一种新型基于NGS的低屈服后刚度摩擦自复位支撑框架抗震性能研究：振动台试验与数值分析

《Journal of Building Engineering》：Seismic performance of a novel NGS-based friction self-centering braced frame with low post-yield stiffness: shaking-table tests and numerical analysis

　　

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  提出了一种新型基于氮气弹簧（NGS）的摩擦自中心支撑（FSCB），具有低屈服后刚度且无需现场预紧。
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  通过振动台试验揭示了FSCB框架的位移响应控制效果。
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  评估了FSCB相较于传统摩擦支撑在结构抗震响应控制方面的优越性。
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  在所研究的参数范围内，FSCB耗能比β为0.5–0.7时可提供最佳的整体抗震响应控制效果。

引言

传统抗震结构通过构件的塑性损伤来耗散地震能量，导致震后恢复效率低下，阻碍了震后修复工作[1]、[2]。因此，摩擦阻尼器[3]、屈曲约束支撑[4]和粘滞阻尼器[5]等耗能机制被引入以抑制地震响应。尽管这些装置对峰值位移的控制效果良好，但对残余变形控制不力，对震后恢复构成了严重威胁[6]、[7]。因此，开发自中心耗能系统被认为是提升结构抗震韧性的重要途径[8]、[9]。

在早期研究中，自中心装置主要依靠预应力钢绞线或重型弹簧提供恢复力[10]、[11]、[12]。随后，形状记忆合金（SMA）[13]、碟形弹簧[14]和环形弹簧[15]等新型材料也被广泛应用于自中心支撑。目前，研究人员已成功将自中心装置应用于梁柱连接、柱基础和抗震支撑[16]、[17]。大量研究表明，与传统耗能系统相比，自中心系统能够在保持优良侧向刚度和耗能能力的前提下，大幅减少甚至消除结构震后残余变形，从而展现出卓越的位移控制和韧性保护能力[18]。与此同时，先前研究指出，碟形弹簧或形状记忆合金等传统自中心装置由于其较高的屈服后刚度，可能会显著增加地震激励下的层间剪力和楼面加速度需求[19]。这在一定程度上加剧了主体结构的损伤程度，也不利于加速度敏感的非结构构件的保护[20]。此外，这些装置中使用的现有自中心元件本身缺乏初始力，需要额外施加初始预应力才能实现稳定的恢复力，这在一定程度上阻碍了自中心支撑的工程应用[21]。

为解决自中心支撑施加初始预应力困难的问题，研究人员提出了一种将仅受拉的棘轮机构与耗能装置串联的方法，以消除恢复过程中的阻力，从而降低对初始预紧力的需求[22]。该方法已在金属屈服支撑、摩擦支撑和低损伤柱基础中得到广泛研究，展现出稳定的自中心能力[23]、[24]。同时，研究表明，采用这种低预紧技术的自中心系统具有较低的屈服后刚度，能够成功抑制强震下的层间剪力和峰值楼面加速度，减轻主体结构和非结构构件的损伤[25]。然而，在这些自中心机制中，耗能元件单向工作以消除恢复阻力，导致行程过长以满足抗震位移需求，且震后需要更换或重置元件[26]。更重要的是，这种自中心支撑的耗能比（定义为总耗能能力的一半与支撑屈服力的比值）始终固定为0.5，限制了其在具有不同自中心需求的结构中的适用性[27]。因此，开发一种无需初始预应力、具有低屈服后刚度和灵活可调耗能比的自中心耗能支撑，对于优化结构抗震响应控制至关重要。

通过对各种恢复元件的研究发现，氮气弹簧（NGS）可以利用气腔内充入的高压氮气提供稳定的初始力[28]。由于NGS具有较大的腔体体积，压缩过程中内部气体压力略有增加，从而产生较低的屈服后刚度，数值上仅为初始力值的0.5%~1%[29]。将NGS作为恢复元件可使自中心耗能支撑实现低屈服后刚度，同时消除现场预紧程序。目前，NGS已广泛应用于汽车悬架和航空航天等工业领域，大量实践验证了其在数百万次加载循环下具有优异且稳定的疲劳性能[30]。相关研究还表明，在静止条件下NGS的年气体泄漏率低于0.1%。因此，在支撑30年设计使用寿命期间，其累计气体损失预计低于约3%[29]。然而，NGS仅压缩的力学特性限制了其在经历双向变形结构中的应用。因此，开发一种能够将支撑双向变形转化为NGS仅压缩变形的新型自中心支撑具有重要的工程应用前景。此外，地震激励本质上是瞬态和循环的。因此，当NGS用作建筑物中的自中心元件时，也应仔细评估其在重复地震事件下的稳定性。相应地，基于NGS的支撑系统在多级地震烈度下的动态响应控制性能仍需全面研究。

本文提出了一种新型基于氮气弹簧的摩擦自中心支撑（FSCB），建立了其力-位移滞回模型，并通过准静态试验进行了验证。还对1/4比例缩尺的支撑框架结构进行了振动台试验，以比较采用FSCB和传统摩擦支撑（FB）的框架的动态响应。随后，利用OpenSees研究了FSCB系统耗能比（β）对抗震控制性能的影响，并对更宽的屈服后刚度比（r）、侧向力折减系数（R）和基本周期（T）范围进行了参数分析。本研究的主要目标是阐明基于NGS的FSCB的工作机理，验证其性能稳定性，明确关键FSCB参数对不同框架结构抗震响应的影响，从而为自中心结构的开发提供重要的实验证据和理论见解。

章节摘要

FSCB的工作机理

图1展示了FSCB的工作机理和滞回响应。FSCB主要由摩擦耗能装置和NGS自中心装置组成，通过内外构件并联连接，并设置两个端板以实现NGS在拉压过程中的荷载转换。试验中使用的NGS恢复元件主要包括气腔、活塞杆和密封系统，通过

试验框架设计

根据中国抗震设计规范[32]，设计地震基本烈度为8度（0.2g），场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第2组。为简化分析、突出关键动力特性并适应振动台试验的限制，采用单层单跨平面框架作为代表性的二维（2D）计算单元。受振动台试验系统承载力和尺寸容量的限制，采用长度缩尺

整体响应

两种支撑框架在整个加载序列中均保持稳定性能，未遭受不可恢复的损伤。摩擦柱基础的螺栓预紧力未发生退化，验证了框架的稳定承载能力。此外，支撑内部的摩擦预紧力保持可靠且无退化，保证了试验中支撑的稳定承载能力。

为抑制测量噪声，位移、力和加速度信号

模型验证

采用OpenSees软件对FSCB系统进行抗震性能分析。首先，在OpenSees中建立试验支撑框架结构的数值模型以验证仿真精度，其中所有梁和柱构件均使用Steel01材料。梁柱节点和柱基础的界面采用zeroLength单元进行定义。在中柱基础zeroLength单元的转动自由度（DOF）中，采用ElasticPP

结论

本研究提出了一种利用氮气弹簧（NGS）的新型摩擦自中心支撑（FSCB）。通过振动台试验和OpenSees非线性时程分析，将FSCB框架与现有摩擦支撑（FB）框架的抗震性能进行了比较研究。主要结论如下：

• (1)
  NGS较大的气腔体积限制了压缩过程中的内部压力增量，导致较低的屈服后刚度。基于此

CRediT作者贡献声明

袁子澄：指导。李年武：概念设计。陈龙超：调查研究。罗正：撰写——审稿与编辑，概念设计。薛建阳：撰写——审稿与编辑，指导。柏承宇：撰写——初稿，调查研究，正式分析

利益冲突声明

作者声明他们之间不存在已知的可能影响本文工作的经济利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到中国博士后科学基金资助（资助号2024MD753965），以及陕西省自然科学基础研究计划资助（资助号2025JC-YBMS-487）。

柏承宇|薛建阳|罗正|陈龙超|李年武|袁子澄