含延性铸件的屈曲约束支撑钢框架的动力性能：振动台试验与数值模拟

《Journal of Building Engineering》：Dynamic performance of buckling-restrained braced steel frames with ductile castings: Shaking table test and numerical simulation

　　•提出了一种新型结构体系——具有延性铸件的屈曲约束支撑钢框架（CBRBSF）。•对1:3比例的三层CBRBSF模型进行了振动台试验。•分析了CBRBSF的应力分布和能量耗散机制，进一步明确了结构的破坏机理。•研究了在不同强度的单向地震作用下CBRBSF的动力特性、位移与加速度响应、剪力分布以及应变响应。•有限元分析为CBRBSF的抗震性能提供了合理的预测。

引言
由于具有较高的弹性侧向刚度，同心支撑框架在多层住宅和工业建筑中得到了广泛应用。然而，在以往的强地震中，支撑与框架连接处的焊接角板出现了脆性断裂和不稳定性问题[1a]、[1b]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。此外，较大的残余应力、焊接质量以及支撑的反复拉压也可能导致脆性断裂，从而给结构带来严重破坏并引发过早失效[7]、[8]。因此，开发高延性支撑是解决这些问题的有效途径。

传统的焊接连接存在上述缺陷。而铸造技术则能让设计师制造出几何形状较为平滑的部件，这有助于降低应力集中，提升结构的延性。基于铸造的优点，研究人员开展了大量研究，提出了多种类型的铸件接头，以增强复杂连接的性能。Sumer等人[9]提出了一种铸件模块化连接器原型，可作为钢框架中可更换的耗能接头。随后，通过有限元分析和循环加载试验对这种连接器进行了全面的研究[10]、[11]。研究结果表明，与传统连接相比，该连接器具有更优异的延性、稳定的耗能能力，且可进行修复和更换。De Oliveira等人[12]开发了一种由铸件接头和圆管构件组成的预制支撑系统。该系统无需现场焊接，能够避免意外断裂和连接性能不佳的问题，已被应用于实际工程中。Gray等人[13]、[14]则发明了一种名为“屈服支撑系统”的新型高延性抗震钢支撑接头。该接头在地震作用下能呈现对称且完整的滞回响应，从而提升了同心支撑框架的抗震性能。有限元分析和全尺寸原型试验表明，YBS是一种具有极高延性的抗震支撑[15]、[16]，可作为一种替代屈曲约束支撑的方案，为结构提供更高的刚度和更好的延性。此后，YBS得到了进一步发展，Federico提出了与YBS类似的“浮动支撑系统”[17]。这种新的抗侧力系统通过在支撑一端设置多个耗能板，具备了更高的刚度、韧性和疲劳强度。基于“屈服保险丝”和“狗骨”概念[18]，Ward等人[19]、[20]在支撑的中部和两端加入了铸件模块化部件，形成了铸件模块化延性支撑系统CMDB。该系统延长了结构的低周疲劳寿命，提升了其塑性变形能力。同时，通过调整铸件的几何参数，还可以实现延性破坏机制，起到“结构保险丝”的作用。

此外，为了解决同心支撑框架中支撑的过应力问题和屈曲后响应问题，以及提升支撑的滞回性能，由于屈曲约束支撑具有对称性和完整滞回行为的优势，被作为另一种设计方案。自20世纪70年代以来，人们从不同角度对屈曲约束支撑的性能和设计进行了研究。最初，相关研究主要在日本开展。Wakabayashi[21]发明了一种由预浇筑混凝土板围成的支撑作为屈曲约束支撑的原型，并进行了系列试验，测试了内外约束层之间使用不同填充材料的效果。Fujimoto和Watanabe[22]、[23]通过在内外管之间填充砂浆改进了屈曲约束支撑的内部结构（称为无粘结屈曲约束支撑），进一步提升了其耗能能力。Clark等人[24]对屈曲约束支撑进行了大量试验，验证了其在耗能和承重能力方面的显著优势，之后这种支撑便被应用于实际工程中。随后，随着相关规范和标准的逐步制定以及屈曲约束支撑在工程中的广泛使用[25]、[26]，研究人员不断改进屈曲约束支撑的构型、屈服机制以及连接和组装方式。Azizi等人[27]、[28]、[29]提出了采用不同屈服强度材料的双芯自中心屈曲约束支撑和三芯屈曲约束支撑，并通过数值模拟对其抗震性能进行了评估。数值结果表明，多芯屈曲约束支撑具有理想的多级屈服行为，能够在保持足够耗能能力和延性的同时，有效减轻地震后的残余位移。此外，还包括带孔芯屈曲约束支撑、自中心屈曲约束支撑以及预制屈曲约束支撑等多种创新类型的屈曲约束支撑也相继被提出并得到发展[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。

为了充分发挥同心支撑框架的塑性变形能力，Yin提出了一种新的结构体系，即分别将角板和支撑设计为铸件和预制屈曲约束支撑，从而形成具有延性铸件的屈曲约束支撑钢框架（CBRBSF），该体系具有以下优点：（1）采用螺栓连接的铸件代替传统的焊接角板，可以消除焊接产生的残余应力、连接处的制造缺陷以及支撑反复拉压引起的面外失稳问题，从而提升连接的可靠性及其低周疲劳寿命。（2）与传统支撑相比，屈曲约束支撑由于其对称的滞回行为而具有更优异的延性，而传统支撑在受压时则表现出较差的屈曲后抗力，这进一步提升了结构的滞回性能。（3）屈曲约束支撑被设计为预制组件，通过螺栓固定在铸件和框架上，便于结构组装，也便于地震后的更换和修复，从而提升了整个结构的韧性。图1展示了CBRBSF的设计理念。Yin的团队对具有延性铸件的预制屈曲约束支撑进行了系统研究。通过理论分析和试验，他们优化了屈曲约束支撑的构型，验证了其出色的延性和稳定的耗能性能[36]、[37]、[38]，并将其应用于同心支撑框架中，形成了可修复和可更换的结构[39]、[40]。

为进一步研究不同地震强度下CBRBSF的动力行为和破坏机制，本文设计了一个三层比例的CBRBSF模型，并在振动台上进行了试验，同时还建立了数值模型进行对比验证，为该结构体系的分析和实际应用提供了有价值的参考。

章节节选
CBRBSF设计的理论分析
具有延性铸件的屈曲约束支撑作为主要的耗能构件，为CBRBSF提供侧向刚度。合理的刚度比对于实现结构的有效耗能至关重要。因此，根据图2所示的结构体系计算图，基于刚度比的设计步骤如下：
（1）计算框架的初始刚度
框架的设计基于……模型设计
根据第2节中的理论分析以及中国国家标准GB50011 - 2010[45]和JGJ/T101–2015[46]的设计要求，设计了一款三层CBRBSF原型：设计烈度为8度（0.2g），设计地震分组为第二组，地震场地类别为II类。框架采用H型钢截面，屈曲约束支撑设计为带有I形钢芯的预制组件，延性铸件则采用十字形截面。总高度为……

实验现象
在PGA为0.1 g和0.22 g的试验条件下，试验结构的表面和连接处均未出现可见裂缝或变形，自然频率也没有发生明显变化，说明结构仍处于弹性状态。
当输入PGA为0.4 g时，结构的侧向位移幅度增大，层间位移量为3.78毫米（层间位移角为1/318），同时还能听到摩擦和挤压的声音……

有限元模型的建立
使用Abaqus/Standard（版本6.14）建立了试验结构的弹塑性有限元模型，以便进一步研究结构的动力响应和破坏机制，同时验证建模方案和分析方法的合理性。数值模型中各构件的连接条件和边界条件与实验一致。非线性分析采用动态隐式法进行……

结论
本文设计了一款1/3比例的三层CBRBSF模型，并通过振动台试验研究了其在不同强度单向地震作用下的动力响应。同时还进行了有限元模拟，以进一步验证CBRBSF的破坏模式和数值模型的可靠性。主要研究结论如下：
（1）为了实现结构最佳的屈服耗能机制和更优异的抗震性能，设计……

作者贡献声明
Zhanzhong Yin：撰写——审阅与编辑、指导、项目管理、资金获取、概念构思。Guochao Ren：撰写——审阅与编辑、验证、研究。Dazhe Feng：撰写——审阅与编辑、验证、研究。Youtao Zhu：验证、研究。Zhaosheng Huang：验证、研究。Bo Yang：撰写——初稿、方法论、研究、资金获取、形式分析

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52568077、51568040）、广东技术师范大学博士启动科研项目（项目编号2024bsqd2016）以及茂名市科技计划项目（项目编号2024037）的支持。同时也感谢甘肃省科技计划项目（项目编号25JRRA114）的资助。测试条件由教育部工程研究中心提供……

Bo Yang|Zhanzhong Yin|Dazhe Feng|Guochao Ren|Zhaosheng Huang|Youtao Zhu