJ.PCI Journal,1997,42(2):2032.3CHRISTOPOULOSC,FILIATRAULTA,UANGCM,et al.Posttensioned energy dissipating connections formoment-resisting steel framesJ.Journal of StructuralEngineering,2002,128(9):11111120.4杨建楠,黄彬,谷小军,等.形状记忆合金力学行为与应用综述J.固体力学学报,2021,42(4):345375.YANG Jiannan,HUANG Bin,GU Xiaojun,et al.Areviewofshapememoryalloys:MechanicalbehaviorandapplicationJ.Chinese Journal of Solid Mechanics,2021,42(4):345375.(inChinese)5JANKE L,CZADERSKI C,MOTAVALLI M,et 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