《Construction and Building Materials》：Nonlinear cyclic response of U-shaped flexural plates under quasi-static wind loading protocols: An experimental investigation
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由轧制低碳钢制成的U形弯曲板（UFPs）广泛用作抗震抗力系统（SFRSs）中的可更换耗能构件。尽管其抗震性能已有充分文献记载，但性能化抗风设计（PBWD）的最新进展要求更深入地理解其在风荷载作用下的非线性行为。与地震不同，风荷载包含平均分量，且作用持续时间
由轧制低碳钢制成的U形弯曲板（UFPs）广泛用作抗震抗力系统（SFRSs）中的可更换耗能构件。尽管其抗震性能已有充分文献记载，但性能化抗风设计（PBWD）的最新进展要求更深入地理解其在风荷载作用下的非线性行为。与地震不同，风荷载包含平均分量，且作用持续时间更长，包含大量加载循环，这可能导致低周疲劳、性能退化和断裂。尽管UFPs有可能用作主抗风抗力系统（MWFRSs）中的变形控制构件，但尚未有试验研究探究UFPs在风荷载作用下的非线性响应。为此，研究人员提出了对UFPs在新型准静态顺风向和横风向加载制度下的试验研究。这些加载制度是通过对原型建筑中UFPs响应历程应用雨流计数法得出的，该原型建筑承受的风荷载来自风洞试验。研究人员对30个UFP试件进行了试验，这些试件具有恒定的弯曲直径，但厚度和宽度各不相同。研究人员在OpenSeesPy中开发了数值模型，并利用试验结果对材料模型参数进行了标定，以支持包含UFPs的MWFRSs的PBWD。结果表明，UFPs在700年重现期（MRI）的顺风向和横风向加载制度下保持稳定的滞回行为，承受了超过100次延性水平超过1.5的非线性行程。在对应于3000年MRI的风荷载加载制度下，观察到刚度退化。这些发现支持UFPs在MWFRSs中用作变形控制构件，并为其在性能化抗风设计框架内的实施提供了基础。
## 论文解读文章
### 一、研究背景与意义
随着建筑结构设计理念的不断发展，性能化抗风设计（Performance-Based Wind Design, PBWD）作为一种新兴的设计方法正受到越来越多的关注。2022年，ASCE发布了首部PBWD预标准，其核心特征之一是有条件地允许主抗风抗力系统（Main Wind Force-Resisting Systems, MWFRSs）中的指定变形控制构件在设计风荷载水平下发生受控的非弹性响应。然而，现行规范中的相关验收标准主要借鉴自抗震设计规范，例如ASCE/SEI 41中定义的极限状态阈值。这种直接借用存在根本性的问题：地震荷载与风荷载的特征存在显著差异——风荷载持续时间长（合风天气可持续超过一小时），包含成百上千次循环，且顺风向荷载围绕显著的非零平均分量波动；而地震荷载通常持续不到一分钟，循环次数少于30次，且围绕零均值振荡。这些差异意味着基于地震加载制度建立的数值模型和验收准则可能无法准确表征变形控制构件在风荷载下的非线性响应。
U形弯曲板（U-shaped Flexural Plates, UFPs）由轧制低碳钢制成，因其稳定的滞回响应、高耗能能力、可更换性和相对较低的成本，已被广泛应用于混凝土、钢和木结构等多种抗震抗力系统（Seismic Force-Resisting Systems, SFRSs）中，包括墙-墙连接、支撑-支撑连接和支撑-框架连接等。尽管UFPs在地震荷载下的性能已被广泛研究，其在风荷载作用下的非线性循环响应却从未被试验验证过。考虑到UFPs具备在MWFRSs中充当变形控制构件的潜力，开展风荷载作用下的试验研究具有重要的科学价值和工程意义。
### 二、主要技术方法概述
本研究采用试验与数值模拟相结合的方法。首先，研究人员设计了一座20层原型木结构建筑（平面尺寸42 m×30 m，总高66 m），采用后张拉交叉层压木（Post-Tensioned Cross-Laminated Timber, PT-CLT）摇摆墙配合UFPs作为MWFRSs，该建筑假设位于加拿大多伦多，基于1980至2024年的方向性风速记录进行风气候分析。利用风洞试验数据获取逐层气动荷载时程，并在OpenSeesPy中建立三维数值模型进行线性和非线性响应历史分析。基于关键UFPs的局部变形时程，采用雨流计数法（Rainflow Counting）开发了顺风向和横风向准静态加载制度。试验部分共制作了30个UFP试件，所有试件保持55 mm恒定弯曲直径，变化厚度（8、10、12 mm）和宽度（130、150、170 mm），在McGill大学Jamieson结构实验室的1000-kN MTS试验机上进行单调、顺风向循环、横风向循环和极端风荷载循环测试。最后，利用OpenSeesPy中的Steel02材料模型（Menegotto-Pinto模型）进行参数标定，以复现试验观测到的滞回响应。
### 三、研究结果
**3.1 单调加载响应**
第一批UFP试件的单调加载试验结果表明，所有试件均表现出显著高于解析预测值的超强系数。对于变厚度试件，8 mm、10 mm和12 mm厚度UFPs的超强系数分别为2.11、2.28和2.27；对于变宽度试件，130 mm、150 mm和170 mm宽度UFPs的超强系数分别为2.26、2.27和2.58。这一现象主要归因于板的几何刚化效应（geometric stiffening）：随着弯曲形状偏离初始曲率，产生了膜作用（membrane action）分量，从而提高了整体承载力。研究人员基于试验数据提出了超强系数与几何参数t/B之间的经验关系式。
**3.2 横风向加载制度下的响应**
第二批试件承受了设计水平（700年MRI）横风向加载制度，该制度包含100次延性水平超过1.5的非线性行程，最大延性需求为2.1。试验结果显示，所有UFP试件均表现出稳定的响应和闭合的滞回环耗能，卸载后未出现承载能力退化或可观察的损伤。同时观察到初始屈服后承载能力持续增加，这归因于循环硬化和几何刚化的联合效应。一根12 mm厚试件出现了连接螺纹杆滑移现象，导致滞回曲线上出现锯齿状波动，但这是连接层面的现象，并不代表UFP构件本身的额外变形。
**3.3 顺风向加载制度下的响应**
第三批试件承受了设计水平（700年MRI）顺风向加载制度，该制度包含100次延性水平超过1.5的非线性行程，最大延性需求为1.9。与横风向试验结果类似，顺风向试验同样表明UFP试件在卸载后表现出稳定响应，无承载能力退化或可观察损伤。基于试验结果，研究人员初步建立了延性-循环次数（μ–N）包络关系：随着延性需求的增加，无退化状态下可持续的循环次数迅速减少——在μ≈0.25时可承受约1200次循环，而超过μ=1.5后仅能承受不足100次循环。这一趋势表明累积变形需求和延性共同控制风循环荷载下退化的发生。
**3.4 极端顺风向和横风向加载制度下的响应**
为进一步探究UFPs的性能极限，研究人员考虑了对应于风险类别IV（Risk Category IV）的3000年MRI极端风荷载情景。12 mm×130 mm UFP试件在极端顺风向加载下表现出刚度退化，一旦延性达到4.5即出现退化；最大力也达到屈服平台。在极端横风向加载下，连接处出现大量滑移，但UFP本身未观察到刚度退化。在两种加载情景下，UFPs均未表现出承载能力下降或低周疲劳引起的失效迹象，证明了其在超出初始设计水平灾害下的结构韧性。
**3.5 与抗震加载制度下响应的对比**
研究人员将风荷载加载制度下的滞回响应与Iqbal等人报道的抗震加载制度下的试验结果进行了定性比较。三个关键区别如下：其一，抗震加载制度下屈服平台过渡较为迅速，应变硬化范围在较短的变形区间内发展；而风荷载加载制度因循环次数更多、行程幅值更小，呈现出显著更长的应变硬化范围。其二，抗震加载制度产生相对对称且闭合的滞回环，而顺风向响应因荷载的单向性和平均漂移效应未形成完全闭合的滞回环。其三，在可比延性水平下，抗震试验仅显示有限的刚度退化，而风荷载准静态试验显示出明显的刚度退化，这归因于大量重复循环和相关的累积损伤。这些差异证明抗震加载制度可能无法完全捕捉UFPs在风荷载下的变形历史和累积循环需求，进一步凸显了开发风荷载专用加载制度的必要性。
### 四、结论总结与讨论
本研究通过系统的试验研究和数值标定，得出以下核心结论：新开发的顺风向和横风向准静态加载制度分别包含1360次和1275次循环，基于风洞试验数据的非线性响应历史分析得出，以屈服变形为归一化参数定义，可推广到PT-CLT剪力墙中UFPs之外的应用。单调试验中观察到的显著超强系数（2.11至2.58之间）归因于几何刚化和膜作用贡献。在设计水平风荷载加载制度下，UFPs表现出稳定的滞回行为和耗能能力，可承受超过100次延性水平高于1.5的非线性行程而无强度退化。在3000年MRI极端风荷载下，顺风向响应在延性需求达到4.5时出现刚度退化，但未出现低周疲劳失效。标定的OpenSeesPy数值模型参数与试验观测结果吻合良好，尤其是横风向响应中的峰值力和累积耗能，为PBWD中UFPs的数值建模提供了依据。
综合而言，试验结果证明UFPs在顺风向和横风向加载制度下均能维持稳定的滞回行为，承受超过100次延性水平大于1.5的非线性行程。这些发现支持UFPs在MWFRSs中用作变形控制构件，并表明ASCE PBWD预标准中现有的非线性行程数量上限标准（10次）对于UFPs而言可能偏于保守。
