带三重耗能机制的偏心支撑钢框架的性能指标与顺序屈服设计

《Structures》：Performance indices and sequential yielding design of eccentrically braced steel frames with triple energy-dissipation mechanisms

　　摘要为提升抗震韧性，提出一种具有三重耗能机制的偏心支撑钢框架（TEDEBF）。剪切耗能梁段、屈曲约束支撑（BRBs）及梁柱节点处盖板连接组件，三者均采用高延性低屈服点钢制作，分别构成第一、第二和第三耗能机制（EDMs）。考虑TEDEBF的序贯屈服行为和性能演化，本研究提出推荐设计参数取值和系统化设计流程。以层间位移角作为量化指标，建立TEDEBF的性能指标体系。分析结果表明，为确保三重耗能机制的序贯屈服和合理有效工作范围，梁柱节点设计抗力系数（αd）宜取0.60–0.65，偏心支撑构件与裸框架的侧向刚度比（Keq/KF）宜取1.0–2.0，剪切耗能梁段与屈曲约束支撑的侧向刚度比（KSL/KBRB）宜取4.4–4.9。基于验证的参数组合，依次确定参数αd、Keq/KF和KSL/KBRB，可确保随着地震强度增加，剪切耗能梁段、屈曲约束支撑和盖板连接组件依次主导耗能。三重耗能机制有效保护主要承重构件，成功实现多遇和罕遇地震下主要承重构件保持弹性的性能目标，并将极罕遇地震下其最大耗能比例限制在2.22%。基于耗能机制的序贯屈服和主要承重构件的损伤状态，定义七个性能阶段（P1–P7），以特征层间位移角作为量化指标。

引言传统抗震设计主要通过提供足够的结构抗倒塌能力来确保生命安全，从而降低整体失效概率。然而，按照传统抗震原则设计的钢结构中，主要承重构件在强地震作用下允许发生非弹性变形。这种损伤在地震后往往难以修复，导致高昂的修复成本和较长的修复周期。因此，即使结构未发生倒塌，也可能最终因经济原因被拆除[1]、[2]。为解决传统抗震设计在地震后经济可恢复性方面的不足，近年来地震工程领域的研究重点转向强调地震作用下可控损伤和构件地震后可更换性的设计理念。通过集成预定义的耗能连接组件，该理念将局部损伤集中在一个可控范围内。这种方法有效抑制了主要承重构件中的损伤发展，同时确保整体结构安全，为建筑地震后的快速恢复和功能重建奠定基础[3]。在此理念指导下，被动耗能装置已成为实现地震作用下损伤可控结构的有效技术手段[4]。其中，金属阻尼器作为一种常见的耗能结构保险丝，通过塑性变形耗散地震能量，从而有效延缓主要承重构件中的损伤发展[5]。

关于金属阻尼器性能提升方面的研究，主要从材料和构造两个角度展开[6]。在材料方面，高性能金属材料的引入可有效改善金属阻尼器在地震作用下的延性和耗能能力，使其在循环大变形下能够稳定耗能而不发生脆性破坏[7]、[8]。在构造方面，采用预制装配化和可更换设计，实现金属阻尼器作为结构保险丝的损伤集中化和功能独立化，从而为结构震后快速修复和功能恢复创造条件[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。Sitler等人[15]通过策略性地组合不同屈服强度的钢材，开发了一种新型多阶屈曲约束支撑。该装置采用两个短低屈服点（LY）芯材与一个较长高屈服点（HYP）芯材并联的构造形式。这种布置形成了分阶段响应机制：在较小地震作用下，低屈服点芯材屈服耗能，而高屈服点芯材保持弹性以提供恢复力；在强震作用下，高屈服点芯材随后屈服，从而减小结构残余位移。Lettieri等人[16]提出了一种用于偏心支撑框架的新型无损伤自复位耗能梁段（SC-link）。该机制结合纵向后张拉预应力筋和碟形弹簧提供自复位能力，同时采用摩擦装置进行地震耗能。试验验证表明，该SC-link表现出旗形滞回响应和完全自复位特性，损伤仅局限于摩擦界面。此外，改进型SC-link构造即使在大位移和大转角下也能保持无损伤状态。Wang等人[17]、[18]提出了一系列包含结构保险丝组件的钢框架梁柱节点连接，连接形式包括盖板、角钢和T形件。对配置可更换低屈服点钢盖板和常规钢盖板的连接节点进行了拟静力试验。结果表明，低屈服点钢盖板连接能有效集中塑性损伤，更换盖板后的结构性能与原始连接基本相当。Hwang等人[19]通过试验研究评估了由奥氏体不锈钢STS316L和碳钢SS275（相当于ASTM A36）制成的钢制开缝阻尼器的抗震性能。STS316L开缝阻尼器的平均累积延性为SS275开缝阻尼器的3.20倍，其归一化耗能能力平均为碳钢阻尼器的4.38倍。

现有研究在金属阻尼器耗能能力提升和损伤控制机制方面取得了进展，为结构体系层次的损伤控制奠定了组件基础[20]。在结构体系层次，以“地震时可控损伤、地震后可更换构件”为设计理念指导，学者们引入了高延性耗能金属阻尼器或优化其布置，以实现阻尼器在结构中的先行和可预测屈服。在充分发挥阻尼器耗能功能的同时，保护主要承重构件，使其保持弹性状态或仅发生有限塑性变形，从而提升结构整体抗震性能并促进结构震后快速恢复[21]、[22]。Nie等人[23]开发了一种带可更换屈曲约束支撑（BRBs）的圆钢管约束钢骨混凝土（STCSRC）框架，以改善震后恢复能力。试验结果表明，BRBs在地震作用下集中了塑性损伤，并形成了“BRB–梁–柱”的屈服顺序，提供了良好的结构延性。此外，研究表明更换受损BRBs可恢复STCSRC框架的整体力学性能。Shi等人[24]、[25]、[26]提出了一种三级混合高性能钢结构（TGHSS），集成高强钢柱、普通强度钢梁和低屈服点钢屈曲约束支撑。试验结果表明，TGHSS形成了“支撑–梁–柱”顺序的序贯屈服机制。对比分析表明，与采用普通强度钢的常规屈曲约束支撑框架相比，TGHSS的抗震性能得到改善，延性和抗力储备分别提高11%和71%。Zhuang等人[27]对带竖向剪切耗能梁段的偏心支撑复合框架（EBCF）的抗震性能进行了试验研究。剪切耗能梁段采用低屈服点钢以增强变形能力，使结构在1/300至1/43的位移比范围内保持高耗能能力。试验结果表明，EBCF体系的耗能量是裸抗弯框架的2.59倍。Liu等人[28]研究了K形偏心支撑框架（EBF）中采用新型抗裂组合梁的方案，表明所提出的梁构造可降低耗能梁段外侧梁段的应力集中，减轻混凝土楼板开裂，同时保持普通剪切耗能梁段的耗能功能。

上述研究为推进结构体系创新奠定了基础。然而，现有关于将多种高性能金属阻尼器集成到结构体系中的研究仍相对有限。为进一步提升结构的抗震韧性，本研究提出在常规偏心支撑钢框架结构中引入具有优异延性和耗能能力的金属阻尼器，从而形成具有三重耗能机制的偏心支撑钢框架（TEDEBF）。TEDEBF的第一、第二和第三耗能机制（EDMs）分别由低屈服点钢剪切耗能梁段（SLs）、装配式低屈服点钢屈曲约束支撑（BRBs）和梁柱节点处低屈服点钢盖板连接组件（CPs）提供，如图1所示。在地震作用下，三重耗能机制有效发挥其结构保险丝功能，从而保护主要承重构件。三重耗能机制通过高强螺栓与主要承重构件连接，既实现预制装配化，又具备震后可更换性。与传统偏心支撑框架结构相比，耗能构件采用低屈服点钢可获得更优的延性和耗能能力。TEDEBF的基本概念是其三重耗能机制通过耗散地震能量来保护主要承重构件，使其保持近弹性或仅发生有限塑性变形。为实现震后功能快速恢复的目标，TEDEBF对其三重耗能机制采用顺序激活和更换的设计理念。随着地震强度的增加，恢复过程可能涉及仅更换第一耗能机制、前两个耗能机制或全部三个耗能机制。

已有研究探索了多阶屈服和序贯屈服耗能体系，证明了分阶段屈服和损伤集中对保护主要承重构件的有效性。基于这一设计理念，所提出的TEDEBF将三个空间分离、力学机制不同且可更换的低屈服点钢耗能构件集成于偏心支撑钢框架中，并通过其序贯屈服实现协同耗能和损伤控制。尽管现有研究已研究了低屈服点钢阻尼器的力学行为及其对提高结构延性和耗能能力的贡献，但对包含多种阻尼器的结构体系序贯屈服设计的研究仍然不足。这种集成导致更复杂的传力机制，以及各构件间刚度分配和协同行为认识不足，因此需要进一步深入研究。此外，TEDEBF的损伤演化具有明显的阶段性特征，这与常规结构体系不同。直接应用现行设计规范（GB 50011–2010 [29]、ASCE/SEI 41–23 [30]和EN 1998-1-1:2024 [31]）中提供的结构性能指标，不足以准确捕捉TEDEBF在地震作用下的性能演化。因此，需要一个能够系统表征TEDEBF损伤演化和性能发展的性能指标体系。

为解决现有研究的不足，考虑材料和几何非线性，建立精细化有限元模型以研究TEDEBF的力学性能。分析全局和局部响应特征，包括应力分布、塑性损伤模式和构件耗能比例。阐明三重耗能构件的协同工作机制，确定控制其序贯屈服的关键设计参数的合理范围。通过动力时程分析进一步研究TEDEBF三重耗能机制中序贯设计的有效性，以评估其在不同地震强度下的性能。

章节片段

TEDEBF有限元模型设计了一个十层钢框架，典型层高3.6 m，如图2所示，原型结构的具体构件尺寸如图3所示。结构设计依据中国规范GB 50017–2017 [32]进行。原型结构采用的基本地震动峰值加速度和场地特征周期分别为0.25 g和0.45 s。梁、柱和节点域均经验证满足极限状态要求。

研究参数实现TEDEBF三重耗能机制序贯屈服的关键在于各构件刚度和承载力的合理匹配。通过调节关键设计参数，预期在地震作用下形成序贯耗能路径。在该路径中，剪切耗能梁段、屈曲约束支撑和盖板连接组件按受控顺序发生塑性变形。

TEDEBF的序贯屈服行为及抗震性能对三层结构模型进行了非线性动力时程分析，以评估TEDEBF中三重耗能机制序贯设计在不同地震强度等级下的有效性。精细化有限元模型如图15(a)所示。为更全面地研究具有不同验证参数组合的TEDEBF的动态能量耗散行为，基于TEDEBF的多阶段性能指标设计了五个代表性模型。为建立TEDEBF的性能指标，以138个表现出清晰顺序屈服行为和相应EDM合理有效工作范围的代表性案例作为研究样本进行分析，其中包括第3.6节提出的所有参数组合。层间位移角被用作评估TEDEBF多阶段性能的定量指标。基于对三重结论顺序屈服行为的全面考虑，本研究对具有三重耗能机制的偏心支撑钢框架（TEDEBF）的全范围力学性能进行了系统研究。基于单层结构模型的应力演化及单个构件耗能比例的演化特征，阐明了三重耗能机制（EDM）之间的协同工作机制。此外，还确定了控制关键设计参数。

CRediT作者贡献声明
Yunshan Tong：写作——原稿，可视化，验证，软件，调查，正式分析，数据管理，写作——审阅与编辑。Meng Wang：写作——原稿，可视化，监督，方法学，调查，资金获取，正式分析，概念化，写作——审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明，他们不知道可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢
本文所述工作得到北京自然科学基金（26JL009）和国家自然科学基金（52478491）资助。

Yunshan Tong|Meng Wang