装配式摩擦耗能框架是啥？

本文内容由东南大学出版社供稿

装配式混凝土摩擦耗能框架体系是一种预制梁柱通过后张预应力筋装配、节点利用摩擦装置耗能的全装配式结构形式。该结构形式既保持了传统装配式钢筋混凝土框架生产速度快、质量稳定、节约模板等优点，同时通过性能稳定的承载消能双功能摩擦耗能器大幅改善了装配式节点的强度和延性。此外，后张预应力筋还可为结构提供稳定的弹性恢复力，使得采用干式节点的装配式混凝土摩擦耗能框架兼具优良的装配施工性能、结构抗震性能和功能可恢复性。本章将从装配式结构构造机理、节点耗能器试验、结构数值建模、结构抗震性能和结构易损性分析五个方面进行分析，为装配式混凝土摩擦耗能框架体系的推广和应用提供理论依据和技术支撑。

※ 装配式摩擦耗能框架构造与机理

摩擦耗能框架依据摩擦耗能器的位置，可以分为顶底摩擦耗能（Top and Bottom Friction?Damped， TBFD）装配式框架和腹板摩擦耗能装配式框架（Web Friction?Damped， WFD），其原理都是梁柱通过后张无粘结预应力装配而成，同时在梁柱界面处增设摩擦耗能器来提高结构的耗能能力。

顶底摩擦耗能装配式框架

图4.1（a）所示为一种顶底摩擦耗能装配式框架的构造形式。其中，梁、柱，摩擦耗能器等可在工厂预制加工。如图4.1（b）所示，预制加工过程中，在梁柱及构成耗能器的相应位置预留相应的预应力孔道和螺栓（分为：摩擦螺栓及固定螺栓两种）孔道。同时，在梁的预制过程中，将内摩擦装置（主要包括内摩擦钢板和将内摩擦钢板固定为一体的端板）预埋在梁端的顶底位置。现场组装过程中，首先将外摩擦装置（包括外摩擦钢板和外摩擦固定板）通过固定螺栓固定在柱上，使两者成为整体。然后，将预应力钢绞线穿过梁、柱中预留的孔洞并进行张拉。张拉的预应力钢绞线有利于施工阶段梁柱的拼装，又可以承受使用阶段的梁端弯矩。震后，结构在预应力的自恢复力作用下可以恢复到初始位置，减少或消除结构的残余变形。在震后可以通过松开固定螺栓然后拆卸外摩擦装置以方便更换摩擦材料。节点构造中这种外摩擦装置和柱通过螺栓连接的形式便于拆卸，可以方便震后摩擦片的更换。

节点的耗能机理如图4.1（c）所示，外摩擦装置与柱为一整体，内摩擦装置与梁为一整体。在地震等外荷载作用下梁柱的相对转动引起内外摩擦钢板的相互错动实现节点的能量耗散。内摩擦装置和外摩擦装置之间放置的摩擦材料可获得稳定的耗能。为了保证摩擦片在节点转动过程中同外摩擦装置为一整体，在外摩擦装置的内表面开一与摩擦板相同尺寸的凹槽以固定摩擦片。耗能器的细节构造对于节点耗能效果至关重要，为了保证梁柱能够产生较大的相对转动，梁端预留对拉摩擦螺栓预留孔洞的直径需明显大于摩擦螺栓的直径。随着梁柱间隙θ的逐渐增大，钢绞线中的内力逐渐增大，为节点提供逐渐增大的恢复力。该恢复力在震后将结构形成的间隙恢复到初始位置，减小结构的残余位移，实现结构的修复能力。结构能够实现复位的关键在于初始预应力对转动点的矩不小于摩擦力对转动点的矩。

(a)  顶底摩擦耗能装配式抗弯框架平面图

(b) 节点细部构造图

(c) 节点工作机理图

                      图4.1顶底摩擦耗能装配式框架与工作机理

此外，为提高结构的竖向抗剪能力，可将“摩擦耗能”“预应力装配”与“暗牛腿抗剪”紧密融合，形成带暗牛腿装配式顶底摩擦耗能框架［图4.2（a）］，其节点构造如图4.2（b）所示。暗牛腿的引入为节点提供足够的竖向抗剪能力，并且可在施工阶段搁置预制梁，提高结构的装配效率；同时，摩擦耗能器通过预埋件或螺栓连接的方式与梁柱可靠连接于梁侧面的顶底位置，不影响楼板布置，可使摩擦耗能的效率最大化。图4.2（c） 给出了带暗牛腿装配式顶底摩擦耗能框架的节点转动变形图。梁柱节点产生相对转动时，转动点处的挤压发生于耗能器内外摩擦钢板的端板之间，避免了混凝土的局部压碎，进一步提升了结构的可恢复性。在节点装配时，外摩擦钢板通过承压型高强螺栓与柱固定为一整体，内摩擦钢板通过承压型高强螺栓与梁固定为一体，外摩擦钢板与内摩擦钢板重合部分嵌入摩擦板（如黄铜板等），内摩擦板固定在外摩擦钢板预留的开槽内。

当结构在地震作用下发生变形时［图4.2（c）］，梁柱连接处产生相对位移，带动内摩擦装置与外摩擦装置产生相互错动，摩擦耗能器由此开始耗散能量。同时，梁柱之间的相互错动也导致预应力筋（钢绞线）伸长，产生恢复力。与不带牛腿的节点比较，节点的下部转动点在牛腿与梁的接触部位，上部转动点在梁柱的接触部位，这将导致节点绕上下转动点距耗能器的距离有微小差别，最终导致节点滞回性能呈现一定的不对称性。

(a) 带暗牛腿顶底摩擦耗能装配式抗弯框架平面图

(b) 节点细部构造图

(c) 节点工作机理图

图 4.2带暗牛腿顶底摩擦耗能装配式框架与工作机理

腹板摩擦耗能装配式框架

图4.3所示为腹板摩擦耗能装配式框架及其工作机理。其中，框架梁、柱为工厂预制。在现场吊装就位后，将预应力钢绞线穿过梁柱中预留的孔道，然后对预应力钢绞线进行张拉。后张的无粘结预应力钢绞线既是施工阶段的拼装手段，又在使用阶段承受梁端弯矩。与传统的装配式结构不同，自复位框架的梁柱接触面不再进行后浇混凝土或灌浆处理，而是主要依靠梁柱接触面上的摩擦力承担剪力（根据需要，也可增设抗剪齿键、连接角钢或牛腿等冗余构件）。在地震作用下，当梁端弯矩超过梁柱接触面的临界张开弯矩时，节点张开，钢绞线应力随之增加。地震作用后，框架在预应力钢绞线的作用下恢复到原先的竖向中心位置，从而消除（或大大降低）结构在地震作用下的残余变形，且梁柱等主体结构的变形可基本控制在弹性范围内（无损）。

(a) SCPC抗弯框架平面图

(b) 节点细部构造图 

(c) 节点工作机理图

     图4.3腹板摩擦耗能装配式框架与工作机理

为保证节点在变形过程中，不发生梁柱接触面处混凝土的局压破坏，通过设置梁端钢套、梁柱螺旋箍筋、剪力栓钉、柱预埋钢板等措施对混凝土进行约束并加强钢板和混凝土的整体共同工作。同时，在梁端腹板处设置了摩擦耗能件。该耗能件可由预埋钢套和连接在框架柱上的槽钢组成，并通过预应力高强螺杆（对拉式）提供垂直于摩擦面的压力。钢套与槽钢之间的接触面设有摩擦片。梁端预留对拉螺栓孔道直径明显大于预应力螺杆的直径，从而保证梁在发生一定的转角时不碰到螺杆。