梁柱节点是钢结构体系的重要组成部分，其受力十分复杂，是钢结构设计中的关键问题之一。梁柱节点的主要作用是在梁柱之间传递剪力和弯矩，其性能优劣对结构的承载能力和变形能力有重大的影响。

国外专家观察和分析1994年美国洛杉矶的北邻地震和1995年日本神户的阪神地震震后的钢结构破坏形式，发现梁柱节点处发生的破坏最为严重，有些地方甚至出现了应该避免的脆性破坏^[1-2]。为了改变这种现状，主要通过角钢的屈服来耗能的半刚性节点逐渐进入大家的视野，这种节点可以保护主体受力构件，使其尽量保持弹性状态。与刚性节点相比，这种半刚性节点具有变形能力强、延性好和耗能能力强的优点^[3]。

本研究构造出了一种主要利用摩擦来耗能的新型钢框架梁柱耗能节点(以下简称耗能节点)。通过对节点的单调静力加载和低周反复加载的有限元模拟，对节点性能进行了分析。在此基础上，以16层立体停车结构为例，分别建立有耗能节点与无耗能节点的立体停车结构有限元模型，对结构整体进行动力时程分析，讨论了耗能节点对立体停车结构整体抗震性能的影响。

本研究所描述的角钢节点和耗能节点的详图如图 1所示。角钢节点翼缘处通过梁上下翼缘的角钢将梁与柱用螺栓进行连接，耗能节点除了上下翼缘的角钢将梁与柱用螺栓进行连接外，还有腹板处槽钢与柱以对接焊缝连接，槽钢与梁的腹板用螺栓连接。需要说明的是，为了提高节点的耗能和延性，梁的翼缘和腹板上的螺栓孔是采用具有一定尺寸的长圆孔，而非普通圆孔，这是为槽钢与梁腹板、角钢与梁翼缘之间的相互滑动提供空间。角钢与梁端上下翼缘的接触面、槽钢与梁端腹板的接触面均为摩擦处理面，用于为各构件之间的相对滑动提供摩擦阻力。另外，为了使角钢与梁翼缘发生相对滑动前角钢不发生屈服破坏，在角钢处设置了加劲肋。

图 1 节点详图(单位：mm) Fig. 1 Detailed diagrams of joints (unit: mm)

与角钢节点通过角钢的屈服破坏来耗能不同，由于角钢处加劲肋的存在，使角钢与梁翼缘发生相对滑动前角钢不发生屈曲破坏。在强震作用下，当主动力克服了角钢与梁翼缘、槽钢与梁腹板之间的摩擦力时，接触面之间开始产生相对滑动，节点开始以梁的下翼缘与柱的接触处为支点进行转动，接触面之间开始产生相对滑动，这一过程中主要由角钢与梁翼缘，槽钢与梁腹板两对接触面之间的滑动摩擦达到耗能的效果。其优点是节点转动过程中能够调整结构的内力分布使主要受力构件尽可能处于弹性状态，最大程度地减小震后结构中出现的塑性变形和损伤。不同于一般节点在震后受到损坏时修复困难和需要高昂的费用，这类节点在震后可通过构件复位和重新拧紧螺栓来达到结构的修复目的。

为了起到对比作用，本研究分析了两种节点，分别为耗能节点和角钢节点。通过对两种节点模型分别施加单调荷载与低周反复荷载，由得到的节点单调荷载位移曲线与滞回曲线对两种节点的受力性能进行各方面的对比。

采用有限元软件ANSYS对设计的节点进行模拟分析，综合考虑了材料、几何和接触非线性^[4]。取柱高1 m，梁长0.6 m建立模型。其中梁、柱、角钢、槽钢和螺栓均采用三维实体单元SOLID45；采用摩擦接触单元CONTA174和TARGE170考虑了各部件间的相互作用，摩擦系数取0.4；高强螺栓根据规范通过预张拉单元PRETS179施加155 kN预紧力^[5]。建立的两种不同节点有限元模型如图 2所示。

图 2 节点有限元模型 Fig. 2 FE models of joints

有限元模型的边界条件为柱的两端都为铰接。本研究在单元划分时，在性能变化梯度较大的部位(如应力集中处)，采用比较密集的网格。而在变化梯度较小的部位，采用比较稀疏的网格。考虑到模型的对称性，沿梁、柱腹板中面取1/2模型进行分析，对中间面施加对称约束^[6]。进行有限元计算时先对高强螺栓施加预紧力，然后将梁端竖直方向的位移自由度耦合，再施加梁端竖直方向的位移荷载。

此次分析采用双线性随动强化模型BKIN，梁柱主体单元、角钢和槽钢的材质均采用Q235B钢。对于梁柱主体、角钢和槽钢的屈服强度均取330 MPa^[7]，螺栓采用10.9级高强螺栓，屈服强度为940 MPa^[8]，泊松比均取为0.3。

两种节点ANSYS单调加载计算结果如表 1所示，两种节点的梁端力-位移关系曲线如图 3所示。由图 3及表 1中数据可以得看出，耗能节点的承载力和刚度相较角钢节点均有大幅提高。原因主要是腹板处槽钢与梁腹板之间摩擦力限制了梁腹板的转动从而提高了连接的承载力和刚度。

图 3 节点荷载-位移曲线 Fig. 3 Load-displacement curves of joints

本研究还分别对耗能节点与角钢节点分别施加了低周反复荷载，对耗能节点的受力性能进行评估。参照JGJ101—96^[9]和ECCS^[10]，采用变形控制方法。屈服前分4级加载，每级循环1圈，一直加载到屈服位移D_y为止。屈服后以位移增量为D_y进行循环加载，每级加载循环3圈，直至10D_y。其中屈服位移D_y由单调加载曲线通过几何作图法确定^[11]。由于两种节点有作图法得到的屈服位移很接近，所以取相同的加载制度进行加载，起到统一控制变量的作用，以便进行参数对比。

对于本研究的耗能节点，低周反复荷载作用下梁柱之间的夹角将会不断地变化，因此需要将有限元计算得到的数据转化为节点的弯矩和转角，这样就可以绘制出节点的弯矩-转角滞回曲线来描述节点滞回曲线的性能。文中节点弯矩M采用梁端反力F与梁长l_b相乘而得，节点相对转角由如下计算公式计算所得：

(1)

式中，d₁，d₂分别为梁上下翼缘与柱交界面的距离；d_b为梁截面高度；t_fb为梁翼缘厚度。

耗能节点与角钢节点的滞回曲线如图 4所示。由图 4可以看出，两种节点的滞回曲线的形状大致相同。在弹性阶段时，曲线呈纺锥形。进入非线性阶段以后，随着荷载的增加位移变化急剧变大，滞回环的面积增大。加载后期，角钢节点的滞回环发生较大的捏缩，耗能能力出现大幅度下降时，耗能节点的滞回曲线依旧十分饱满，说明耗能节点滞回性能比角钢节点要好。

图 4 节点滞回曲线 Fig. 4 Hysteretic curves of joints

参考JGJ101—96^[9]，可以用等效黏滞阻尼系数h_e来衡量钢结构在低周往复荷载作用下耗能能力的大小，E_dT为每级加载累积耗能量，h_e与E_dT随循环加载圈数增加而变化的曲线如图 5、图 6所示。

图 5 等效粘滞阻尼系数曲线 Fig. 5 Curves of equivalent viscous damping coefficients

图 6 累积能量耗散曲线 Fig. 6 Curves of cumulative energy dissipation values

由图 5可知在每级荷载的加载过程中耗能节点的h_e都要大于角钢节点。特别是在加载后期，耗能节点的h_e与角钢节点相比有大幅度提升，耗能能力保持得比较好。一般混凝土结构的h_e为0.1，型钢混凝土h_e则能达到0.3^[12]，耗能节点的最大等效黏滞阻尼系数为0.36，角钢节点的则为0.2，耗能节点为角钢节点的1.8倍，说明耗能节点的耗能能力远优于角钢节点，甚至超过了型钢混凝土。

由图 6可知每一级耗能节点的累积耗能量都要比角钢节高，到最后一级耗能节点的累积耗能量达到了角钢节点的1.6倍。

立体停车结构满足了许多城市的停车需求^[13], 其基本结构示意图如图 7(a)所示，中间为提升井，两边为停车间，车辆进入提升井后，由电梯将其提升至停车位高度，然后平移进入停车间。为了使车辆能在停车位与提升井之间水平移动，中间框架内不能布置抗侧力构件。因此，立体停车结构的抗侧力构件只能布置于结构周边。为了增强结构纵向抗侧刚度，在结构前、后立面布置X形支撑，考虑到车辆进出的要求，将底层的X形支撑改为单斜杆支撑，布置在两边跨内，如图 7(b)所示。在结构左右则布置倒V形支撑，如图 7(c)所示。

图 7 立体停车结构示意图 Fig. 7 Schematic diagram of 3D parking structure

立体停车结构与普通钢框架相比主要特点表现在以下几个方面:

(1) 钢结构本身自重较轻，其主要的竖向荷载来源于所停放车辆的自身重量，因此立体停车结构载车情况对其在承受动力荷载时的动力效应有着至关重要的影响，停车结构满载、空载还是半载动力效应有着非常大的不同^[14]。

(2) 由于立体停车结构没有楼板，车辆荷载是通过停车间的拖车板直接传递到靠近柱子的梁上的，所以结构梁的主要竖向荷载接近于梁柱交接处，因此结构梁的选型一般较小。

总体来说，由于其构成与尺寸的特点，立体停车结构是一种高宽比较大的“高柔”结构，耗能节点在此结构中更能发挥其耗能减震的作用。

结构层数取为16层，根据车辆尺寸取结构平面尺寸如图 7(a)所示，底层与顶部层高分别为2.5 m与1.5 m，标准层层高为2.2 m。梁柱分别采用H150×150×7×10与H300×300×10×15型钢，钢材为Q235B。竖向荷载主要有结构构件及提升设备自重；车辆自重，每辆取20 kN^[15]；幕墙围护结构荷载，按规范取1 kN/m^2[16]。

为了起到对比作用，文中研究了两种立体停车结构，分别为采用耗能节点的立体停车结构(以下简称耗能结构)和普通刚接节点立体停车结构(以下简称普通结构)。

为了模拟耗能节点的本构关系，采用SAP2000有限元模拟软件定义节点域的方法，选用Multi Linear Plastic的连接类型，赋予节点非线性弯矩-转角关系。其中弯矩-转角关系通过2.1节建立的实体耗能节点模型计算获得，所有耗能节点的弯矩-转角曲线均采用简化的三折线本构模型。

普通结构则采用塑性铰本构模型，将弯矩(M3)铰赋予梁的两端，轴力和弯矩相关(P-M-M)铰赋予柱上下端。

采用EL-Centro地震波，进行8度罕遇地震计算，以加速度峰值为400 gal^[17]，归一化地震波加速度，持时20 s，时间步长0.01 s，分析该结构在单向地震作用下的抗震受力性能。

基底剪力为各层所受地震力作用的总和，可直接反映结构抗震性能好坏。结构耗能减震的目的为改变或调整结构的动力特性或动力作用，使工程结构在地震的作用下，其结构的动力响应(加速度、速度、位移)减少，并得到合理的控制。所以本研究选取基底剪力、加速度、速度和位移这几个参数进行分析^[18]，并比较了两种结构的塑性损伤情况。

图 8为两种结构在8度罕遇El-Centro地震波作用下基底剪力的时程图。由图 9中可以看出，在地震作用第10 s左右，耗能节点对立体停车结构底部剪力的降低作用十分明显，与普通结构相比，基底剪力降低了约75%左右。就基底最大剪力而言，耗能结构降低了约27%左右。这说明在EL-Centro波下，耗能节点对立体停车结构基底剪力的控制效果的优越性要远大于普通刚接节点。

图 8 底部剪力时程曲线 Fig. 8 Time-history curves of base shear forces

图 9 最大加速度曲线 Fig. 9 Curves of maximum acceleration

图 9和图 10分别为8度罕遇El-Centro地震波作用下两种结构各层最大加速度和最大速度的对比图。由图 9可以看出，耗能结构每层的最大加速度相对于普通结构均有较大幅度的下降，其中顶层加速度降低约20%。由图 10可以看出，10层以下的楼层，耗能结构每层的速度与普通结构并没有太大区别，而随着层数增加，耗能结构每层的最大速度相对于普通结构开始有较大幅度的下降，其中顶层速度降低约15%。这说明EL-Centro波下，耗能节点对立体停车结构加速度与速度控制效果要明显优于普通刚接节点。

图 10 最大速度曲线 Fig. 10 Curves of maximum velocity

图 11为两种结构在8度罕遇El-Centro地震波下的各层的最大位移图。由图可以看出两者在各层最大位移方面差别不大。由此可知，虽然耗能节点属于一种半刚性节点，但由于摩擦耗能以及刚节点塑性变形的存在，在El-Centro波作用下，两种结构的各层最大位移的区别不大，耗能节点并没有对结构的刚度造成损失。

图 11 各层最大位移曲线 Fig. 11 Curves of maximum displacements of different layers

图 12给出了在8度罕遇El-Centro地震波作用后两种结构前一榀框架的震后损伤情况。从图中可以看出耗能结构在经历El-Centro波作用后，未出现塑性铰，主要受力构件梁柱依旧处于弹性状态，没有产生塑性损伤。而普通结构则在结构中上部的梁端产生了一系列的塑性铰，说明部分梁已经进入塑性状态，震后产生了一定的塑性损伤。由此可知，相对于刚节点，耗能节点可以对结构的主要受力构件起到很大程度的保护作用，方便了震后的修复。

图 12 结构震后损伤 Fig. 12 Earthquake damage of structure

本研究分别对耗能节点与角钢节点进行了有限元弹塑性分析。首先分析了两种节点单调静力加载情况下的受力性能，对两种节点的力学指标进行了对比。随后对两种节点施加了低周反复荷载，对两种节点的滞回性能、耗能性能进行了对比。最后对耗能结构和普通结构分别进行了动力时程分析，讨论了耗能节点对立体停车结构整体抗震性能的影响。主要结论如下：

(1) 与角钢节点相比，耗能节点的割线刚度、屈服位移、屈服荷载和极限荷载都有大幅度提高。

(2) 耗能节点的等效黏滞阻尼系数约为角钢节点的1.8倍，说明耗能节点的耗能效果要远优于角钢节点。

(3) 罕遇地震下耗能节点对基底剪力有很大的控制效果，可以改善立体停车结构的受力。

(4) 罕遇地震下耗能节点对结构加速度和速度有一定的控制效果，可以改善立体停车结构地震作用下的响应。

(5) 罕遇地震下耗能节点并没有对结构刚度造成损失。

(6) 罕遇地震下耗能节点可以对结构的主要受力构件起到很大程度的保护作用。