0 引 言
装配式钢结构综合了钢结构和装配式二者的优势，既有钢结构质量轻、抗震性能好和建筑空间布置灵活等优点，同时又突出了装配式结构能够有效缩短设计周期，采用工厂预制部件进行现场拼装，从而提高施工效率和经济效益的特点[1-2]。
国外方面，E.Mashaly等提出了一种简单、准确的三维有限元模型，能够准确地模拟钢框架梁-柱节点在横向荷载作用下的实际受力行为，并且在改进后的模型上分析出螺栓滑移控制的板件的滞回性能[3]。L.S.D Silva等分析了端板连接板对节点的影响，提出了一种单调荷载作用下端板型梁柱装配式钢结构节点的试验研究方案[4]。Y.I.Maggi等通过对一种L型端板栓接的T型节点进行参数分析和试验研究，发现端板和螺栓之间的相互作用改变了节点的受力状态，讨论了此类节点在地震作用下的非弹性状态[5]。M.E.Lemonis和C.J.Gantes从有限元模型和试验结果对L型端板节点的刚度、强度和转动能力等进行了评价分析，并对比了普通端板节点，证明了该节点的良好受力性能[6]。A.B.Sabbagh等在梁柱节点中加入冷弯薄壁型钢作为耗能元件，梁柱连接区域采用了全螺栓连接、增加加劲肋的措施，一方面提高了强度、延性，另一方面提高了转动、滑移能力[7]。D.T.Pachoumis等对翼缘削弱型的梁柱节点进行了研究，通过对节点进行合理的参数设计，可以实现塑性变形只发生在削弱的梁截面处[8]。S.A.Kulkarni等比较了普通梁柱节点和翼缘削弱型梁柱节点受力性能的区别，发现无削弱的节点接近柱端的焊缝开裂，而有削弱的节点接近柱端的焊缝没有开裂[9]。M.Shin等对腹板削弱型梁柱节点进行了研究，分析了工字型梁腹板洞口的形状、大小、洞与洞的间距、个数和位置等因素对节点受力性能的影响，并提出了设计建议[10]。
国内方面，石永久等对4种不同改进的钢结构梁柱节点进行数值模拟，从节点受力情况、梁翼缘应力分布和焊接孔末端应力等角度分析了节点的抗脆性断裂、强度等力学性能[11]。张艳霞等提出了一种在工字型梁段施加预应力拉索结构的自恢复钢框架体系，并研究了其受力性能和抗震性能等[12]。王元清等在钢结构梁柱节点连接处进行了加固设计处理，分析了加固后的节点受力性能，对加固件的类型和尺寸提出了建议[13]。杨尉彪等对圆弧形狗骨式节点进行了详细的分析，综合考虑了延性、强度和刚度等指标，提出了一种狗骨式节点梁翼缘削弱部位尺寸的设计方法[14]。李启明等提出了一种新型盖板加强型狗骨式节点，一方面对梁翼缘削弱的同时，另一方面又利用盖板加强梁端，实现了塑性铰外移的同时仍能保持较强的承载力和滞回性能[15]。郁有升等通过有限元模拟的方法对一种新型梁柱装配式刚性节点的滞回性能进行了研究，结果表明螺栓数目、盖板宽度及厚度、悬臂梁段长度等参数对节点的承载力和延性有一定影响[16]。刘学春等为研究模块化装配式多高层钢结构全螺栓梁柱节点、栓焊连接和全焊连接的受力性能，从有限元模拟、静力和滞回试验进行分析，推出了这三种节点的简化计算公式[17]。张爱林等对装配式双槽钢组合截面梁整体稳定做了研究。通过对双槽钢组合截面梁中接触和耦合设置方法的验证，证明了双槽钢组合截面梁有限元模型建立的可行性[18]。
可恢复功能结构[19-20]是指地震后不需修复或稍许修复即可恢复其使用功能的结构，通过结构设计控制损伤部位和损伤程度。可恢复功能的装配式钢结构梁柱节点在震后能够实现快速修复和节省修复成本，尤其在经过汶川地震和玉树地震之后，越来越引起国内学者的重视。林旭川等提出了一种带“保险丝”连接板的高强梁柱节点，研究证明了起损伤控制作用的连接板可有效确保梁柱构件震后仍处于弹性状态[21]。Fang等对一种使用形状记忆合金螺栓的梁柱节点进行了试验研究，证明了这种节点拥有优良的自复位功能，以及良好的延性与耗能能力[22]。张爱林、姜子钦等提出了一系列的可恢复功能装配式钢结构梁柱节点及相关设计理论，研究表明该类节点具有良好的承载能力和耗能能力，通过合理设计连接装置可将塑性损伤控制在可更换的翼缘盖板上，便于震后修复[23-26]。
在钢框架结构体系中，梁段多以工字型钢梁为主，而在实际应用中，一方面，由于楼板的存在，会给梁段和楼板的整体装配增加很大的难度，另一方面因为穿插管线和安装设备等使用要求，为了保证房屋净空，又不增加层高，需要在腹板进行开洞。因此，本文提出了一种新型的具有可恢复功能装配式钢结构槽钢开洞梁柱节点。其中，中间梁段采用两块腹板开洞的槽钢“背靠背”拼接而成，使用螺栓进行栓接，可有效保证连接质量，提高装配效率；同时控制节点的主要耗能区域集中在拼接板上，震后通过更换局部损坏部件来实现结构功能恢复，可有效提升装配式钢结构的抗震能力及震后可修复能力。
本文采用ABAQUS有限元分析软件共模拟了5个新型可恢复功能装配式钢结构槽钢开洞梁柱节点算例，从翼缘盖板厚度、中间螺栓间距、狗骨削弱段宽度和单侧螺栓数量等多个参数进行对比分析，重点研究这些参数变化对新型节点受力性能和可恢复功能的影响。
1 装配式开洞槽钢梁柱节点组成
可恢复功能装配式开洞槽钢梁柱节点由带悬臂梁段的圆钢管柱、开洞槽钢组合梁段、翼缘盖板及腹板连接板等部件组成，如图1和图2所示。图中所示部件都在工厂提前制作好，如圆钢管柱和悬臂梁段的焊接工作。安装时，节点各部件之间全部使用高强螺栓连接；开洞槽钢组合梁段是由两块槽钢“背靠背”用螺栓拼接起来的，然后拼接好的开洞槽钢组合梁段通过翼缘盖板、腹板连接板及高强螺栓与悬臂梁段连接起来。
图1 节点及开洞槽钢组合梁段示意
Fig.1 Schematic diagram of earthquake-resilient prefabricated opening-web channel beam-column joint
图2 节点装配
Fig.2 Assembly of the beam-column joint
此新型节点现场施工过程不使用焊接操作，不产生环境污染；安装过程时间短，方便快捷；在悬臂梁段和开洞槽钢组合梁段之间留有一定间隙，一方面是防止两个梁段接触碰撞，另一方面，开洞槽钢组合梁段的转动能够避免塑性损伤，保证梁段的性能完好，不影响修复后的节点受力性能；塑性铰只出现在翼缘盖板处，节点只需要更换翼缘盖板就可实现快速修复。
2 节点算例设计
本文设计了5个节点算例，主要通过翼缘盖板厚度、中间螺栓间距、狗骨削弱段宽度及单侧螺栓数量等参数变化对节点的承载能力和可恢复功能的影响进行考察。
每个节点算例基本参数大体相同，圆钢管柱总长3 000 mm，共由三部分组成，分别是299 mm×16 mm的中柱和299 mm×14 mm的上、下柱；翼缘厚度加强的悬臂梁段采用300 mm×200 mm×12 mm×20 mm的H型钢，悬臂梁段端部与圆钢管柱中心轴的距离为650 mm，为了增加板件的滑移转动能力，悬臂梁段腹板中间排螺栓孔为圆孔，其余悬臂梁段上螺栓孔均为纵向长圆孔，其中纵向长圆孔直线段为10 mm；开洞槽钢组合梁段采用两块300 mm×100 mm×6 mm×12 mm(高度×腿宽×腰厚×翼缘厚)的槽型件“背靠背”栓接而成，梁长为1 500 mm，两块槽型件拼接的槽钢组合梁采用均匀分布的10个螺栓连接，并且腹板有3个直径100 mm的洞口，开洞槽钢组合梁段螺栓孔均为圆孔；其余尺寸如图3所示。所有螺栓采用10.9级M22高强摩擦型螺栓，翼缘盖板都进行平狗骨式削弱，采用Q235B钢，其余板件均采用Q345B钢。
a—节点立面；b—节点1—1剖面；c—翼缘盖板平面。
图3 节点详细尺寸
Fig.3 Detailed sizes of the beam-column joint
5个节点的具体参数变化见表1。其中，tpi为翼缘盖板厚度，lbolt为翼缘盖板中间螺栓间距，dcut为削弱型翼缘盖板狗骨段宽度，nbolt为翼缘盖板单侧螺栓列数。
3 节点有限元分析
3.1 模型介绍
本文采用ABAQUS有限元分析软件进行节点建模，所有零部件都采用C3D8R单元进行网格划分，如图4所示。各板件材料均采用双折线弹塑性本构模型，双折线模型关键特征点数据见表2所列，采用了Mises屈服准则和Mises流动准则。翼缘盖板与梁段(悬臂梁段、开洞槽钢组合梁段)翼缘之间的接触，螺栓帽与翼缘盖板、腹板连接板、梁腹板、梁翼缘等部件之间的接触，皆视为摩擦接触，摩擦系数取0.45；螺栓杆与孔壁之间的接触，悬臂梁段与开洞槽钢组合梁段之间的接触，皆视为“硬接触”。在圆钢管柱上下两端设置铰接约束，同时约束了梁上翼缘中心线的平面外位移。
表1 节点参数变化
Table 1 Parameters of the beam-column joints
节点名称盖板厚度tpi/mm中间螺栓间距lbolt/mm狗骨宽度dcut/mm单侧螺栓列数nboltSJ1163201485SJ2183201485SJ3162801485SJ4163201205SJ5163201483
图4 有限元模型
Fig.4 Finite element model
表2 双折线关键特征点数据
Table 2 Key values of the double broken line
构件E/105MPaνfy/MPafu/MPaεu/10-2翼缘盖板2.060.32354700.52其余板件2.060.33455600.52螺栓2.060.390010000.093
注：E为钢材弹性模量；ν为泊松比；fy为钢材屈服强度；fu为钢材极限抗拉强度；εu为钢材极限应变。
节点模型的加载步为：第一步施加190 kN[27]的螺栓预紧力；第二步在柱端施加轴压力，轴压比取0.3；最后一步在梁端处施加以位移控制的梁端荷载，位移幅值对应的节点转角为0.05 rad。
3.2 数值分析
3.2.1 荷载-位移曲线分析
图5为各节点算例的荷载-位移曲线，可以看出，各算例曲线变化趋势基本相同，即：刚开始各算例均处于弹性阶段，荷载随着位移的增大呈线性增大趋势；紧接着曲线出现拐点，曲线斜率突然减小，此时节点进入塑性阶段，荷载随着位移的增大而缓慢增大；最后是下降阶段，除SJ5以外的其他4个节点在达到峰值荷载后斜率由正值变为负值，荷载随着位移的增大而减小。为了详细说明各节点的情况，将SJ1作为基础节点，其他节点分别与SJ1进行比较。
图5 荷载-位移曲线
Fig.5 Load-displacement curves
节点SJ2相比于节点SJ1，翼缘盖板厚度增大了，其他尺寸没有改变。从图5可以看出，节点SJ2的初始斜率比其他节点大，说明节点SJ2刚度较大。同时，节点SJ2的屈服荷载和峰值荷载比其他节点也大很多，说明翼缘盖板厚度越大，屈服荷载及峰值承载力越大。在梁端位移加载到108.5 mm(节点转角0.05 rad)时，SJ2节点承载力还未进入下降阶段，表现出良好的延性。
节点SJ3翼缘盖板中间螺栓间距较小。在梁端位移达到60 mm(节点转角0.03 rad左右)之前，SJ3和SJ1曲线几乎重合，在梁端位移超过60 mm之后，节点承载力持续上升到梁端位移100 mm左右才到达峰值荷载，说明翼缘盖板中间螺栓间距越小，节点峰值荷载越大。
节点SJ4翼缘盖板狗骨削弱段宽度比SJ1的小，SJ4出现拐点时对应的位移值比SJ1的小，峰值荷载也比SJ1的小，说明翼缘盖板狗骨削弱程度越大，节点屈服荷载及峰值承载力越小。
节点SJ5翼缘盖板单侧只有3列螺栓，节点在较早时刻发生轻微滑移，其承载力略小于SJ1；在位移50～60 mm之间时，SJ5承载力几乎保持不变，而后承载力随着位移的增大呈下降趋势。整体来看，其屈服荷载和峰值荷载相比于SJ1略有减小。
3.2.2 节点破坏模式
图6为各节点算例在节点转角达到0.05 rad时的变形情况及von Mises应力云图。当应力值超过345 MPa时，该区域以灰色显示。可以看出：各算例的破坏模式均以翼缘盖板的塑性屈曲变形为主，塑性铰的转移使得梁柱等主要部件几乎未发生塑性变形破坏，为震后快速修复提供了依据。
SJ1翼缘盖板明显进入塑性，其他区域基本在345 MPa以下。翼缘盖板的塑性损伤主要集中在狗骨削弱段，其中，下翼缘盖板狗骨段发生了较大的屈曲失稳变形。悬臂梁段与开洞槽钢组合梁段之间留有20 mm的缝隙，使得开洞槽钢组合梁可以发生较大转动，并且梁段与梁段之间没有发生接触挤压。腹板连接板也发生了转动。表明：SJ1设计合理，满足承载力的同时保证了主要部件不发生变形破坏、塑性铰外移到梁段拼接处，只需更换翼缘盖板即可实现震后可恢复。
a—SJ1；b—SJ2；c—SJ3；d—SJ4；e—SJ5。
图6 节点算例应力云图 MPa
Fig.6 Stress nephogram of the joints
SJ2翼缘盖板较厚，承载力较大，盖板失稳变形很小，开洞槽钢组合梁端荷载可以较好地传递到悬臂梁和圆钢管柱处，致使悬臂梁圆弧过渡段翼缘处和圆钢管下柱局部区域承受较大荷载(出现灰色区域)。
SJ3翼缘盖板中间螺栓间距较小，应力值分布和破坏位置与SJ2相似，但是整体应力值偏小，翼缘盖板失稳变形很小；此外，进入塑性的区域除了翼缘盖板外，还有悬臂梁段翼缘。
SJ4只有翼缘盖板发生塑性变形，其他部位应力偏小，盖板失稳变形最大。
SJ5翼缘盖板处螺栓数量较少，翼缘盖板不仅有塑性变形还有滑移现象。
3.2.3 滑移分析
以梁端加载位移为横坐标、节点下翼缘盖板与悬臂梁段的相对滑移量为纵坐标绘制滑移曲线，如图7所示。可以看出，与其他节点相比，SJ5相对滑移值变化最大，其他节点相对滑移值变化很小，说明SJ5翼缘盖板滑动明显，而其他节点翼缘盖板几乎没有滑动。这是由于SJ5翼缘盖板单侧只有3列螺栓，翼缘盖板长度也相应减小，导致翼缘盖板与梁段之间的摩擦力明显降低。
图7 相对滑移曲线
Fig.7 Relative slip curves
从图7还可以看出，SJ5在梁端位移加载到80 mm时，相对滑移值急速上升，此时翼缘盖板明显滑动。这主要是由于节点SJ5在梁端位移达到80 mm左右时，下翼缘盖板发生严重屈曲失稳变形，同时节点SJ5翼缘盖板处螺栓数量较少，使得翼缘盖板滑移更容易。显著的滑动现象会影响拼接梁段之间的传力机理，从而影响承载力的大小。
3.2.4 应力分析
图8给出了各节点算例在节点转角达到0.05 rad时梁段的应力分布曲线。选取悬臂梁段下翼缘、开洞槽钢组合梁段下翼缘的表面中心线，曲线以中心线上各点距圆钢管柱中心轴的距离为横坐标，沿着梁长方向提取中心线的von Mises应力值为纵坐标。
从图中可以看出，各节点悬臂梁段和开洞槽钢组合梁段的应力分布情况近似相同，且均处于弹性状态。悬臂梁段的应力沿着梁长正向基本上呈下降趋势，靠近柱端应力较大，靠近加载端应力较小。由于悬臂梁段根部翼缘的圆弧过渡加强，有效避免了端部应力集中，使得应力峰值并未出现在柱端，保护了柱内的节点域。开洞槽钢组合梁段沿梁长方向的应力分布整体上是先上升后下降趋势。曲线的应力波峰出现在翼缘盖板右侧端部位置，从翼缘盖板捆绑截面的角度来看，此处的截面惯性矩发生了明显突变；峰值右侧应力分布曲线也出现了多波形态，主要是由槽钢腹板上离散的孔洞引起。
a—悬臂梁段；b—开洞槽钢组合梁段。
图8 梁段应力分布曲线
Fig.8 Stress distribution curves of beams
图9为各节点算例下翼缘盖板的应力分布曲线和对应的应力云图。各应力曲线呈中间高、两边低的分布，应力塑性发展主要集中在翼缘盖板中间的狗骨削弱段。通过对比可以发现，应力图中颜色最黑的位置就是应力曲线中波峰所对应的坐标位置。例如：SJ1、SJ4和SJ5的应力曲线图上都有3处波峰，对应的变形图上就有3处明显的黑色区域；SJ2和SJ3应力曲线图有两处波峰，对应变形图上有两处黑色区域。
总体来看，狗骨削弱式的翼缘盖板可以有效实现塑性铰向狗骨削弱段转移，翼缘盖板承受了几乎所有的塑性应变，而主要构件基本无塑性损伤破坏，这些都满足节点震后可修复的设计预期。
a—SJ1；b—SJ2；c—SJ3；d—SJ4；e—SJ5。
图9 翼缘盖板应力分布
Fig.9 Stress distribution of flange cover plates
4 结束语
本文提出一种可恢复功能装配式开洞槽钢梁柱节点，共设计了5个节点算例，从提取的荷载-位移曲线、节点破坏模式、滑移曲线、应力曲线等多角度进行分析，得到以下主要结论：
1)可恢复功能的装配式开洞槽钢梁柱节点具有良好的承载能力，并且可以有效实现塑性铰外移，保护主要部件不发生破坏，只需更换翼缘盖板及螺栓群等部件即可恢复其使用功能。
2)翼缘盖板的厚度主要影响节点的屈服荷载及峰值承载力，翼缘盖板厚度越大，节点的屈服荷载及峰值承载力越大。
3)翼缘盖板的中间螺栓间距大小不会影响节点的屈服荷载，但是会影响翼缘盖板的失稳变形和传力机理，对峰值荷载的大小有一定的影响。
4)翼缘盖板狗骨式设计很好地实现了节点损伤控制，从而使梁端塑性铰进行了有效转移；狗骨段削弱程度越大，节点峰值承载力越低，翼缘盖板失稳变形越严重。
5)翼缘盖板螺栓数量过少会引起盖板滑移，影响盖板受力机理，降低节点承载力。
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