1. 引言

 防屈曲支撐(BRB)是一種可實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的地震損傷。BRB與鋼框架結(jié)構(gòu)需通過節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行連接，節(jié)點(diǎn)板與梁柱之間采用焊縫連接。為保證BRB與結(jié)構(gòu)之間的可靠傳力，需確保節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)產(chǎn)生附加開合變形(見圖1)，因此節(jié)點(diǎn)板不僅承受由BRB軸力而引起的支撐力效應(yīng)，還需額外承擔(dān)由節(jié)點(diǎn)變形引起的附加開合效應(yīng)。以往研究表明，這種強(qiáng)烈的平面內(nèi)相互作用往往造成節(jié)點(diǎn)板先于BRB發(fā)生失效，容易在連接邊處出現(xiàn)開裂或斷裂現(xiàn)象(圖2和圖3)[2,3]，導(dǎo)致BRB被迫提前退出工作，無法充分發(fā)揮BRB的結(jié)構(gòu)保險絲功能。

圖1. 鋼框架節(jié)點(diǎn)的開合變形

圖2. 節(jié)點(diǎn)板連接邊的斷裂1

圖3. 節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)板、端板(開有槽孔)、墊板、橡膠層(1、2)和高強(qiáng)螺栓，其中節(jié)點(diǎn)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(shè)置有橡膠層，最終通過高強(qiáng)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(shù)很小(通常小于0.05)，因此與傳統(tǒng)的高強(qiáng)螺栓摩擦型連接不同，該連接僅保證節(jié)點(diǎn)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(chǎn)生切向滑移，進(jìn)而減小兩者之間的相互作用。

圖4. 新型滑移節(jié)點(diǎn)板連接

圖5. 滑移連接的變形機(jī)制

3. 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證滑移連接的可行性并進(jìn)一步探究該連接的合理構(gòu)造，設(shè)計了三個含有節(jié)點(diǎn)板和BRB的防屈曲支撐足尺鋼框架子結(jié)構(gòu)試件。子結(jié)構(gòu)模型及試件構(gòu)造分別如圖6和圖7所示，試件參數(shù)見表1。

假設(shè)一棟三層三跨的防屈曲支撐鋼框架結(jié)構(gòu)，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(shè)計屈服力為600kN。按《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]設(shè)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(diǎn)均在構(gòu)件長度中點(diǎn)，根據(jù)圖6(a)的變形特征，可從原型結(jié)構(gòu)中提取出帶左右半跨梁、上下半層柱、節(jié)點(diǎn)板以及半根BRB的子結(jié)構(gòu)模型。由于本研究只關(guān)注開合效應(yīng)，因此忽略重力二階效應(yīng)的影響，則可進(jìn)一步把圖6(b)簡化為圖6(c)的子結(jié)構(gòu)模型。

圖6. 子結(jié)構(gòu)模型的提取

圖7. 試件構(gòu)造

表1. 試件參數(shù)

試件WC采用傳統(tǒng)的焊接節(jié)點(diǎn)板構(gòu)造，按照泛均勻力法[5]，其連接承載力僅考慮支撐力效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算。試件SC-1和SC-2均采用滑移連接，節(jié)點(diǎn)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(yù)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(yù)拉力水平。試件WC和SC-1的梁翼緣端部均無加強(qiáng)措施，而試件SC-2的梁端采用加寬翼緣板式加強(qiáng)。為對比防屈曲支撐鋼框架結(jié)構(gòu)中不同部件之間的失效順序，為上述三個子結(jié)構(gòu)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(cè)板和帶焊接鋼管的蓋板通過螺栓拼裝方式進(jìn)行約束。

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

圖8. 試驗(yàn)加載方案

(附試驗(yàn)加載視頻)

圖9. 試驗(yàn)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(qū)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(jié)構(gòu)滯回曲線

圖11. 鋼框架子結(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)板，框架梁在1%層間位移角時發(fā)生屈服，但由于節(jié)點(diǎn)板與框架之間存在強(qiáng)烈約束，在節(jié)點(diǎn)板區(qū)域內(nèi)的梁上翼緣已發(fā)展顯著塑性變形，但相應(yīng)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(zhuǎn)移至節(jié)點(diǎn)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(xiàn)顯著局部屈曲現(xiàn)象，并在該級第二圈出現(xiàn)平面外整體屈曲現(xiàn)象，框架的承載力出現(xiàn)下降。與此同時，節(jié)點(diǎn)板也出現(xiàn)了大面積屈服現(xiàn)象。

試件SC-1和SC-2：該組試件均采用滑移節(jié)點(diǎn)板連接，但兩者螺栓預(yù)拉力不同，且梁端翼緣加強(qiáng)構(gòu)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(zhuǎn)移回原梁柱交界面。顯然，與焊接節(jié)點(diǎn)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(xiàn)微幅屈曲，并在該級第三圈出現(xiàn)上翼緣斷裂。SC-2也在4%位移角第二圈出現(xiàn)上翼緣的微幅屈曲，但由于設(shè)置了加寬翼緣，該試件梁翼緣并無出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，并成功完成4%位移角的三圈循環(huán)，并退回3%位移角循環(huán)11圈后發(fā)生BRB核心單元的斷裂，抗震性能得到最充分的發(fā)揮，避免了節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)板屈服范圍均顯著小于焊接節(jié)點(diǎn)板。

上下端節(jié)點(diǎn)板的比較：從圖13和14對比可看出，下端節(jié)點(diǎn)板在試驗(yàn)后并無出現(xiàn)任何屈服和破壞現(xiàn)象，與上端節(jié)點(diǎn)板的屈服破壞情況相比，可明顯看出焊接節(jié)點(diǎn)板附加開合效應(yīng)對節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)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(yīng)對節(jié)點(diǎn)板的不利影響。

圖13. 試驗(yàn)后的上端節(jié)點(diǎn)域

圖14. 試驗(yàn)后的下端節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)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(jìn)而導(dǎo)致子框架提前出現(xiàn)失效。從圖15(c)可見，采用滑移連接和梁端翼緣加寬構(gòu)造后，防屈曲支撐框架的整體抗震性能得到最充分的發(fā)揮，BRB的累計滯回耗能提升超過一倍，充分發(fā)揮出BRB的結(jié)構(gòu)保險絲功能。

圖15. 耗能對比

5. 節(jié)點(diǎn)滑移變形

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

圖16. 滑移節(jié)點(diǎn)板與梁柱之間的相對變形

(附節(jié)點(diǎn)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(shù)為準(zhǔn)，可得到試件SC-1和SC-2的相應(yīng)參數(shù)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(cè)位移產(chǎn)生影響。由于受拉側(cè)存在板件彎曲變形，導(dǎo)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(yù)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(jié)果表明，若采用較大的螺栓預(yù)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(nèi)，因此可近似認(rèn)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(jié)點(diǎn)板的受力性能

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

圖18. 節(jié)點(diǎn)板應(yīng)力水平

附課題組與試件合照

引用文獻(xiàn)

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.