1. 引言

 防屈曲支撐(BRB)是一種可實現鋼材軸向拉壓屈服的高效消能減震裝置[1]，可有效減輕主體結構在強震下的地震損傷。BRB與鋼框架結構需通過節點板進行連接，節點板與梁柱之間采用焊縫連接。為保證BRB與結構之間的可靠傳力，需確保節點板在大震下基本保持彈性。然而，地震下梁柱的剪力會引起鋼框架節點產生附加開合變形(見圖1)，因此節點板不僅承受由BRB軸力而引起的支撐力效應，還需額外承擔由節點變形引起的附加開合效應。以往研究表明，這種強烈的平面內相互作用往往造成節點板先于BRB發生失效，容易在連接邊處出現開裂或斷裂現象(圖2和圖3)[2,3]，導致BRB被迫提前退出工作，無法充分發揮BRB的結構保險絲功能。

圖1. 鋼框架節點的開合變形

圖2. 節點板連接邊的斷裂1

圖3. 節點板連接邊的斷裂2

2. 新型滑移連接的提出

 為解決此問題，趙俊賢課題組最近提出了新滑移連接方案。如圖4所示，該連接主要包括節點板、端板(開有槽孔)、墊板、橡膠層(1、2)和高強螺栓，其中節點板與端板之間采用焊縫連接。端板與梁柱之間以及與墊板之間均設置有橡膠層，最終通過高強螺栓把端板夾緊在墊板和梁柱翼緣之間。由于橡膠層的切向摩擦系數很小(通常小于0.05)，因此與傳統的高強螺栓摩擦型連接不同，該連接僅保證節點板與框架之間的法向傳力，但釋放了兩者之間的切向變形約束。因此，地震下由梁柱彎曲所引起的翼緣縱向伸縮變形可得以釋放(圖5)，梁柱翼緣可在端板表面產生切向滑移，進而減小兩者之間的相互作用。

圖4. 新型滑移節點板連接

圖5. 滑移連接的變形機制

3. 試驗方案

為驗證滑移連接的可行性并進一步探究該連接的合理構造，設計了三個含有節點板和BRB的防屈曲支撐足尺鋼框架子結構試件。子結構模型及試件構造分別如圖6和圖7所示，試件參數見表1。

假設一棟三層三跨的防屈曲支撐鋼框架結構，層高4.5米、跨度6米，梁柱采用全焊接抗彎剛性連接，BRB的設計屈服力為600kN。按《高層民用建筑鋼結構技術規程》[4]設計，梁柱分別選用450×200×9×14 Q235-B) 和350×350×12×19(Q345-B)H型鋼截面。若假定梁柱反彎點均在構件長度中點，根據圖6(a)的變形特征，可從原型結構中提取出帶左右半跨梁、上下半層柱、節點板以及半根BRB的子結構模型。由于本研究只關注開合效應，因此忽略重力二階效應的影響，則可進一步把圖6(b)簡化為圖6(c)的子結構模型。

圖6. 子結構模型的提取

圖7. 試件構造

表1. 試件參數

試件WC采用傳統的焊接節點板構造，按照泛均勻力法[5]，其連接承載力僅考慮支撐力效應進行驗算。試件SC-1和SC-2均采用滑移連接，節點板連接邊長度與試件WC一致以對比滑移連接的效果。考慮到螺栓預拉力大小可能會影響滑移效果，分別在SC-1和SC-2中采用了不同的螺栓預拉力水平。試件WC和SC-1的梁翼緣端部均無加強措施，而試件SC-2的梁端采用加寬翼緣板式加強。為對比防屈曲支撐鋼框架結構中不同部件之間的失效順序，為上述三個子結構試件均分別配備了BRB試件。BRB試件由北京堡瑞思減震科技有限公司提供，支撐核心單元屈服段采用138×16 mm的一字型截面，其四面由側板和帶焊接鋼管的蓋板通過螺栓拼裝方式進行約束。

子結構試驗在華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室進行，加載方案如圖8、圖9所示。其中，梁反彎點B設置帶水平滑槽的滑動支座，柱反彎點C為固定鉸支座，MTS作動器與試件梁柱節點右側加載橫梁相連施加低周往復水平位移，因此在上端節點板處可同時施加支撐力和開合效應的共同作用。然而，在支撐下端則設置了無彎曲的短梁短柱支座，以考察單獨支撐力在節點板產生的效應，而上下節點板性能的差別則可反映出附加開合效應的影響。加載以梁柱中軸線交點D與C點之間的相對水平位移作為控制目標，按圖9設定的層間位移角進行低周往復循環。(見試驗加載視頻)

圖8. 試驗加載方案

(附試驗加載視頻)

圖9. 試驗加載制度

4. 抗震性能與破壞模式

圖10~圖12分別給出了整體防屈曲支撐鋼框架、純鋼框架以及BRB三部分的水平力-層間位移角滯回曲線，圖13和14為試件破壞情況(白漆掉落代表屈服區域)。試件破壞過程見表2，具體如下：

表2. 試件破壞順序

注: Y, LB, OFPB和R分別代表屈服、局部屈曲、平面外屈曲和斷裂。

圖10. 整體防屈曲支撐鋼框架子結構滯回曲線

圖11. 鋼框架子結構滯回曲線

圖12. 防屈曲支撐滯回曲線

        試件WC：該試件采用焊接節點板，框架梁在1%層間位移角時發生屈服，但由于節點板與框架之間存在強烈約束，在節點板區域內的梁上翼緣已發展顯著塑性變形，但相應的梁下翼緣仍基本保持彈性，梁端塑性鉸由原來的梁柱交界面轉移至節點板端部。然而，在BRB失效前，該試件梁上下翼緣在3.5%位移角第一圈出現顯著局部屈曲現象，并在該級第二圈出現平面外整體屈曲現象，框架的承載力出現下降。與此同時，節點板也出現了大面積屈服現象。

試件SC-1和SC-2：該組試件均采用滑移節點板連接，但兩者螺栓預拉力不同，且梁端翼緣加強構造不同。可見，由于釋放了梁柱翼緣的軸向變形，這組試件的梁端塑性鉸已轉移回原梁柱交界面。顯然，與焊接節點板的梁整體屈曲不同，SC-1的梁上翼緣在4%位移角第二圈才出現微幅屈曲，并在該級第三圈出現上翼緣斷裂。SC-2也在4%位移角第二圈出現上翼緣的微幅屈曲，但由于設置了加寬翼緣，該試件梁翼緣并無出現斷裂現象，并成功完成4%位移角的三圈循環，并退回3%位移角循環11圈后發生BRB核心單元的斷裂，抗震性能得到最充分的發揮，避免了節點板和子框架先于BRB失效的不利破壞模式。與此同時，SC-1和SC-2的節點板屈服范圍均顯著小于焊接節點板。

上下端節點板的比較：從圖13和14對比可看出，下端節點板在試驗后并無出現任何屈服和破壞現象，與上端節點板的屈服破壞情況相比，可明顯看出焊接節點板附加開合效應對節點板受力性能的不利影響。同時也可看出，采用滑移連接后，上下端節點板的受力性能已基本接近，說明此方案可有效減輕開合效應對節點板的不利影響。

圖13. 試驗后的上端節點域

圖14. 試驗后的下端節點板

圖15給出了不同試件的耗能對比，從圖15(a)可看出，在試件WC破壞時刻，子框架部分所耗散的能量將近為SC-1和SC-2的2倍，說明在同等位移歷程下，焊接節點板對框架的約束作用同樣會加劇子框架的塑性程度，使框架部分的耗能占比(框架耗能/防屈曲支撐框架總耗能)由11%提升到14%(圖15(b))，進而導致子框架提前出現失效。從圖15(c)可見，采用滑移連接和梁端翼緣加寬構造后，防屈曲支撐框架的整體抗震性能得到最充分的發揮，BRB的累計滯回耗能提升超過一倍，充分發揮出BRB的結構保險絲功能。

圖15. 耗能對比

5. 節點滑移變形

圖16給出了2%和4%位移角時試件SC-2上端節點板與梁柱翼緣之間的相對滑移實測值(動態滑移見視頻)。可見，滑移變形主要集中在梁側，在4%位移角時，其幅值可達6~8mm，而柱側僅為1~2mm。以上結果表明，所提出的滑移連接方案可有效釋放梁柱與節點板之間的切向約束，進而減小兩者之間的相互作用。

圖16. 滑移節點板與梁柱之間的相對變形

(附節點滑移視頻)

6. BRB的軸向行為比較

以試件WC的BRB軸向力、位移和耗能參數為準，可得到試件SC-1和SC-2的相應參數相對于試件WC的情況。如圖17(a),(b)所示，滑移連接主要對BRB的受拉側位移產生影響。由于受拉側存在板件彎曲變形，導致滑移連接中BRB的軸向位移存在一定損失，其中采用較大螺栓預拉力的SC-2的軸向位移損失較小(約為8%)。最終，SC-1和SC-2中的BRB耗能比WC分別降低了約12%和8%。以上結果表明，若采用較大的螺栓預拉力，可有效把滑移連接中BRB的位移和耗能損失控制在8%以內，因此可近似認為，滑移連接基本不影響BRB的軸向滯回行為。

圖17. BRB的軸向行為比較

7. 節點板的受力性能

圖18給出了2%位移角時節點板與梁、柱連接邊的應力分布情況。可見，滑移節點板截面的剪應力均明顯小于焊接節點板情況，滑移節點板梁側正應力也明顯小于焊接節點板，但柱側正應力卻明顯增大。最終，滑移節點板的梁柱側Mises應力均明顯低于焊接節點板。以上結果表明，滑移連接可有效釋放節點板連接界面的剪應力。由于剪應力分量在Mises應力中占主導地位，因此滑移連接可顯著改善節點板的受力性能，使節點板在2%位移角時依然處于彈性狀態(<280MPa)。                     

圖18. 節點板應力水平

附課題組與試件合照

引用文獻

1.   Zhao JX, Wu B, Ou JP. A novel type of angle steelbuckling-restrained brace: Cyclic behavior and failure mechanism. Earthquake Engineering and StructuralDynamics2011; 40: 1083-1102.

2.   Kaneko K, Kasai K, Motoyui S, et al. Analysis ofbeam-column-gusset components in 5-story value-added frame. Proceeding of the 14th World Conference onEarthquake Engineering, Beijing, China, 2008.

 3.   Palmer KD, Christopulos AS, Lehman DE, et al.Experimental evaluation of cyclically loaded, large-scale, planar and 3-d buckling-restrainedbraced frames.Journal of ConstructionalSteel Research 2014; 101: 415-425.

4. JGJ 99-2015. Technicalspecification for steel structure of tall building, China BuildingTechnology Research Institute, 2015.

5.   Thornton WA. Bracing connections for heavy construction. Engineering Journal (AISC) 1984; 21(3):139-148.