帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能與抗震優(yōu)勢(shì)研究一、引言1.1研究背景與意義地震作為一種極具破壞力的自然災(zāi)害，頻繁侵襲著人類的生活空間，給建筑結(jié)構(gòu)帶來了巨大的威脅。回顧歷史，眾多強(qiáng)烈地震事件都造成了大量建筑物的嚴(yán)重破壞與倒塌，如2008年中國(guó)汶川8.0級(jí)特大地震，大量房屋建筑瞬間化為廢墟，無數(shù)生命被掩埋其中；2011年日本東海岸9.0級(jí)地震引發(fā)的海嘯，不僅沖毀了沿海的大量建筑，還導(dǎo)致福島核電站事故，造成了難以估量的損失；2023年土耳其7.8級(jí)地震，致使1.1萬棟建筑倒塌，許多高層建筑瞬間垮塌，成為居民的“活棺材”，大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失令人痛心疾首。這些地震災(zāi)害的慘痛教訓(xùn)深刻表明，建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性與可靠性至關(guān)重要，關(guān)乎著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。在建筑結(jié)構(gòu)中，梁柱節(jié)點(diǎn)作為連接梁和柱的關(guān)鍵部位，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)理念主要是基于“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”或“強(qiáng)柱弱梁”的原則?！皬?qiáng)節(jié)點(diǎn)”理念試圖通過進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)來保證其在地震中不被破壞，然而，這種方式往往需要消耗大量的材料和成本，且在實(shí)際地震中，即使節(jié)點(diǎn)本身未被破壞，周邊構(gòu)件的損壞也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體失效；“強(qiáng)柱弱梁”理念則是通過削弱梁來保護(hù)節(jié)點(diǎn)，使塑性鉸外移到梁上，雖然提高了節(jié)點(diǎn)區(qū)域的延性和耗能能力，但在強(qiáng)震作用下，梁端會(huì)產(chǎn)生大量塑性鉸，這意味著結(jié)構(gòu)會(huì)遭受嚴(yán)重?fù)p傷，震后修復(fù)難度極大，甚至無法修復(fù)，需要耗費(fèi)高昂的代價(jià)進(jìn)行重建。此外，傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下還容易出現(xiàn)脆性破壞的情況，如焊縫開裂、螺栓松動(dòng)等，這些破壞形式往往是突然發(fā)生的，缺乏足夠的預(yù)警，使得結(jié)構(gòu)在地震中的安全性難以得到有效保障。為了克服傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)的這些不足，提高建筑結(jié)構(gòu)在地震中的抗震性能和震后可恢復(fù)性，自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生，成為近年來地震工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的核心設(shè)計(jì)理念是在地震作用下，節(jié)點(diǎn)能夠產(chǎn)生一定的變形來耗散地震能量，同時(shí)在地震結(jié)束后，利用自身的復(fù)位機(jī)制恢復(fù)到初始位置，從而有效減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。這種節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)，為解決傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)在地震中面臨的問題提供了新的思路和方法，有望顯著提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和可持續(xù)性。在自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的研究與應(yīng)用中，形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy，簡(jiǎn)稱SMA）桿作為一種關(guān)鍵的復(fù)位元件，展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的應(yīng)用潛力。SMA是一種能夠在溫度和應(yīng)力作用下發(fā)生相變的新型功能材料，具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)兩大特性。形狀記憶效應(yīng)使得SMA在變形后，通過加熱或去除應(yīng)力等方式能夠恢復(fù)到其原始形狀；超彈性效應(yīng)則允許SMA在受力變形后，當(dāng)外力去除時(shí)，能夠自動(dòng)恢復(fù)到原來的形狀，且可恢復(fù)應(yīng)變可達(dá)6%-8%。這些特性使得SMA桿在自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)中能夠有效地提供恢復(fù)力，確保節(jié)點(diǎn)在地震后的自復(fù)位功能。與傳統(tǒng)的復(fù)位元件相比，SMA桿具有響應(yīng)速度快、復(fù)位精度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠在不同的地震工況下穩(wěn)定地工作，為自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的性能提供可靠保障。同時(shí)，SMA桿的應(yīng)用還可以與其他耗能元件（如摩擦耗能裝置、阻尼器等）相結(jié)合，形成一種協(xié)同工作的機(jī)制，進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)的耗能能力和抗震性能。通過合理設(shè)計(jì)SMA桿的參數(shù)（如材料類型、直徑、長(zhǎng)度、預(yù)應(yīng)變等）和節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)自復(fù)位性能和耗能性能的優(yōu)化，使其更好地滿足不同建筑結(jié)構(gòu)的抗震需求。綜上所述，對(duì)帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)性能進(jìn)行深入研究具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。這不僅有助于推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，提高建筑結(jié)構(gòu)在地震中的安全性和可靠性，減少地震災(zāi)害帶來的損失；而且對(duì)于促進(jìn)SMA材料在土木工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，拓展新型建筑材料的應(yīng)用范圍，推動(dòng)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展也具有積極的作用。通過本研究，期望能夠?yàn)樽詮?fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和工程實(shí)踐提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支持，為保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展做出貢獻(xiàn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1SMA材料研究進(jìn)展形狀記憶合金（SMA）作為一種新型功能材料，其研究始于20世紀(jì)30年代，1932年Olander在金鎘合金中首次觀察到形狀記憶效應(yīng)，此后科研人員相繼在Au-Cu、Ni-Al、Fe-Mn、Ti-Ni等合金系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了該效應(yīng)。經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，SMA在材料特性研究及土木工程應(yīng)用探索方面取得了顯著進(jìn)展。在材料特性研究方面，科研人員對(duì)SMA的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)進(jìn)行了深入探究。形狀記憶效應(yīng)的本質(zhì)是SMA的無擴(kuò)散固相馬氏體相變，在應(yīng)力或溫度作用下，具有體心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體與面心立方結(jié)構(gòu)的馬氏體相互轉(zhuǎn)化，馬氏體晶體結(jié)構(gòu)可通過施加機(jī)械載荷或降低溫度從奧氏體中獲得，加熱或減少載荷時(shí)則恢復(fù)奧氏體相。超彈性效應(yīng)則是指SMA在高溫相奧氏體狀態(tài)下受外力發(fā)生較大變形，去除外力后，雖應(yīng)力應(yīng)變曲線非線性且產(chǎn)生耗散能，但大應(yīng)變?nèi)钥赏ㄟ^滯后環(huán)完全恢復(fù)，可恢復(fù)應(yīng)變可達(dá)6%-8%。中南大學(xué)張利軍團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合CALPHAD和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，優(yōu)化合金成分，成功制備出無裂紋、低滯后的NiTiCu合金，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其相變行為的精細(xì)調(diào)控，熱滯后僅為8.9K，顯著提高了材料的機(jī)械性能和可靠性，推動(dòng)了SMA材料特性研究的發(fā)展。在SMA的種類研究上，常見的SMA主要包括TiNi基合金、Cu基合金和Fe基合金。TiNi基合金因性價(jià)比高、形狀記憶特性好、強(qiáng)度高以及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的SMA材料；Cu基合金如Cu-Zn系、Cu-Al系合金等，加工性好且成本低，但存在晶粒粗大、熱穩(wěn)定性差及記憶性能易衰退等缺點(diǎn)；Fe基合金包括Fe-Pt、Fe-Ni-Co、Fe-Mn-Si、不銹鋼等合金系列，價(jià)格低于TiNi基合金，記憶性能優(yōu)于Cu基合金，具有良好的應(yīng)用前景。SMA的制備工藝也在不斷發(fā)展創(chuàng)新。早期主要采用傳統(tǒng)的鑄造和加工工藝，隨著科技進(jìn)步，噴射鑄造、粉末冶金以及增材制造等新型工藝逐漸應(yīng)用于高性能SMA的制備。增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀構(gòu)件的直接制造，為SMA在土木工程中的應(yīng)用提供了更多可能性，但也面臨著如NiTiCu合金在激光粉末床熔化過程中易產(chǎn)生裂紋等問題，限制了其實(shí)際應(yīng)用中的機(jī)械性能。在土木工程應(yīng)用探索方面，SMA憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，逐漸在結(jié)構(gòu)加固、節(jié)點(diǎn)連接、隔震減震等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在結(jié)構(gòu)加固中，利用SMA的形狀記憶效應(yīng)，可對(duì)受損結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)和加固，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的承載能力；在節(jié)點(diǎn)連接方面，將SMA與傳統(tǒng)連接方式相結(jié)合，開發(fā)出具有自復(fù)位能力的節(jié)點(diǎn)連接形式，有效提高了節(jié)點(diǎn)的抗震性能；在隔震減震領(lǐng)域，SMA制作的阻尼器能夠在地震作用下耗散能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。盡管SMA在土木工程領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但目前仍存在一些問題有待解決。SMA材料成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用；其力學(xué)性能和形狀記憶性能受溫度、加載速率等因素影響較大，在實(shí)際工程應(yīng)用中如何準(zhǔn)確控制和預(yù)測(cè)這些因素對(duì)SMA性能的影響，仍需進(jìn)一步研究；SMA與其他結(jié)構(gòu)材料的協(xié)同工作性能以及長(zhǎng)期耐久性等方面的研究還不夠完善，需要開展更多的試驗(yàn)和理論分析。1.2.2自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)作為一種新型節(jié)點(diǎn)形式，近年來在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛研究。其核心設(shè)計(jì)理念是在地震作用下，節(jié)點(diǎn)能夠產(chǎn)生一定變形耗散地震能量，地震結(jié)束后利用自身復(fù)位機(jī)制恢復(fù)到初始位置，從而有效減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。目前，自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)主要包括后張預(yù)應(yīng)力自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)和基于SMA的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)等形式。后張預(yù)應(yīng)力自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)最早由美國(guó)學(xué)者Priestley提出，該節(jié)點(diǎn)通過在梁柱之間設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，利用預(yù)應(yīng)力筋的彈性恢復(fù)力實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位。在地震作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，預(yù)應(yīng)力筋被拉伸儲(chǔ)存能量，地震結(jié)束后，預(yù)應(yīng)力筋回縮帶動(dòng)節(jié)點(diǎn)恢復(fù)到初始位置。許多學(xué)者對(duì)后張預(yù)應(yīng)力自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。研究結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)具有良好的自復(fù)位能力，能夠有效減小結(jié)構(gòu)的殘余變形，在大震作用下，節(jié)點(diǎn)的殘余變形可控制在較小范圍內(nèi)；同時(shí)，通過合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力筋的參數(shù)和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，可使節(jié)點(diǎn)具有一定的耗能能力，如在節(jié)點(diǎn)中設(shè)置摩擦耗能裝置，通過摩擦作用耗散地震能量，提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。然而，后張預(yù)應(yīng)力自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)也存在一些不足之處，如節(jié)點(diǎn)的初始剛度較低，在小震作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)較大；預(yù)應(yīng)力筋的張拉和錨固工藝較為復(fù)雜，對(duì)施工技術(shù)要求較高；節(jié)點(diǎn)的耗能能力相對(duì)有限，在強(qiáng)震作用下可能無法滿足結(jié)構(gòu)的耗能需求。基于SMA的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)則是利用SMA的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位和耗能。華南理工大學(xué)馬宏偉團(tuán)隊(duì)將SMA與外伸端板螺栓節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，提出利用SMA的超彈性構(gòu)建變形自復(fù)位的梁柱節(jié)點(diǎn)，在小震作用下具有足夠的強(qiáng)度與剛度，大震作用下具有較好的變形能力及變形自恢復(fù)能力；西安建筑科技大學(xué)朱麗華教授團(tuán)隊(duì)在組合結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)中引入超彈性SMA螺桿，SMA螺桿始終處于受拉狀態(tài)以提供節(jié)點(diǎn)自復(fù)位所需要的恢復(fù)力，同時(shí)引入黃銅摩擦耗能裝置，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)件可更換性，有效減小了結(jié)構(gòu)體系的殘余變形，提升了節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定耗能能力。裴強(qiáng)等人設(shè)計(jì)制作了內(nèi)置超彈性SMA筋的新型自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，結(jié)果表明內(nèi)置超彈性SMA筋可有效提升節(jié)點(diǎn)的滯回耗能和自復(fù)位性能，延緩塑性核心區(qū)混凝土的開裂，改善開裂后的損壞程度。現(xiàn)有研究成果為自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但仍存在一些問題需要進(jìn)一步研究解決。部分自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式較為復(fù)雜，施工難度大，不利于工程推廣應(yīng)用；節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型和設(shè)計(jì)方法還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，導(dǎo)致在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中存在一定的盲目性；對(duì)于自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜地震作用下（如主余震、不同地震波輸入等）的性能研究還不夠深入，難以準(zhǔn)確評(píng)估節(jié)點(diǎn)在實(shí)際地震中的可靠性。綜上所述，目前自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的研究取得了一定進(jìn)展，但在節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造優(yōu)化、設(shè)計(jì)理論完善以及復(fù)雜工況下的性能研究等方面仍有大量工作需要開展，以推動(dòng)自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能和可持續(xù)性。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究圍繞帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)性能展開，旨在深入剖析該節(jié)點(diǎn)在不同工況下的工作特性，為其在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論與技術(shù)支撐。具體研究?jī)?nèi)容如下：帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)工作原理研究：深入探究帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的工作原理，分析SMA桿在節(jié)點(diǎn)中的作用機(jī)制。研究SMA桿的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)如何在地震作用下為節(jié)點(diǎn)提供恢復(fù)力，詳細(xì)闡述節(jié)點(diǎn)在地震過程中的變形協(xié)調(diào)機(jī)理，以及SMA桿與其他節(jié)點(diǎn)部件（如梁、柱、連接件等）的協(xié)同工作方式。通過對(duì)工作原理的研究，明確節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)和性能影響因素，為后續(xù)的節(jié)點(diǎn)性能研究和設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究：對(duì)帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行全面研究，包括節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度、延性等。通過理論分析，建立節(jié)點(diǎn)的力學(xué)模型，推導(dǎo)節(jié)點(diǎn)在不同受力狀態(tài)下的力學(xué)計(jì)算公式，分析節(jié)點(diǎn)的破壞模式和極限承載能力；開展試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)并制作帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)試件，采用擬靜力試驗(yàn)方法，對(duì)節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，獲取節(jié)點(diǎn)的滯回曲線、骨架曲線等力學(xué)性能指標(biāo)，分析節(jié)點(diǎn)在加載過程中的變形、應(yīng)力分布和耗能情況；運(yùn)用數(shù)值模擬方法，借助有限元分析軟件，建立帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的三維數(shù)值模型，對(duì)節(jié)點(diǎn)在不同工況下的力學(xué)性能進(jìn)行模擬分析，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步深入研究節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和破壞機(jī)理。帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究：重點(diǎn)研究帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能，評(píng)估節(jié)點(diǎn)在地震作用下的可靠性和有效性。通過地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，將帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)試件安裝在振動(dòng)臺(tái)上，輸入不同強(qiáng)度和頻譜特性的地震波，模擬節(jié)點(diǎn)在實(shí)際地震中的受力和變形情況，測(cè)試節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)（如加速度、位移、應(yīng)變等），分析節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位能力、耗能能力和抗震可靠性；研究節(jié)點(diǎn)在不同地震波輸入、不同地震強(qiáng)度下的抗震性能變化規(guī)律，分析節(jié)點(diǎn)的抗震薄弱環(huán)節(jié)和改進(jìn)方向；結(jié)合理論分析和試驗(yàn)研究結(jié)果，建立帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。SMA桿參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能影響研究：系統(tǒng)研究SMA桿的參數(shù)（如材料類型、直徑、長(zhǎng)度、預(yù)應(yīng)變等）對(duì)帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)性能的影響。通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，改變SMA桿的參數(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和抗震性能進(jìn)行對(duì)比分析。研究不同材料類型的SMA桿對(duì)節(jié)點(diǎn)恢復(fù)力特性和耗能能力的影響；分析SMA桿直徑和長(zhǎng)度的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度、強(qiáng)度和延性的影響規(guī)律；探討SMA桿預(yù)應(yīng)變對(duì)節(jié)點(diǎn)自復(fù)位性能和初始剛度的影響機(jī)制。通過對(duì)SMA桿參數(shù)的優(yōu)化研究，確定SMA桿的最佳參數(shù)組合，以提高帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的綜合性能。帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法與工程應(yīng)用研究：基于上述研究成果，提出帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。制定節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)流程和計(jì)算方法，明確節(jié)點(diǎn)各部件的設(shè)計(jì)要求和選材標(biāo)準(zhǔn)；提出節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造細(xì)節(jié)和施工注意事項(xiàng)，確保節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中的施工質(zhì)量和可靠性；結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性；對(duì)應(yīng)用帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益分析，評(píng)估節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和推廣價(jià)值。1.3.2研究方法為實(shí)現(xiàn)上述研究?jī)?nèi)容，本研究將綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等方法，多維度、深層次地探究帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的性能。具體研究方法如下：試驗(yàn)研究：試驗(yàn)研究是本研究的重要手段，通過開展試驗(yàn)，能夠獲取節(jié)點(diǎn)在實(shí)際受力情況下的真實(shí)性能數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供驗(yàn)證依據(jù)。本研究將進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)和地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。擬靜力試驗(yàn)中，根據(jù)研究目的和相關(guān)規(guī)范，設(shè)計(jì)并制作不同參數(shù)的帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)試件，采用液壓伺服作動(dòng)器對(duì)試件施加低周反復(fù)荷載，模擬地震作用下節(jié)點(diǎn)的受力情況。在試驗(yàn)過程中，利用位移計(jì)、應(yīng)變片等傳感器，測(cè)量節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)變、力等物理量，記錄節(jié)點(diǎn)在加載過程中的變形和破壞形態(tài)，獲取節(jié)點(diǎn)的滯回曲線、骨架曲線、耗能能力、位移延性等力學(xué)性能指標(biāo)；地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)則是將帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)試件安裝在地震模擬振動(dòng)臺(tái)上，通過輸入不同強(qiáng)度和頻譜特性的地震波，模擬節(jié)點(diǎn)在實(shí)際地震中的受力和變形情況。在試驗(yàn)過程中，使用加速度傳感器、位移傳感器等設(shè)備，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)，分析節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位能力、抗震可靠性等抗震性能指標(biāo)。通過試驗(yàn)研究，深入了解帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的工作性能和破壞機(jī)理，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬：數(shù)值模擬方法具有成本低、效率高、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)?jié)點(diǎn)在復(fù)雜工況下的性能進(jìn)行深入分析。本研究將借助有限元分析軟件（如ABAQUS、ANSYS等），建立帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的三維數(shù)值模型。在建模過程中，合理選擇材料本構(gòu)模型，準(zhǔn)確模擬SMA桿的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，以及節(jié)點(diǎn)各部件的力學(xué)性能；考慮節(jié)點(diǎn)各部件之間的接觸關(guān)系和連接方式，確保模型的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。通過數(shù)值模擬，對(duì)帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)在不同荷載工況、不同SMA桿參數(shù)下的力學(xué)性能和抗震性能進(jìn)行分析研究，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步深入探討節(jié)點(diǎn)的性能影響因素和破壞機(jī)理。同時(shí)，利用數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化分析，快速獲取不同參數(shù)組合下節(jié)點(diǎn)的性能數(shù)據(jù)，為節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。理論分析：理論分析是研究帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)性能的基礎(chǔ)，通過理論推導(dǎo)和分析，能夠建立節(jié)點(diǎn)的力學(xué)模型和設(shè)計(jì)方法，揭示節(jié)點(diǎn)的工作原理和性能規(guī)律。本研究將基于材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、抗震力學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和抗震性能進(jìn)行理論分析。建立節(jié)點(diǎn)的力學(xué)模型，推導(dǎo)節(jié)點(diǎn)在不同受力狀態(tài)下的內(nèi)力計(jì)算公式和變形協(xié)調(diào)方程，分析節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度、延性等力學(xué)性能指標(biāo)；研究節(jié)點(diǎn)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，建立節(jié)點(diǎn)的地震反應(yīng)分析模型，推導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的地震作用計(jì)算公式和抗震設(shè)計(jì)方法；結(jié)合試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)理論分析模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，完善節(jié)點(diǎn)的理論分析體系，為節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論支持。通過綜合運(yùn)用上述研究方法，本研究將全面、深入地探究帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的性能，為該節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，推動(dòng)自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。二、SMA材料特性及自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)工作原理2.1SMA材料基本特性2.1.1形狀記憶效應(yīng)形狀記憶效應(yīng)（ShapeMemoryEffect，SME）是SMA最具代表性的特性之一，指固體材料在發(fā)生塑性變形后，通過加熱到某一特定溫度之上，能夠恢復(fù)到變形前形狀的現(xiàn)象。以鎳鈦（NiTi）合金為例，當(dāng)對(duì)處于馬氏體相的NiTi合金施加外力使其發(fā)生變形時(shí)，馬氏體相內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體變體。在這個(gè)過程中，晶體結(jié)構(gòu)的變化是通過馬氏體變體之間的界面移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，這種移動(dòng)導(dǎo)致了材料的宏觀變形。當(dāng)對(duì)變形后的合金進(jìn)行加熱，使其溫度升高到奧氏體相變開始溫度（As）以上時(shí)，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體變體開始向奧氏體相轉(zhuǎn)變，隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)變逐漸完成，當(dāng)溫度達(dá)到奧氏體相變結(jié)束溫度（Af）時(shí)，合金完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，此時(shí)材料的晶體結(jié)構(gòu)恢復(fù)到變形前的狀態(tài)，宏觀形狀也隨之恢復(fù)，完成了形狀記憶效應(yīng)的過程。形狀記憶效應(yīng)的原理與SMA的馬氏體相變密切相關(guān)。馬氏體相變是一種無擴(kuò)散型的固態(tài)相變，在相變過程中，原子的移動(dòng)是通過切變的方式進(jìn)行的，而不是通過原子的擴(kuò)散。在冷卻過程中，當(dāng)溫度降低到馬氏體相變開始溫度（Ms）時(shí)，奧氏體相開始向馬氏體相轉(zhuǎn)變，馬氏體相在奧氏體相中形核并長(zhǎng)大，直到溫度降低到馬氏體相變結(jié)束溫度（Mf）時(shí)，相變結(jié)束，合金完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。在加熱過程中，當(dāng)溫度升高到As時(shí)，馬氏體相開始向奧氏體相轉(zhuǎn)變，同樣通過形核和長(zhǎng)大的方式，直到溫度達(dá)到Af時(shí)，相變結(jié)束，合金恢復(fù)到奧氏體相。這種可逆的相變過程是形狀記憶效應(yīng)的基礎(chǔ)。影響形狀記憶效應(yīng)的因素眾多，其中溫度是最為關(guān)鍵的因素之一。不同的SMA材料具有不同的相變溫度區(qū)間，只有在合適的溫度范圍內(nèi)，才能有效地激發(fā)和實(shí)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。例如，對(duì)于一些NiTi基合金，其相變溫度可能在幾十?dāng)z氏度到上百攝氏度之間，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工作環(huán)境和要求，選擇合適相變溫度的SMA材料。合金成分也對(duì)形狀記憶效應(yīng)有顯著影響，不同的合金元素及其含量會(huì)改變合金的晶體結(jié)構(gòu)和相變特性，從而影響形狀記憶效應(yīng)的表現(xiàn)。加工工藝同樣不容忽視，不同的加工工藝（如熱處理、冷加工等）會(huì)使SMA材料內(nèi)部產(chǎn)生不同的組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而影響其形狀記憶效應(yīng)。例如，適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢哉{(diào)整合金的相變溫度和相變滯后，提高形狀記憶效應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性；冷加工則可以引入位錯(cuò)等晶體缺陷，改變材料的力學(xué)性能和相變行為。在自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)中，形狀記憶效應(yīng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自復(fù)位功能的核心機(jī)制之一。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在地震等外力作用下發(fā)生變形時(shí)，SMA桿隨之產(chǎn)生塑性變形，儲(chǔ)存了一定的變形能。地震結(jié)束后，通過對(duì)SMA桿進(jìn)行加熱（如利用環(huán)境溫度的升高或外部加熱裝置），使其溫度達(dá)到As以上，SMA桿發(fā)生馬氏體逆相變，從馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，從而恢復(fù)到原始形狀，為節(jié)點(diǎn)提供恢復(fù)力，帶動(dòng)節(jié)點(diǎn)恢復(fù)到初始位置，減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。例如，在一些自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，將SMA桿作為連接梁和柱的關(guān)鍵部件，當(dāng)節(jié)點(diǎn)受到地震作用產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，SMA桿被拉伸或壓縮發(fā)生塑性變形，地震過后，隨著溫度的恢復(fù)或人為加熱，SMA桿憑借形狀記憶效應(yīng)恢復(fù)原狀，拉動(dòng)梁和柱回到初始位置，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位。這種基于形狀記憶效應(yīng)的自復(fù)位機(jī)制，能夠有效地提高梁柱節(jié)點(diǎn)在地震后的可恢復(fù)性，減少結(jié)構(gòu)的損傷，保障結(jié)構(gòu)的安全性能。2.1.2超彈性效應(yīng)超彈性效應(yīng)（Superelasticity），又稱偽彈性（Pseudoelasticity），是SMA另一個(gè)重要的特性。超彈性效應(yīng)表現(xiàn)為SMA在高溫相奧氏體狀態(tài)下，受到外力作用時(shí)能夠發(fā)生較大的彈性變形，當(dāng)外力去除后，材料能夠自動(dòng)恢復(fù)到原來的形狀，且在這個(gè)過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，并產(chǎn)生一定的耗散能。以NiTi合金為例，當(dāng)對(duì)處于奧氏體相的NiTi合金施加拉伸應(yīng)力時(shí)，在應(yīng)力較小時(shí)，合金表現(xiàn)出與普通彈性材料相似的線性彈性行為，應(yīng)力與應(yīng)變呈正比關(guān)系。隨著應(yīng)力的增加，當(dāng)達(dá)到一定值（通常稱為起始應(yīng)力）時(shí)，合金開始發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，奧氏體相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，在這個(gè)相變過程中，材料的應(yīng)變迅速增加，而應(yīng)力增加相對(duì)緩慢，形成應(yīng)力-應(yīng)變曲線的平臺(tái)段。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值（通常稱為結(jié)束應(yīng)力）時(shí)，相變基本完成，此后繼續(xù)增加應(yīng)力，材料進(jìn)入彈性硬化階段，應(yīng)力與應(yīng)變?cè)俅纬式凭€性關(guān)系增加。當(dāng)卸載時(shí)，應(yīng)力逐漸減小，馬氏體相開始向奧氏體相逆轉(zhuǎn)變，應(yīng)變隨之逐漸恢復(fù)，同樣形成一個(gè)平臺(tái)段，且卸載路徑與加載路徑不重合，形成一個(gè)滯回環(huán)，這表明在加載和卸載過程中存在能量耗散。當(dāng)應(yīng)力完全卸載后，材料的應(yīng)變幾乎完全恢復(fù)，僅殘留極小的不可恢復(fù)應(yīng)變，體現(xiàn)了超彈性效應(yīng)的高可恢復(fù)變形能力。超彈性效應(yīng)的原理基于SMA的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變。在奧氏體相狀態(tài)下，SMA的晶體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，原子排列緊密。當(dāng)受到外力作用時(shí)，應(yīng)力會(huì)破壞奧氏體相的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，促使奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，這個(gè)轉(zhuǎn)變過程伴隨著原子的切變位移，從而導(dǎo)致材料產(chǎn)生較大的變形。由于馬氏體相是在應(yīng)力作用下形成的，其晶體結(jié)構(gòu)具有一定的不穩(wěn)定性，當(dāng)外力去除后，馬氏體相在熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的作用下，會(huì)自發(fā)地向奧氏體相逆轉(zhuǎn)變，使材料恢復(fù)到原來的形狀。這種應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變及其逆轉(zhuǎn)變的過程，使得SMA在宏觀上表現(xiàn)出超彈性效應(yīng)。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以直觀地看出SMA的超彈性特性和耗能能力。滯回環(huán)的存在表明在加載和卸載過程中，SMA通過應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變和逆相變，吸收和耗散了一部分能量。滯回環(huán)所包圍的面積越大，說明材料在一次加載卸載循環(huán)中耗散的能量越多，耗能能力越強(qiáng)。在實(shí)際應(yīng)用中，SMA的這種耗能能力可以有效地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，通過在梁柱節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵部位設(shè)置SMA元件，利用其超彈性效應(yīng)在地震作用下耗散能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，保護(hù)結(jié)構(gòu)的主體安全。影響超彈性效應(yīng)的因素包括溫度、加載速率、預(yù)應(yīng)變等。溫度對(duì)超彈性效應(yīng)的影響較為顯著，當(dāng)溫度接近或低于奧氏體相變結(jié)束溫度（Af）時(shí)，超彈性效應(yīng)逐漸減弱，材料的力學(xué)性能逐漸向普通彈性材料轉(zhuǎn)變；當(dāng)溫度高于Af較多時(shí)，雖然超彈性效應(yīng)仍然存在，但相變的驅(qū)動(dòng)力可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀和滯回環(huán)的特征發(fā)生改變。加載速率也會(huì)對(duì)超彈性效應(yīng)產(chǎn)生影響，加載速率過快時(shí)，由于材料內(nèi)部的相變過程來不及充分進(jìn)行，可能會(huì)導(dǎo)致超彈性性能下降，滯回環(huán)面積減小，耗能能力降低。預(yù)應(yīng)變是指在使用SMA之前對(duì)其施加的一定變形，適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)變可以調(diào)整SMA的超彈性性能，如改變起始應(yīng)力、結(jié)束應(yīng)力和滯回環(huán)的形狀等，但過大的預(yù)應(yīng)變可能會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，影響其超彈性效應(yīng)和耐久性。在應(yīng)用SMA的超彈性效應(yīng)時(shí)，需要充分考慮這些影響因素。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體的工作環(huán)境和要求，合理選擇SMA材料的類型和參數(shù)，控制好溫度、加載速率等條件，以確保SMA能夠穩(wěn)定地發(fā)揮超彈性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。例如，在自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，要考慮節(jié)點(diǎn)在地震作用下的實(shí)際受力情況和環(huán)境溫度變化，選擇合適的SMA桿尺寸、材料參數(shù)，并通過試驗(yàn)和模擬分析，確定合理的預(yù)應(yīng)變值，以優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位性能和耗能能力，提高結(jié)構(gòu)的抗震可靠性。2.2帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式2.2.1常見構(gòu)造形式分類帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)作為一種新型的節(jié)點(diǎn)形式，近年來在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。其常見的構(gòu)造形式可根據(jù)節(jié)點(diǎn)的連接方式、SMA桿的布置位置以及是否設(shè)置耗能元件等因素進(jìn)行分類。按照連接方式劃分，常見的帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)有端板連接節(jié)點(diǎn)和套筒連接節(jié)點(diǎn)。端板連接節(jié)點(diǎn)是將SMA桿通過高強(qiáng)螺栓與梁端的端板和柱進(jìn)行連接，這種連接方式構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力明確，便于施工安裝，在實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛。套筒連接節(jié)點(diǎn)則是利用套筒將SMA桿與梁、柱中的鋼筋連接起來，通過套筒的擠壓變形來傳遞力，具有較好的整體性和抗震性能，但套筒的加工精度和施工質(zhì)量要求較高。從SMA桿的布置位置來看，可分為內(nèi)置式和外置式。內(nèi)置式節(jié)點(diǎn)將SMA桿布置在梁、柱內(nèi)部，與混凝土或鋼材協(xié)同工作，這種布置方式可以有效保護(hù)SMA桿，避免其受到外界環(huán)境的侵蝕，但施工難度較大，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空間要求較高。外置式節(jié)點(diǎn)則將SMA桿布置在梁、柱外部，通過連接件與梁、柱相連，安裝和維護(hù)較為方便，能直觀地觀察SMA桿的工作狀態(tài)，但SMA桿容易受到外界因素影響，需采取防護(hù)措施。根據(jù)是否設(shè)置耗能元件，帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)又可分為單純自復(fù)位節(jié)點(diǎn)和自復(fù)位耗能節(jié)點(diǎn)。單純自復(fù)位節(jié)點(diǎn)主要依靠SMA桿的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位，在小震作用下能較好地發(fā)揮作用，但在大震中耗能能力有限。自復(fù)位耗能節(jié)點(diǎn)則在節(jié)點(diǎn)中增設(shè)了耗能元件（如摩擦片、阻尼器等），通過耗能元件的耗能作用，有效提高了節(jié)點(diǎn)在大震下的耗能能力，進(jìn)一步增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的抗震性能。不同構(gòu)造形式的帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)各有其適用場(chǎng)景和優(yōu)勢(shì)。端板連接的內(nèi)置式自復(fù)位耗能節(jié)點(diǎn)適用于對(duì)結(jié)構(gòu)外觀和耐久性要求較高的建筑，如城市中的標(biāo)志性建筑，既能保證結(jié)構(gòu)的美觀，又能有效抵抗地震作用；而套筒連接的外置式單純自復(fù)位節(jié)點(diǎn)則更適合于一些對(duì)施工速度要求較高、結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間有限的臨時(shí)性建筑或簡(jiǎn)易建筑，施工方便且成本較低。2.2.2節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部件包括SMA桿、連接件和耗能元件等，這些部件的設(shè)計(jì)直接影響著節(jié)點(diǎn)的性能。SMA桿作為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自復(fù)位的核心部件，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括材料選擇、尺寸確定和預(yù)應(yīng)變?cè)O(shè)置。在材料選擇方面，目前應(yīng)用最廣泛的是NiTi基合金，因其具有良好的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，性能穩(wěn)定可靠，但成本相對(duì)較高；Cu基合金和Fe基合金成本較低，也具有一定的形狀記憶性能，在一些對(duì)成本較為敏感的工程中具有應(yīng)用潛力。在確定SMA桿的尺寸時(shí)，需綜合考慮節(jié)點(diǎn)所承受的荷載大小、變形要求以及結(jié)構(gòu)的整體剛度等因素。直徑較大的SMA桿能提供更大的恢復(fù)力，但會(huì)增加材料成本和節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性；長(zhǎng)度則需根據(jù)節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸和變形協(xié)調(diào)要求來確定，確保在節(jié)點(diǎn)變形過程中SMA桿能有效發(fā)揮作用。預(yù)應(yīng)變的設(shè)置對(duì)SMA桿的性能也至關(guān)重要，適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)變可以提高SMA桿的初始剛度和恢復(fù)力，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位能力，但過大的預(yù)應(yīng)變可能導(dǎo)致SMA桿的性能退化，降低其使用壽命。連接件用于連接SMA桿與梁、柱，其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度和可靠性要求。連接件的強(qiáng)度需保證在節(jié)點(diǎn)受力過程中不會(huì)發(fā)生破壞，能夠有效地傳遞SMA桿的恢復(fù)力；剛度則應(yīng)與SMA桿和梁、柱的剛度相匹配，避免因剛度不匹配而導(dǎo)致應(yīng)力集中或變形不協(xié)調(diào)的問題。常見的連接件有鋼板、螺栓、套筒等，其形狀和尺寸應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的具體構(gòu)造和受力特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在端板連接節(jié)點(diǎn)中，連接件的設(shè)計(jì)應(yīng)確保端板與梁、柱之間的連接牢固，螺栓的數(shù)量和直徑需經(jīng)過計(jì)算確定，以滿足節(jié)點(diǎn)的受力要求。耗能元件是自復(fù)位耗能節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)目的是在地震作用下耗散能量，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。常見的耗能元件有摩擦片、阻尼器等。摩擦片通過摩擦作用耗散能量，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括摩擦材料的選擇和摩擦面的設(shè)置。摩擦材料應(yīng)具有良好的摩擦性能和耐久性，如銅基合金、石墨等；摩擦面的數(shù)量和面積需根據(jù)節(jié)點(diǎn)的耗能需求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以確保在地震作用下能產(chǎn)生足夠的摩擦力，耗散地震能量。阻尼器則通過自身的變形和耗能機(jī)制來消耗能量，如黏滯阻尼器、金屬阻尼器等。在設(shè)計(jì)阻尼器時(shí)，需確定其阻尼系數(shù)、耗能能力和工作行程等參數(shù)，使其與SMA桿和節(jié)點(diǎn)的其他部件協(xié)同工作，共同提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。SMA桿、連接件和耗能元件等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)相互關(guān)聯(lián)、相互影響，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中，需綜合考慮各部件的性能要求和相互作用，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使節(jié)點(diǎn)達(dá)到最佳的自復(fù)位和耗能性能，滿足建筑結(jié)構(gòu)在不同地震工況下的抗震需求。2.3節(jié)點(diǎn)工作原理分析2.3.1受力過程分析在地震作用下，帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的受力過程較為復(fù)雜，可大致分為彈性階段、彈塑性階段和自復(fù)位階段。在彈性階段，當(dāng)?shù)卣鹱饔幂^小時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于彈性狀態(tài)，SMA桿、梁和柱均未發(fā)生明顯的塑性變形。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)主要依靠材料的彈性剛度來抵抗地震力，SMA桿與梁、柱協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載。SMA桿憑借其自身的彈性特性，在節(jié)點(diǎn)受力時(shí)產(chǎn)生一定的彈性變形，為節(jié)點(diǎn)提供一定的剛度和恢復(fù)力。由于地震作用較小，節(jié)點(diǎn)的變形處于彈性范圍內(nèi)，地震結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)能夠完全恢復(fù)到初始位置，不會(huì)產(chǎn)生殘余變形。隨著地震作用的增強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入彈塑性階段。在這個(gè)階段，梁端首先出現(xiàn)塑性鉸，開始耗散地震能量。同時(shí)，SMA桿也開始發(fā)生較大的變形，當(dāng)SMA桿的應(yīng)力達(dá)到其超彈性起始應(yīng)力時(shí)，會(huì)發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，產(chǎn)生較大的可恢復(fù)變形。在加載過程中，SMA桿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性特征，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定程度后，進(jìn)入應(yīng)力平臺(tái)階段，此時(shí)應(yīng)變繼續(xù)增加而應(yīng)力基本保持不變，表明SMA桿正在發(fā)生相變，吸收大量的能量。在這個(gè)階段，SMA桿與梁、柱之間通過連接件傳遞力，協(xié)同工作。梁的塑性鉸變形和SMA桿的超彈性變形共同消耗地震能量，減小節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)。但由于塑性鉸的出現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)的變形開始出現(xiàn)不可逆部分，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的殘余變形。當(dāng)?shù)卣鹱饔弥饾u減弱，進(jìn)入自復(fù)位階段。此時(shí)，SMA桿的應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)應(yīng)力降低到超彈性結(jié)束應(yīng)力以下時(shí)，馬氏體開始向奧氏體逆轉(zhuǎn)變。隨著逆轉(zhuǎn)變的進(jìn)行，SMA桿逐漸恢復(fù)到原始形狀，憑借其恢復(fù)力拉動(dòng)梁和柱，使節(jié)點(diǎn)逐漸恢復(fù)到初始位置，減小結(jié)構(gòu)的殘余變形。在這個(gè)過程中，SMA桿的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)共同作用，為節(jié)點(diǎn)提供了強(qiáng)大的自復(fù)位能力。即使梁端已經(jīng)產(chǎn)生了一定的塑性變形，SMA桿仍然能夠通過自身的恢復(fù)作用，帶動(dòng)節(jié)點(diǎn)回到接近初始的位置，提高結(jié)構(gòu)的震后可恢復(fù)性。2.3.2自復(fù)位機(jī)制探討帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位機(jī)制主要基于SMA桿的超彈性和形狀記憶效應(yīng)。SMA桿的超彈性效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)自復(fù)位的重要機(jī)制之一。在地震作用下，當(dāng)SMA桿受到拉力時(shí)，其內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，從奧氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相，產(chǎn)生較大的變形，這個(gè)過程中SMA桿吸收了大量的能量。當(dāng)外力去除后，馬氏體相在熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的作用下向奧氏體相逆轉(zhuǎn)變，SMA桿恢復(fù)到原來的形狀，從而為節(jié)點(diǎn)提供恢復(fù)力，實(shí)現(xiàn)自復(fù)位。從微觀角度來看，在超彈性變形過程中，SMA桿內(nèi)部的原子排列發(fā)生了變化，形成了應(yīng)力誘發(fā)馬氏體變體。當(dāng)卸載時(shí)，這些變體在熱力學(xué)和晶體學(xué)的作用下，重新排列恢復(fù)到奧氏體相的原子排列狀態(tài)，宏觀上表現(xiàn)為SMA桿的形狀恢復(fù)。形狀記憶效應(yīng)同樣在自復(fù)位過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。如果在地震作用下SMA桿發(fā)生了較大的塑性變形，在地震結(jié)束后，通過加熱等方式使SMA桿的溫度升高到奧氏體相變開始溫度（As）以上，SMA桿會(huì)發(fā)生馬氏體逆相變，從馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，從而恢復(fù)到變形前的形狀，為節(jié)點(diǎn)提供額外的恢復(fù)力，進(jìn)一步增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位效果。例如，在一些實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在地震中受到嚴(yán)重破壞，SMA桿產(chǎn)生了較大的塑性變形時(shí)，可以通過外部加熱裝置對(duì)SMA桿進(jìn)行加熱，激發(fā)其形狀記憶效應(yīng)，使其恢復(fù)原狀，帶動(dòng)節(jié)點(diǎn)復(fù)位。影響自復(fù)位效果的因素眾多。SMA桿的材料特性是關(guān)鍵因素之一，不同成分和熱處理工藝的SMA材料，其相變溫度、超彈性性能和形狀記憶性能存在差異，從而影響自復(fù)位效果。一般來說，相變溫度較低的SMA材料在常溫下更容易發(fā)揮超彈性效應(yīng)，而形狀記憶效應(yīng)則對(duì)相變溫度范圍有一定要求，需要根據(jù)實(shí)際工程環(huán)境選擇合適的SMA材料。SMA桿的預(yù)應(yīng)變也對(duì)自復(fù)位效果有重要影響，適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)變可以提高SMA桿的初始剛度和恢復(fù)力，增強(qiáng)自復(fù)位能力，但過大的預(yù)應(yīng)變可能導(dǎo)致SMA桿的性能退化，降低自復(fù)位效果。節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式和連接方式同樣會(huì)影響自復(fù)位效果，合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)和可靠的連接方式能夠確保SMA桿與梁、柱之間的協(xié)同工作，充分發(fā)揮SMA桿的自復(fù)位作用。如果節(jié)點(diǎn)的連接部位存在松動(dòng)或變形不協(xié)調(diào)的情況，會(huì)導(dǎo)致SMA桿的恢復(fù)力無法有效地傳遞到梁和柱上，從而影響節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位效果。地震的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間等外部因素也不容忽視，強(qiáng)烈的地震和長(zhǎng)時(shí)間的作用可能使SMA桿超過其彈性極限，導(dǎo)致性能下降，進(jìn)而影響自復(fù)位效果。三、帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)3.1.1試件設(shè)計(jì)與制作本試驗(yàn)旨在研究帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能，試件設(shè)計(jì)主要參考相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及以往類似試驗(yàn)研究成果。選取常見的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的邊節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，考慮到試驗(yàn)條件和成本限制，將試件設(shè)計(jì)為1:2縮尺比例模型。試件由梁、柱和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)組成，梁和柱均采用C30混凝土澆筑，縱筋選用HRB400級(jí)鋼筋，箍筋采用HPB300級(jí)鋼筋。梁的截面尺寸為200mm×350mm，長(zhǎng)度為1500mm；柱的截面尺寸為300mm×300mm，高度為1800mm。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)通過加密箍筋提高其抗剪能力，箍筋間距為50mm。SMA桿作為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)自復(fù)位的關(guān)鍵部件，選用鎳鈦（NiTi）合金制作，其具有良好的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)。SMA桿的直徑為16mm，長(zhǎng)度根據(jù)節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸和變形要求確定為800mm。為了提高SMA桿與混凝土之間的粘結(jié)性能，在SMA桿表面加工有螺紋，并在桿的兩端設(shè)置錨固端，錨固端采用鐓粗處理，以增加錨固長(zhǎng)度。在制作過程中，首先進(jìn)行鋼筋的加工和綁扎，確保鋼筋的間距、數(shù)量和錨固長(zhǎng)度符合設(shè)計(jì)要求。然后安裝模板，模板采用高強(qiáng)度膠合板，以保證澆筑過程中模板的穩(wěn)定性和精度。在模板安裝完成后，將SMA桿按照設(shè)計(jì)位置準(zhǔn)確地放置在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，并與鋼筋進(jìn)行可靠連接。連接方式采用焊接和機(jī)械連接相結(jié)合的方式，確保SMA桿與鋼筋之間的協(xié)同工作。最后進(jìn)行混凝土的澆筑，澆筑過程中采用振搗棒振搗，保證混凝土的密實(shí)度。在混凝土澆筑完成后，進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7天，以確保混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。3.1.2試驗(yàn)加載方案試驗(yàn)加載設(shè)備采用5000kN電液伺服作動(dòng)器，其能夠精確控制加載力和位移，滿足試驗(yàn)要求。作動(dòng)器通過球鉸與試件梁端連接，確保加載過程中力的均勻傳遞。加載方式采用位移控制的低周反復(fù)加載制度。在正式加載前，先進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載荷載值為預(yù)估極限荷載的10%，加載1個(gè)循環(huán)，目的是檢查試驗(yàn)裝置的可靠性，消除試件與加載設(shè)備之間的間隙，使各測(cè)量?jī)x器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。正式加載時(shí)，根據(jù)試件的屈服位移確定加載級(jí)，以屈服位移的倍數(shù)作為控制位移增量。加載順序?yàn)椋?.5Δy、1.0Δy、1.5Δy、2.0Δy、2.5Δy、3.0Δy……，每個(gè)位移級(jí)加載3個(gè)循環(huán)。當(dāng)試件的承載力下降到極限承載力的85%以下時(shí)，停止加載。在加載過程中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄加載力、位移等數(shù)據(jù)。3.1.3測(cè)量?jī)?nèi)容與方法本試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容主要包括節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)變和力。位移測(cè)量采用位移計(jì)，在梁端和柱頂分別布置位移計(jì)，測(cè)量梁端的水平位移和柱頂?shù)呢Q向位移。位移計(jì)通過磁性表座固定在試件旁邊的剛性支架上，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。應(yīng)變測(cè)量采用電阻應(yīng)變片，在梁端、柱端和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的鋼筋和混凝土表面粘貼應(yīng)變片，測(cè)量各部位的應(yīng)變分布。應(yīng)變片粘貼時(shí)，先對(duì)粘貼部位進(jìn)行打磨、清洗，然后使用專用膠水粘貼，并做好防潮和防護(hù)措施。力的測(cè)量通過作動(dòng)器上的荷載傳感器直接測(cè)量加載力。在試驗(yàn)過程中，使用數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集位移計(jì)、應(yīng)變片和荷載傳感器的數(shù)據(jù)，采集頻率為10Hz。同時(shí)，安排專人觀察試件在加載過程中的變形和破壞情況，及時(shí)記錄裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，以及構(gòu)件的破壞形態(tài)。3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析3.2.1破壞模式分析在低周反復(fù)加載試驗(yàn)過程中，試件呈現(xiàn)出較為典型的破壞模式。隨著加載位移的逐漸增加，試件首先在梁端底部出現(xiàn)細(xì)微裂縫，這是由于梁端在彎矩作用下受拉，混凝土達(dá)到其抗拉強(qiáng)度極限而開裂。此時(shí)，裂縫寬度較小，發(fā)展較為緩慢，試件整體仍處于彈性階段。隨著荷載進(jìn)一步增大，裂縫逐漸向上延伸并不斷加寬，梁端受拉區(qū)混凝土逐漸退出工作，鋼筋開始承擔(dān)主要拉力。當(dāng)加載位移達(dá)到一定程度時(shí)，梁端塑性鉸區(qū)域的混凝土出現(xiàn)明顯的壓碎剝落現(xiàn)象，箍筋外露，這表明梁端已經(jīng)進(jìn)入塑性變形階段，塑性鉸開始形成并發(fā)揮耗能作用。SMA桿在整個(gè)加載過程中也發(fā)揮了重要作用。在加載初期，SMA桿處于彈性階段，與梁、柱協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載。隨著梁端塑性鉸的發(fā)展，SMA桿逐漸進(jìn)入超彈性階段，發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，產(chǎn)生較大的可恢復(fù)變形。在卸載過程中，SMA桿憑借其超彈性效應(yīng)，能夠提供恢復(fù)力，使梁端部分恢復(fù)到初始位置，減小殘余變形。然而，當(dāng)加載位移過大，超過SMA桿的可恢復(fù)變形范圍時(shí)，SMA桿可能會(huì)發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致其自復(fù)位能力下降。與普通梁柱節(jié)點(diǎn)相比，帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)在破壞模式上存在明顯差異。普通梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下，梁端塑性鉸區(qū)域的混凝土往往會(huì)遭受嚴(yán)重破壞，裂縫開展較大，殘余變形明顯，震后修復(fù)難度較大。而帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)由于SMA桿的作用，在地震后能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的自復(fù)位，殘余變形較小。即使梁端混凝土出現(xiàn)一定程度的壓碎剝落，SMA桿仍能通過其恢復(fù)力將節(jié)點(diǎn)拉回一定位置，減少結(jié)構(gòu)的損傷。這種自復(fù)位特性使得節(jié)點(diǎn)在震后能夠保持較好的整體性和穩(wěn)定性，為結(jié)構(gòu)的后續(xù)修復(fù)和使用提供了有利條件。3.2.2滯回曲線分析根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的滯回曲線能夠直觀地反映試件在低周反復(fù)加載下的力學(xué)性能。滯回曲線呈現(xiàn)出較為飽滿的梭形，表明試件具有較好的耗能能力。在加載初期，滯回曲線基本呈線性，說明試件處于彈性階段，此時(shí)梁、柱和SMA桿均未發(fā)生明顯的塑性變形，卸載后能夠完全恢復(fù)到初始位置。隨著加載位移的增加，滯回曲線開始出現(xiàn)非線性，表明試件進(jìn)入彈塑性階段，梁端塑性鉸逐漸形成，SMA桿也開始發(fā)揮超彈性效應(yīng)。在這個(gè)階段，滯回曲線的斜率逐漸減小，說明試件的剛度逐漸退化。同時(shí)，滯回曲線所包圍的面積逐漸增大，表明試件在加載和卸載過程中消耗的能量逐漸增加，耗能能力逐漸增強(qiáng)。從滯回曲線的特征可以進(jìn)一步分析節(jié)點(diǎn)的耗能能力、剛度退化和強(qiáng)度變化。耗能能力方面，滯回曲線所包圍的面積越大，表明節(jié)點(diǎn)在一個(gè)加載循環(huán)中消耗的能量越多。通過計(jì)算滯回曲線的面積，可以定量評(píng)估節(jié)點(diǎn)的耗能能力。在本試驗(yàn)中，隨著加載位移的增大，節(jié)點(diǎn)的耗能能力逐漸增強(qiáng)，這是由于梁端塑性鉸的發(fā)展和SMA桿的超彈性變形共同作用的結(jié)果。剛度退化方面，滯回曲線的斜率反映了節(jié)點(diǎn)的剛度，斜率越小，剛度越低。隨著加載位移的增加，滯回曲線斜率逐漸減小，說明節(jié)點(diǎn)的剛度逐漸退化。這是因?yàn)樵诩虞d過程中，梁端混凝土開裂、壓碎，鋼筋屈服，以及SMA桿的相變等因素，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形能力發(fā)生變化，從而引起剛度退化。強(qiáng)度變化方面，滯回曲線的峰值荷載代表了節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度。在加載過程中，峰值荷載先逐漸增加，達(dá)到最大值后又逐漸下降，這表明節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度在加載初期隨著位移的增加而提高，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入破壞階段后，強(qiáng)度開始下降。3.2.3骨架曲線分析骨架曲線是將滯回曲線中每一級(jí)加載的峰值點(diǎn)連接而成的曲線，它能夠更清晰地反映試件從加載到破壞的全過程力學(xué)性能。通過骨架曲線可以確定節(jié)點(diǎn)的極限承載力、屈服荷載和位移等重要參數(shù)。在本試驗(yàn)中，骨架曲線呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。在加載初期，骨架曲線上升較為陡峭，說明節(jié)點(diǎn)的承載力隨著位移的增加迅速提高，此時(shí)節(jié)點(diǎn)處于彈性階段，材料性能得到充分發(fā)揮。隨著位移的進(jìn)一步增加，骨架曲線上升速度逐漸變緩，表明節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)入彈塑性階段，部分材料開始屈服，承載力增長(zhǎng)逐漸變緩。當(dāng)骨架曲線達(dá)到峰值時(shí)，對(duì)應(yīng)的荷載即為節(jié)點(diǎn)的極限承載力。在本試驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)的極限承載力達(dá)到了[X]kN，表明該節(jié)點(diǎn)具有較好的承載能力。屈服荷載和位移是評(píng)估節(jié)點(diǎn)性能的另兩個(gè)重要指標(biāo)。屈服荷載是指節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)入塑性變形階段時(shí)的荷載，屈服位移則是對(duì)應(yīng)于屈服荷載的位移。在骨架曲線上，通常采用能量法或切線模量法來確定屈服點(diǎn)。本試驗(yàn)采用能量法確定屈服點(diǎn)，通過計(jì)算骨架曲線與彈性階段直線所圍成的面積，當(dāng)該面積達(dá)到一定比例時(shí)，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)即為屈服點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算，節(jié)點(diǎn)的屈服荷載為[X]kN，屈服位移為[X]mm。通過屈服荷載和位移可以進(jìn)一步計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)，位移延性系數(shù)是衡量節(jié)點(diǎn)變形能力的重要指標(biāo)，它反映了節(jié)點(diǎn)在破壞前能夠承受的塑性變形程度。位移延性系數(shù)越大，說明節(jié)點(diǎn)的變形能力越好，抗震性能越強(qiáng)。本試驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)為[X]，表明該節(jié)點(diǎn)具有較好的變形能力，能夠在地震作用下吸收和耗散大量能量，保證結(jié)構(gòu)的安全。3.2.4耗能能力分析耗能能力是衡量帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的重要指標(biāo)之一。在本試驗(yàn)中，通過計(jì)算滯回曲線所包圍的面積來確定節(jié)點(diǎn)的耗能能力。隨著加載位移的增加，滯回曲線所包圍的面積逐漸增大，表明節(jié)點(diǎn)的耗能能力逐漸增強(qiáng)。這是因?yàn)樵诩虞d過程中，梁端塑性鉸的發(fā)展以及SMA桿的超彈性變形都能夠消耗能量。梁端塑性鉸區(qū)域的混凝土開裂、壓碎，鋼筋屈服，這些過程都伴隨著能量的耗散；SMA桿在超彈性變形過程中，通過應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變及其逆轉(zhuǎn)變，也吸收和耗散了大量能量。SMA桿對(duì)節(jié)點(diǎn)耗能能力的影響較為顯著。由于SMA桿具有超彈性效應(yīng)，在加載和卸載過程中能夠產(chǎn)生滯回耗能，從而增加節(jié)點(diǎn)的耗能能力。當(dāng)SMA桿的直徑增大時(shí)，其超彈性變形能力增強(qiáng)，能夠消耗更多的能量。通過對(duì)比不同SMA桿直徑的試件耗能能力發(fā)現(xiàn)，隨著SMA桿直徑從16mm增加到20mm，節(jié)點(diǎn)的耗能能力提高了[X]%。這是因?yàn)橹睆皆龃螅琒MA桿的截面面積增大，能夠承受更大的拉力和變形，從而在超彈性變形過程中消耗更多的能量。為了進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)的耗能能力，可以采取一些優(yōu)化措施。在節(jié)點(diǎn)中增設(shè)耗能元件，如摩擦片、阻尼器等。摩擦片通過摩擦作用耗散能量，阻尼器則通過自身的變形和耗能機(jī)制來消耗能量。將摩擦片設(shè)置在梁端與柱的連接處，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，摩擦片之間產(chǎn)生摩擦力，從而耗散能量。研究表明，增設(shè)摩擦片后，節(jié)點(diǎn)的耗能能力可提高[X]%以上。合理設(shè)計(jì)SMA桿的預(yù)應(yīng)變也可以優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的耗能能力。適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)變可以使SMA桿在加載初期更快地進(jìn)入超彈性階段，從而更早地發(fā)揮耗能作用。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SMA桿的預(yù)應(yīng)變?yōu)閇X]%時(shí)，節(jié)點(diǎn)的耗能能力達(dá)到最佳。3.2.5剛度退化分析剛度退化是指節(jié)點(diǎn)在加載過程中隨著變形的增加，其剛度逐漸降低的現(xiàn)象。在本試驗(yàn)中，通過計(jì)算割線剛度來分析節(jié)點(diǎn)的剛度退化情況。割線剛度是指在滯回曲線上，某一加載點(diǎn)的荷載與相應(yīng)位移的比值。隨著加載位移的增加，割線剛度逐漸減小，表明節(jié)點(diǎn)的剛度逐漸退化。這是由于在加載過程中，梁端混凝土開裂、壓碎，鋼筋屈服，以及SMA桿的相變等因素，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形能力發(fā)生變化，從而引起剛度退化。影響剛度退化的因素主要包括混凝土的損傷、鋼筋的屈服和SMA桿的變形。在加載初期，混凝土的損傷較小，鋼筋和SMA桿均處于彈性階段，節(jié)點(diǎn)的剛度主要由材料的彈性模量和截面幾何尺寸決定。隨著加載位移的增加，梁端混凝土開始開裂，混凝土的有效截面面積減小，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的剛度下降。當(dāng)鋼筋屈服后，其承載能力和變形能力發(fā)生變化，進(jìn)一步加劇了節(jié)點(diǎn)的剛度退化。SMA桿在超彈性變形過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，也會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)的剛度產(chǎn)生影響。當(dāng)SMA桿發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變時(shí)，其剛度會(huì)發(fā)生改變，從而影響節(jié)點(diǎn)的整體剛度。剛度退化對(duì)節(jié)點(diǎn)性能有著重要影響。剛度的降低會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在相同荷載作用下的變形增大，從而影響結(jié)構(gòu)的正常使用。在地震作用下，剛度退化會(huì)使結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)增大，增加結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要充分考慮剛度退化的影響，采取相應(yīng)的措施來減小剛度退化的程度。可以通過優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式，增加節(jié)點(diǎn)的約束條件，提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)等方式來減小剛度退化。合理設(shè)計(jì)SMA桿的參數(shù)，如直徑、預(yù)應(yīng)變等，也可以在一定程度上控制節(jié)點(diǎn)的剛度退化。四、帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬研究4.1有限元模型建立4.1.1模型選取與建立本研究選用在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用且功能強(qiáng)大的有限元分析軟件ABAQUS來建立帶SMA桿的自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)模型。ABAQUS具有豐富的材料本構(gòu)模型庫(kù)、強(qiáng)大的非線性分析能力以及靈活的建模方式，能夠準(zhǔn)確地模擬節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為。在模型建立過程中，首先對(duì)節(jié)點(diǎn)的幾何形狀進(jìn)行精確建模。根據(jù)試驗(yàn)試件的實(shí)際尺寸，按照1:1的比例構(gòu)建梁、柱和SMA桿的三維幾何模型。梁和柱采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，以準(zhǔn)確反映其在受力過程中的應(yīng)力分布和變形情況。SMA桿同樣使用實(shí)體單元建模，確保其在節(jié)點(diǎn)中的力學(xué)性能能夠得到有效模擬。為了提高計(jì)算效率，在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用掃掠劃分技術(shù)對(duì)梁、柱和SMA桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)在節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位（如SMA桿與梁、柱的連接區(qū)域）進(jìn)行網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算精度。在網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，確保網(wǎng)格的形狀、尺寸和縱橫比等參數(shù)滿足計(jì)算要求。考慮到節(jié)點(diǎn)各部件之間的相互作用，需要合理設(shè)置接觸關(guān)系和邊界條件。在SMA桿與梁、柱之間設(shè)置面面接觸，接觸屬性選擇罰函數(shù)法來定義法向接觸行為，切向接觸采用庫(kù)侖摩擦模型，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)置合適的摩擦系數(shù)，以模擬接觸面之間的摩擦力。在邊界條件設(shè)置方面，將柱底固定，限制其三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；在梁端施加水平方向的位移荷載，模擬試驗(yàn)中的加載方式。通過合理設(shè)置接觸關(guān)系和邊界條件，能夠確保模型在加載過程中各部件之間的力學(xué)行為與實(shí)際情況相符。4.1.2材料本構(gòu)模型選擇SMA材料的本構(gòu)模型是模擬帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)性能的關(guān)鍵。目前，描述SMA材料力學(xué)行為的本構(gòu)模型主要有唯象模型和微觀力學(xué)模型。唯象模型從宏觀角度出發(fā)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合來描述SMA的力學(xué)性能，具有形式簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，常見的唯象模型有Graesser-Cozzarelli模型、Brinson模型等；微觀力學(xué)模型則基于SMA的微觀結(jié)構(gòu)和相變機(jī)理，從原子尺度上建立模型，能夠更深入地揭示SMA的力學(xué)行為本質(zhì)，但計(jì)算復(fù)雜，對(duì)計(jì)算資源要求較高。在本研究中，綜合考慮計(jì)算精度和效率，選用Graesser-Cozzarelli模型來描述SMA材料的力學(xué)行為。該模型能夠較好地模擬SMA的超彈性效應(yīng)和形狀記憶效應(yīng)，通過定義馬氏體相變的起始應(yīng)力、結(jié)束應(yīng)力、相變潛熱等參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地描述SMA在加載和卸載過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。同時(shí)，該模型形式相對(duì)簡(jiǎn)單，便于在有限元軟件中實(shí)現(xiàn)，能夠滿足本研究對(duì)計(jì)算效率的要求。對(duì)于梁和柱所使用的混凝土材料，采用混凝土損傷塑性模型（CDP模型）進(jìn)行模擬。CDP模型考慮了混凝土的受壓損傷和受拉損傷，能夠較好地描述混凝土在復(fù)雜受力狀態(tài)下的非線性力學(xué)行為，包括混凝土的開裂、壓碎等現(xiàn)象。在模型中，通過定義混凝土的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、損傷因子等參數(shù)，準(zhǔn)確地模擬混凝土的力學(xué)性能。梁和柱中的鋼筋則采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型進(jìn)行模擬，該模型考慮了鋼筋的彈性階段和塑性階段，能夠較好地描述鋼筋在受力過程中的力學(xué)行為。通過定義鋼筋的彈性模量、屈服強(qiáng)度、硬化模量等參數(shù)，確保鋼筋在模型中的力學(xué)性能與實(shí)際情況相符。為了驗(yàn)證所選材料本構(gòu)模型的適用性，將有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。在相同的加載條件下，比較模擬得到的節(jié)點(diǎn)滯回曲線、骨架曲線以及應(yīng)力應(yīng)變分布等與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，所選的材料本構(gòu)模型能夠較好地模擬帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在趨勢(shì)和數(shù)值上具有較好的吻合度，驗(yàn)證了材料本構(gòu)模型的正確性和適用性。4.1.3模型驗(yàn)證將建立的有限元模型的模擬結(jié)果與第三章的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。對(duì)比內(nèi)容主要包括節(jié)點(diǎn)的滯回曲線、骨架曲線、破壞模式等。在滯回曲線對(duì)比方面，試驗(yàn)得到的滯回曲線呈現(xiàn)出較為飽滿的梭形，表明節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力。有限元模擬得到的滯回曲線與試驗(yàn)滯回曲線在形狀和趨勢(shì)上基本一致，在加載初期，模擬曲線和試驗(yàn)曲線均表現(xiàn)為線性，隨著加載位移的增加，兩者都逐漸進(jìn)入非線性階段，滯回曲線的斜率逐漸減小，表明剛度逐漸退化。在耗能能力方面，模擬曲線和試驗(yàn)曲線所包圍的面積相近，說明有限元模型能夠較好地模擬節(jié)點(diǎn)的耗能性能。骨架曲線的對(duì)比結(jié)果顯示，試驗(yàn)得到的骨架曲線呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，有限元模擬的骨架曲線也具有相似的特征。在極限承載力方面，試驗(yàn)測(cè)得的節(jié)點(diǎn)極限承載力為[X]kN，有限元模擬結(jié)果為[X]kN，兩者相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi)。屈服荷載和位移的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也較為接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型在模擬節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和變形性能方面的準(zhǔn)確性。在破壞模式對(duì)比中，試驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)的破壞模式表現(xiàn)為梁端塑性鉸區(qū)域的混凝土壓碎剝落，箍筋外露，SMA桿發(fā)生一定程度的變形。有限元模擬得到的破壞模式與試驗(yàn)結(jié)果相符，梁端混凝土出現(xiàn)明顯的受壓損傷，SMA桿的應(yīng)力分布也與理論分析和試驗(yàn)觀察結(jié)果一致，表明有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬節(jié)點(diǎn)的破壞過程。盡管有限元模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果總體吻合較好，但仍存在一些差異。這些差異可能是由于試驗(yàn)過程中存在一些不可控因素，如材料性能的離散性、試件制作和安裝的誤差等。有限元模型在模擬過程中對(duì)材料本構(gòu)模型、接觸關(guān)系和邊界條件等進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化和假設(shè)，也可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。為了進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性，可以在后續(xù)研究中對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行更精確的測(cè)定，優(yōu)化接觸關(guān)系和邊界條件的設(shè)置，同時(shí)考慮更多的影響因素，如材料的非線性本構(gòu)關(guān)系、節(jié)點(diǎn)的局部變形等。通過不斷改進(jìn)和完善模型，使其能夠更準(zhǔn)確地模擬帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，為后續(xù)的研究和工程應(yīng)用提供更可靠的依據(jù)。4.2模擬結(jié)果分析4.2.1應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律通過有限元模擬，深入分析帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)在不同荷載工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，對(duì)于揭示節(jié)點(diǎn)的力學(xué)行為和破壞機(jī)理具有重要意義。在低周反復(fù)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分布呈現(xiàn)出明顯的特征。在彈性階段，梁、柱和SMA桿的應(yīng)力分布較為均勻，材料基本處于彈性狀態(tài)，應(yīng)力水平較低。隨著荷載的增加，梁端首先出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是因?yàn)榱憾嗽趶澗刈饔孟率芰^為復(fù)雜，是節(jié)點(diǎn)受力的關(guān)鍵部位。當(dāng)荷載進(jìn)一步增大，梁端受拉區(qū)的混凝土應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度極限，開始出現(xiàn)裂縫，混凝土的應(yīng)力逐漸向鋼筋轉(zhuǎn)移，鋼筋的應(yīng)力迅速增大。此時(shí)，SMA桿也開始發(fā)揮作用，隨著梁端變形的增大，SMA桿受到拉力，其應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到超彈性起始應(yīng)力時(shí)，SMA桿開始發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，進(jìn)入超彈性階段，產(chǎn)生較大的可恢復(fù)變形。在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，由于梁、柱和SMA桿的相互作用，應(yīng)力分布更為復(fù)雜。在加載初期，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土主要承受壓力，應(yīng)力分布相對(duì)均勻。隨著梁端塑性鉸的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土受到梁和柱傳來的彎矩、剪力和軸力的共同作用，應(yīng)力分布發(fā)生變化，出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的角部和梁、柱交接處，應(yīng)力水平較高，容易出現(xiàn)混凝土的開裂和壓碎。箍筋在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)起到約束混凝土的作用，能夠提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力，延緩混凝土的破壞。當(dāng)箍筋的約束作用不足時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的混凝土可能會(huì)發(fā)生局部破壞，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的承載能力下降。通過對(duì)不同加載階段節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖進(jìn)行分析，可以更直觀地了解節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)和變形情況。在加載初期，梁、柱和SMA桿的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D顏色較為均勻，表明材料處于彈性階段，變形較小。隨著加載位移的增加，梁端的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D顏色逐漸加深，表明應(yīng)力和應(yīng)變逐漸增大，梁端開始進(jìn)入塑性變形階段。在SMA桿的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D中，可以清晰地看到馬氏體相變區(qū)域的擴(kuò)展，隨著加載的進(jìn)行，馬氏體相變區(qū)域逐漸增大，表明SMA桿的變形逐漸增大，超彈性效應(yīng)逐漸發(fā)揮作用。從模擬結(jié)果可以確定節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)。梁端是節(jié)點(diǎn)受力的關(guān)鍵部位，容易出現(xiàn)塑性鉸和裂縫，是節(jié)點(diǎn)耗能的主要區(qū)域；節(jié)點(diǎn)核心區(qū)是節(jié)點(diǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，在復(fù)雜的受力狀態(tài)下，混凝土容易發(fā)生開裂和壓碎，需要加強(qiáng)約束和配筋。SMA桿與梁、柱的連接部位也是節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵部位，連接的可靠性直接影響SMA桿的作用發(fā)揮和節(jié)點(diǎn)的性能。在設(shè)計(jì)和優(yōu)化節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)針對(duì)這些關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的措施，如增加梁端的配筋、加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的約束、優(yōu)化SMA桿的連接方式等，以提高節(jié)點(diǎn)的承載能力、耗能能力和自復(fù)位性能。4.2.2不同參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能影響SMA桿作為帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的核心部件，其參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能有著顯著影響。SMA桿的材料類型直接決定了其力學(xué)性能和形狀記憶特性。不同材料類型的SMA桿，如NiTi基合金、Cu基合金和Fe基合金，具有不同的相變溫度、超彈性性能和形狀記憶性能。NiTi基合金具有良好的形狀記憶效應(yīng)和超彈性效應(yīng)，性能穩(wěn)定可靠，但其成本相對(duì)較高；Cu基合金和Fe基合金成本較低，但形狀記憶性能和超彈性性能相對(duì)較弱。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工程需求和成本限制，合理選擇SMA桿的材料類型。SMA桿的直徑和長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能產(chǎn)生重要影響。直徑越大，SMA桿的承載能力和恢復(fù)力越強(qiáng)，能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)提供更大的自復(fù)位能力。當(dāng)SMA桿直徑從16mm增加到20mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)的極限承載力提高了[X]%，殘余變形減小了[X]%。直徑過大也會(huì)增加材料成本和節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，同時(shí)可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的剛度增大，在地震作用下吸收更多的地震能量，對(duì)節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。SMA桿的長(zhǎng)度則影響其變形能力和與節(jié)點(diǎn)其他部件的協(xié)同工作效果。長(zhǎng)度過長(zhǎng)，SMA桿在變形過程中可能會(huì)發(fā)生屈曲，影響其性能發(fā)揮；長(zhǎng)度過短，則無法充分發(fā)揮其自復(fù)位和耗能作用。通過數(shù)值模擬分析不同長(zhǎng)度的SMA桿對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SMA桿長(zhǎng)度為[X]mm時(shí)，節(jié)點(diǎn)的綜合性能最佳。SMA桿的預(yù)應(yīng)變同樣是影響節(jié)點(diǎn)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。預(yù)應(yīng)變可以調(diào)整SMA桿的初始剛度和恢復(fù)力，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的自復(fù)位能力。當(dāng)SMA桿的預(yù)應(yīng)變?yōu)閇X]%時(shí)，節(jié)點(diǎn)的殘余變形最小，自復(fù)位性能最佳。預(yù)應(yīng)變過大可能導(dǎo)致SMA桿在使用過程中提前進(jìn)入塑性變形階段，降低其使用壽命和性能穩(wěn)定性。連接件是連接SMA桿與梁、柱的重要部件，其參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能也有重要影響。連接件的強(qiáng)度和剛度直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形性能。強(qiáng)度不足，連接件在節(jié)點(diǎn)受力過程中可能會(huì)發(fā)生破壞，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效；剛度不匹配，會(huì)引起節(jié)點(diǎn)各部件之間的變形不協(xié)調(diào)，影響節(jié)點(diǎn)的整體性能。在設(shè)計(jì)連接件時(shí)，應(yīng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的受力情況和SMA桿的參數(shù)，合理確定連接件的材料、尺寸和連接方式，確保其具有足夠的強(qiáng)度和剛度。連接件的連接方式也會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能產(chǎn)生影響。常見的連接方式有焊接、螺栓連接和套筒連接等。焊接連接具有較高的強(qiáng)度和剛度，但施工過程中可能會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷，影響連接質(zhì)量；螺栓連接施工方便，可拆卸，但在反復(fù)荷載作用下，螺栓可能會(huì)松動(dòng)，降低連接的可靠性；套筒連接則具有較好的整體性和抗震性能，但套筒的加工精度和施工質(zhì)量要求較高。不同的連接方式適用于不同的工程場(chǎng)景，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的連接方式。耗能元件是自復(fù)位耗能節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，其參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)的耗能能力和抗震性能有著直接影響。常見的耗能元件有摩擦片和阻尼器等。摩擦片的摩擦力大小是影響節(jié)點(diǎn)耗能能力的關(guān)鍵參數(shù)。摩擦力過小，耗能效果不明顯；摩擦力過大，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的殘余變形增大，影響自復(fù)位性能。通過數(shù)值模擬分析不同摩擦力下節(jié)點(diǎn)的耗能能力和殘余變形，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摩擦片的摩擦力為[X]N時(shí)，節(jié)點(diǎn)的耗能能力和自復(fù)位性能達(dá)到較好的平衡。阻尼器的阻尼系數(shù)和耗能能力也會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能產(chǎn)生影響。阻尼系數(shù)越大，阻尼器的耗能能力越強(qiáng)，能夠有效地減小節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)。阻尼系數(shù)過大也會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生不利影響。在設(shè)計(jì)阻尼器時(shí)，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的抗震需求和結(jié)構(gòu)的整體性能，合理確定阻尼系數(shù)和耗能能力，使其與SMA桿和節(jié)點(diǎn)的其他部件協(xié)同工作，共同提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。綜合考慮以上各種參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能的影響，在設(shè)計(jì)帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)通過多參數(shù)優(yōu)化分析，確定各參數(shù)的最佳組合，以提高節(jié)點(diǎn)的綜合性能?？梢圆捎谜辉囼?yàn)設(shè)計(jì)方法，選取SMA桿的材料類型、直徑、長(zhǎng)度、預(yù)應(yīng)變，連接件的強(qiáng)度、剛度和連接方式，以及耗能元件的參數(shù)等作為試驗(yàn)因素，通過有限元模擬或試驗(yàn)研究，分析各因素對(duì)節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)（如極限承載力、殘余變形、耗能能力等）的影響程度，篩選出對(duì)節(jié)點(diǎn)性能影響顯著的因素，并確定其最佳取值范圍。采用遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等智能優(yōu)化算法，以節(jié)點(diǎn)的綜合性能最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到滿足工程要求的最優(yōu)參數(shù)組合。通過多參數(shù)優(yōu)化分析，能夠?yàn)閹MA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，提高節(jié)點(diǎn)的性能和可靠性，使其更好地應(yīng)用于實(shí)際工程中。五、帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能評(píng)估5.1抗震性能指標(biāo)確定5.1.1位移延性位移延性是衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在破壞前能夠承受的塑性變形能力的重要指標(biāo)，它反映了結(jié)構(gòu)在地震等災(zāi)害作用下的變形潛力和耗能能力。在帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能評(píng)估中，位移延性具有關(guān)鍵作用。當(dāng)節(jié)點(diǎn)遭遇地震時(shí)，良好的位移延性能夠使節(jié)點(diǎn)在一定程度的變形下仍保持其承載能力，避免突然破壞，從而為人員疏散和結(jié)構(gòu)修復(fù)爭(zhēng)取時(shí)間。位移延性系數(shù)是量化位移延性的關(guān)鍵參數(shù)，其計(jì)算方法基于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的屈服位移和極限位移。屈服位移（\Delta_y）是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件開始進(jìn)入塑性變形階段時(shí)的位移，它標(biāo)志著結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能開始發(fā)生顯著變化，部分材料開始屈服，剛度逐漸降低。極限位移（\Delta_u）則是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力后，即將發(fā)生破壞時(shí)的位移。位移延性系數(shù)（\mu）的計(jì)算公式為：\mu=\frac{\Delta_u}{\Delta_y}。該系數(shù)越大，表明結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在破壞前能夠承受的塑性變形程度越高，抗震性能越強(qiáng)。通過對(duì)帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可準(zhǔn)確獲取節(jié)點(diǎn)的屈服位移和極限位移，進(jìn)而計(jì)算位移延性系數(shù)。在試驗(yàn)中，借助高精度的位移測(cè)量設(shè)備（如激光位移計(jì)、電子引伸計(jì)等），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在加載過程中的位移變化，通過分析荷載-位移曲線，采用切線模量法、能量法或經(jīng)驗(yàn)公式法等方法確定屈服位移。極限位移則可通過觀察節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。在數(shù)值模擬中，利用有限元軟件的后處理功能，提取節(jié)點(diǎn)在加載過程中的位移數(shù)據(jù)，同樣通過分析荷載-位移曲線來確定屈服位移和極限位移。對(duì)于帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)，其位移延性系數(shù)通常受到多種因素的影響。SMA桿的特性是重要影響因素之一，SMA桿的超彈性和形狀記憶效應(yīng)能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)提供額外的變形能力和恢復(fù)力，從而提高節(jié)點(diǎn)的位移延性。當(dāng)SMA桿的超彈性性能較好時(shí)，在節(jié)點(diǎn)變形過程中，SMA桿能夠發(fā)生較大的可恢復(fù)變形，吸收更多的能量，延緩節(jié)點(diǎn)的破壞進(jìn)程，進(jìn)而提高位移延性系數(shù)。節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式也對(duì)位移延性有顯著影響，合理的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造能夠使SMA桿與梁、柱之間協(xié)同工作良好，充分發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢(shì)，提高節(jié)點(diǎn)的變形能力和承載能力。在一些節(jié)點(diǎn)構(gòu)造中，通過優(yōu)化SMA桿與梁、柱的連接方式，增加連接的可靠性和傳力效率，能夠有效提高節(jié)點(diǎn)的位移延性。將帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的位移延性與傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，可更直觀地評(píng)估其抗震性能優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下，往往由于塑性鉸的集中出現(xiàn)和發(fā)展，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的變形能力有限，位移延性較差。在強(qiáng)震作用下，傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)的梁端塑性鉸區(qū)域混凝土容易發(fā)生嚴(yán)重破壞，裂縫迅速開展，節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形能力急劇下降，位移延性系數(shù)較低。而帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)由于SMA桿的作用，在地震過程中能夠?qū)崿F(xiàn)部分自復(fù)位，減小殘余變形，同時(shí)其位移延性系數(shù)相對(duì)較高，能夠在更大的變形范圍內(nèi)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同的地震工況下，帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)比傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)提高了[X]%，這表明帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)在抗震性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠更好地適應(yīng)地震等災(zāi)害的作用，保障結(jié)構(gòu)的安全。5.1.2等效粘滯阻尼比等效粘滯阻尼比是用于衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在振動(dòng)過程中能量耗散能力的重要指標(biāo)，它反映了結(jié)構(gòu)在地震等動(dòng)力荷載作用下，通過各種耗能機(jī)制將輸入的地震能量轉(zhuǎn)化為其他形式能量（如熱能、機(jī)械能等）的能力。在帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能評(píng)估中，等效粘滯阻尼比是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于判斷節(jié)點(diǎn)在地震中的耗能特性和抗震可靠性具有重要意義。等效粘滯阻尼比的含義基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程中的能量原理。在理想的粘性阻尼系統(tǒng)中，阻尼力與速度成正比，阻尼力在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)所做的功（即耗能）可以通過積分計(jì)算得到。對(duì)于實(shí)際的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，其耗能機(jī)制往往較為復(fù)雜，不僅僅包含粘性阻尼，還包括材料的塑性變形、摩擦耗能、SMA桿的超彈性耗能等多種形式。等效粘滯阻尼比就是將這些復(fù)雜的耗能機(jī)制等效為一個(gè)理想的粘性阻尼系統(tǒng)，通過比較兩者在相同振動(dòng)周期內(nèi)的耗能情況，來確定等效粘滯阻尼比。其計(jì)算公式為：\xi_{eq}=\frac{1}{2\pi}\frac{E_d}{E_s}，其中，\xi_{eq}為等效粘滯阻尼比，E_d為結(jié)構(gòu)在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)耗散的能量，E_s為結(jié)構(gòu)在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的最大彈性應(yīng)變能。E_d可通過計(jì)算滯回曲線所包圍的面積得到，該面積代表了結(jié)構(gòu)在一個(gè)加載循環(huán)中消耗的能量；E_s則可根據(jù)結(jié)構(gòu)的彈性剛度和最大變形計(jì)算得出。通過對(duì)帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回曲線進(jìn)行分析，可準(zhǔn)確計(jì)算其等效粘滯阻尼比。在試驗(yàn)中，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精確記錄節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)加載過程中的荷載和位移數(shù)據(jù)，繪制出滯回曲線。通過數(shù)值積分方法計(jì)算滯回曲線所包圍的面積，得到一個(gè)加載循環(huán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)耗散的能量E_d。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的彈性剛度和試驗(yàn)中測(cè)得的最大位移，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的最大彈性應(yīng)變能E_s。將E_d和E_s代入等效粘滯阻尼比計(jì)算公式，即可得到節(jié)點(diǎn)的等效粘滯阻尼比。在數(shù)值模擬中，利用有限元軟件的后處理功能，同樣可以提取節(jié)點(diǎn)的荷載-位移數(shù)據(jù)，繪制滯回曲線，并計(jì)算等效粘滯阻尼比。SMA桿對(duì)帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的等效粘滯阻尼比有顯著影響。SMA桿的超彈性效應(yīng)使其在加載和卸載過程中能夠產(chǎn)生滯回耗能，增加節(jié)點(diǎn)的能量耗散。當(dāng)SMA桿發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變時(shí)，會(huì)吸收大量的能量，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中形成滯回環(huán)，從而增大了節(jié)點(diǎn)在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)耗散的能量E_d。隨著SMA桿超彈性變形的增加，滯回環(huán)面積增大，E_d增大，等效粘滯阻尼比也相應(yīng)增大。SMA桿的直徑、長(zhǎng)度、預(yù)應(yīng)變等參數(shù)會(huì)影響其超彈性性能，進(jìn)而影響等效粘滯阻尼比。直徑較大的SMA桿能夠承受更大的拉力和變形，在超彈性變形過程中耗散更多的能量，從而提高等效粘滯阻尼比。與傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)相比，帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的等效粘滯阻尼比具有一定的特點(diǎn)。傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)主要依靠混凝土的開裂、鋼筋的屈服等塑性變形來耗能，等效粘滯阻尼比相對(duì)較低。在強(qiáng)震作用下，傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性變形集中在梁端和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，雖然能夠耗散一定的能量，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損傷加劇，殘余變形增大。而帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)不僅具有傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)的塑性耗能機(jī)制，還通過SMA桿的超彈性耗能進(jìn)一步提高了能量耗散能力。在地震作用下，SMA桿與梁、柱協(xié)同工作，共同耗散地震能量，使得節(jié)點(diǎn)的等效粘滯阻尼比相對(duì)較高。通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)的等效粘滯阻尼比比傳統(tǒng)梁柱節(jié)點(diǎn)提高了[X]%，這表明帶SMA桿自復(fù)位梁柱節(jié)點(diǎn)在地震中的耗能能力更強(qiáng)，能夠更有效地減小地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。5.1.3殘余變形殘余變形是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在經(jīng)歷地震等災(zāi)害