摘要
为降低强震对传统钢筋混凝土框架结构梁柱节点的破坏水平，提升梁柱节点在震后的可修复性，设计了一种内置超弹性形状记忆合金（shape memory alloy， 简称SMA）筋的新型自复位梁柱节点。基于对不同配筋构造形式和SMA筋不同配筋率等因素的考虑，设计制作了4个1/5缩尺比例梁柱节点并进行了拟静力试验。通过非接触全场应变测量系统（video image correlate‑3d， 简称VIC‑3D）对低周往复加载作用下各节点塑性铰区的整体位移和应变进行了实时测摄，获得了相应的竖向位移和主应变全过程云图。对起裂阶段、裂缝发展阶段和自复位阶段3个阶段进行研究，对比分析了各节点的破坏过程以及耗能能力、位移延性、刚度退化和自复位等性能。试验结果表明：内置超弹性SMA筋可有效提升节点的滞回耗能和自复位性能，延缓塑性核心区混凝土的开裂，改善开裂后的损坏程度，提升节点的经济可修复性；一定范围内，增大SMA筋配筋率可有效延缓节点的刚度退化速度，但对节点的极限承载力和自复位性能的提升影响不大。
基于现行规范设计下的抗震结构已基本满足“大震不倒”的设防要求，但大震过后结构的整体变形一般较大，特别是梁柱节点塑性铰区域，往往因裂缝等永久损伤变形过大而不具备较经济的可修复性。在此背景下，随着地震可恢复功能概
目前，相关的自复位结构试验对于位移及应变的测量大多采用的是接触式位移传感器和应变片等传统测量方
目前，关于超弹性SMA材料自复位混凝土梁柱节点的拟静力试验研究相对较
非接触式全场测量系统采用的是数字图像相关技术（digital image correlation， 简称DIC）。首先，在待测区域随机分布散斑点，为准确识别三维位置点位，需根据视场区域大小选择相应尺寸的自动标定板并在测量前进行标定；其次，通过相机分别拍摄记录下待测区域变形前后的散斑图像，利用散斑灰度值进行搜索匹配与计算，如
图1 散斑图像搜索匹配
Fig.1 Search matching of speckle image
选取某型核电站常规岛主厂房框架边节点作为研究对象，设计制作了4个缩尺比为1/5的梁柱节点，包括2个新型自复位梁柱节点PSJD1与PSJD2（普通纵筋加内置不同直径SMA筋的混合节点）和2个对比节点（普通钢筋混凝土梁柱节点PJD，SMA筋增强梁柱节点SJD）。各试件的几何尺寸相同且均按照我国现行混凝土设计规范进行制作。为降低节点破坏开裂时给锚固连接端带来的不利影响，将2块钢板分别置于距离梁和柱外侧边缘50 mm处，试件尺寸配筋及具体参数如
图2 试件尺寸及配筋图 (单位：mm)
Fig.2 Specimen size and reinforcement details (unit:mm)
图3 内置SMA筋‑钢端板三维构造示意图
Fig.3 3D structural diagram of steel end plate with built‑in SMA reinforcement
本试验所用的Ni‑Ti形状记忆合金筋材料成分占比为55%Ni和45%Ti，材性试验结果如
为贴近节点的实际受力状态，试件制作过程中在柱的下端套装了钢盒，并在钢盒上焊接了球形钢铰，柱上端则采用加载千斤顶自带的球铰。考虑了梁柱自重的影响，采用柱竖向梁水平向的方式进行试件的安装，通过脚手架与反力墙相连实现对试件横向的支撑。试验加载装置示意如
图4 试验装置示意图
Fig.4 Test setup
节点试件的低周往复加载试验采用全过程位移控制的方式，如
图5 加载制度
Fig.5 Loading protocol
在试验开始前，首先用白色涂料在试件的梁柱连接塑性铰区喷涂，清理出梁部长为420 mm、柱部长为680 mm的T型待测区域，后用黑色油漆笔在喷涂干燥后的待测区域表面随机布置散斑，布置过程中控制散斑的直径不小于2 mm，以确保相机更易清晰地捕捉到散斑。架设相机到位并进行调焦，建立水平方向为x轴和竖直方向为y轴的坐标系；选择尺寸为20 mm的校正板，并对相机进行参数校准计算以获得相机内外参数，从而获得相机采集试件的参数；FLEX CAPTURE编辑时间为2 s；试验中共采集到3 000张散斑图像，以初始状态为基准图像，在参考图像中间位置选择分析区域的水平距离为200 mm。VIC‑3D测摄现场如
图6 VIC‑3D测摄现场照片
Fig.6 VIC‑3D photographing scene
新型自复位节点旨在提升普通梁柱节点的耗能及自复位等抗震性能，节点损坏程度的改善是节点抗震性能及经济可修复性提升的重要直观表现。节点的低周往复加载试验全过程按照损坏程度大致可以分为3个阶段：起裂阶段；裂缝发展阶段；自复位阶段。
位移变化云图可以直观地反映试件整体在加载过程中的位移变化，是节点延性和耗能分析的重要依据。与常规的节点类似，测量节点的竖向位移可以直接地反映梁端在加载方向上的位移变化。根据可知，主应变云图可间接地反映相应位置的应力大小，从而进一步对比研究各节点的破坏演变过程。因此，笔者选取3个阶段各节点的竖向位移云图和部分主应变云图来对各节点的破坏过程以及耗能能力、位移延性、刚度退化及自复位等性能进行对比分析。
本次试验4组试件选择的轴压比均为0.25，在开始正式循环加载前，对节点试件进行目标值为1 kN的预加载以检查试验各设备是否就位。正式加载开始后，得到4个试件起裂时的竖向位移云图如
图7 各节点起裂时竖向位移云图
Fig.7 Vertical displacement cloud graphs at crack initiation of each joint
对照
随着加载的控制位移值不断增大，各节点先后进入塑性阶段，此阶段可测得各节点的荷载峰值。考虑到荷载峰值时的裂缝发展较为成熟，具有一定的代表性，故本次试验选取4个节点达到荷载峰值时的竖向位移和主应变云图进行研究，见
图8 各节点荷载峰值时的竖向位移云图
Fig.8 Vertical displacement cloud graphs at peak load of each joint
整理
从
依据
从
图9 各节点荷载峰值时的主应变云图
Fig.9 Principal strain cloud graphs of each node at peak load
SJD节点因配筋构造不同而有较大差异。梁部只配置了SMA筋的SJD节点在往复加载作用下，其梁柱连接根部过早出现的裂缝迅速发展，并沿着几乎竖直的方向贯穿梁根的上下面（虚线方框所示），同时梁与柱各自均未出现明显的开裂。这是由于梁根部裂缝发展贯穿后，梁柱连接塑性铰位置的混凝土大部分相对较早地退出了工作，此时的梁端承载力主要由内置的SMA筋承担，而拉压状态下的表面光圆SMA筋与混凝土锚固力很低，主要靠内置的钢板维持梁柱的连接整体性，此时梁与柱基本形成相对各自独立的整体，这种工况下两部分混凝土所受的外力有限。另一方面，进入塑性阶段的SJD相比于其余节点，其塑性铰区混凝土退出工作时间更早且面积更大，而SMA筋的弹性模量远远低于普通钢筋，故SJD节点刚度退化速度更快且最终刚度远低于其余节点，同时主要靠SMA筋承担的极限承载力显然会比其余节点更低。总的来说，SJD的构造形式缺乏实用性。
卸载后梁端的残余位移和节点裂缝的闭合程度是此阶段衡量节点自复位性能的重要指标。选择相同的幅值加载级别以确保可比性，考虑到PSJD2节点在加载过程中的梁端峰值位移为10 mm，故分别取4个节点在梁端加载控制位移为10 mm级时加卸载前后的竖向位移云图进行对比分析，见
图10 各节点加卸载竖向位移云图（10 mm级）
Fig.10 Vertical displacement cloud graphs of loading and unloading of each joint (10 mm level)
根据
由
1） 相对于在普通梁柱节点的基础上内置SMA筋，采用SMA筋完全代替普通钢筋的构造形式不仅不利于梁柱节点抗震性能的提升，而且大幅降低了节点的承载力。
2） 内置超弹性SMA筋可提升节点的滞回耗能性能和延性，延缓节点塑性核心区混凝土的开裂。
3） 内置超弹性SMA筋可有效提升节点的极限承载力并延缓刚度退化速度。在适筋的情况下，增大SMA筋的配筋率对刚度退化速度影响较大，对极限承载力提高影响不大。
4） 一定范围内，增大SMA筋配筋率可显著改观节点达到荷载峰值时的开裂损坏程度，从而提升节点损坏后的经济可修复性。
5） 在小幅值荷载范围内，内置了SMA筋的新型节点卸载后的残余位移变小，自复位性能更强，增大SMA筋配筋率对提升自复位性能影响不大。
参 考 文 献
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