关于带有可更换多组分能量耗散装置的预制钢筋混凝土柱座节点抗震性能的实验研究

《Engineering Structures》：Experimental study on the seismic performance of precast RC column base joints with replaceable multi-component energy-dissipating devices

　　摘要
提出了一种预制的RC柱基接头，该接头配备了可更换的多组件能量耗散装置（RMED），旨在促进RCS复合结构在地震后的功能恢复。基于对十根柱试件的准静态测试结果，研究了RMED柱的可更换性以及能量耗散系数对其抗震性能的影响。结果表明，更换前后的RMED柱表现出一致的抗震性能，损伤主要集中在可更换的能量耗散部件上，而预制柱几乎保持弹性，从而证明了所提出的柱基连接的可行性。与现浇柱相比，RMED柱具有更好的能量耗散能力和延性。能量耗散部件展示了分层屈服机制，碳纤维增强塑料（CFRP）板材有效地约束了压缩块。在相似的承载能力系数下，随着能量耗散系数的增加，RMED柱的承载能力、剪切刚度和累积能量耗散量也增加，即使偏移比为1/30时也是如此，这表明能量耗散钢板对柱的刚度和强度做出了重要贡献。此外，基于RMED的工作机制开发了一个简化的转动刚度模型，并通过实验和有限元参数分析结果进行了验证，建议在所提出模型的适用范围内，基于变形的抗震评估时模型不确定性因子为1.10。

引言
快速修复地震受损结构是发展功能性可恢复城市的关键要求之一，已成为该领域的重要研究焦点[1]，[2]。为了促进地震后的快速和经济的结构修复，可以在接头区域安装可更换的能量耗散连接器，从而使强地震引起的损伤主要集中在这些连接器上，从而减少对主体结构的影响。常见的能量耗散连接器主要包括拉压能量耗散棒[3]，[4]、沙漏形阻尼器[5]，[6]、开槽钢阻尼器[7]，[8]、摩擦阻尼器[9]，[10]和防屈曲能量耗散装置[11]，[12]。由于钢筋混凝土柱-钢梁（RCS）连接的特点，预制RCS结构因其功能性可恢复性而被广泛研究[13]，[14]。现有关于预制RCS复合结构可恢复性的研究主要集中在为更换设计的钢梁上[15]，[16]，[17]。然而，在地震荷载下，即使可更换的钢梁作为第一道抗震防线并首先形成塑性铰链，由于柱底的弯矩需求远高于柱顶，柱底塑性铰链区域的修复性仍然是一个关键挑战。研究地震受损RC柱底的替换技术对于提高预制RCS复合结构的功能可恢复性非常重要。
对于桥梁桥墩，Marriott等人[18]，[19]对带有外部可更换钢棒的自中心化桥墩进行了准静态和拟动态地震测试。结果表明，所提出的桥墩具有可靠的能量耗散能力，大部分非弹性变形发生在外部可更换钢棒中。Cai等人[20]在预应力预制节段桥墩的底部使用了外部可更换的穿孔剪切板，从而通过将塑性变形主要集中在可更换剪切板上来减少混凝土损伤，而节段间的连接板在整个测试过程中保持弹性。El-Bahey等人[21]，[22]在双柱桥墩中引入了可更换的剪切熔断元件，这些熔断元件被设计为首先屈服并吸收地震能量，从而限制了对主体结构的损伤。Wang等人[23]在桥墩底部采用了带有防屈曲板的可更换钢棒，并通过螺纹套筒将它们直接连接到内部纵向钢筋上，从而确保了有效的轴向荷载传递和控制的桥墩底部损伤。
对于框架柱基，Chi等人[24]通过准静态测试研究了带有防屈曲钢板（BRSPs）的钢柱基的抗震性能。结果表明，BRSPs首先屈服，提供了稳定的能量耗散，并且可以相对容易地更换。为了在循环荷载下实现RC柱的可靠轴向力传递，Li等人[25]和Tong等人[26]将BRSPs焊接到RC柱基的接头区域。测试表明，核心钢板产生了稳定的塑性变形和有效的能量耗散，而RC柱仅受到轻微损伤。Freddi等人[27]提出了一种摇摆钢柱基，其中预应力高强度钢棒控制了摇摆响应，外部摩擦装置耗散能量以减少对主体结构的损伤。Wang等人[28]在钢柱基的法兰和基础钢梁之间放置了剪切型能量耗散装置，从而通过装置的稳定剪切塑性变形减少了钢柱的损伤。Yang等人[29]将外部能量耗散钢棒连接到自中心化RC柱底部的外钢管上。外钢管有效地保护了柱基混凝土，试件在更换阻尼器前后表现出基本一致的性能。Ye等人[30]和Wang等人[31]提出了一种可更换的RC柱-柱连接，其中在柱基采用了榫卯结构，并通过在外部榫卯接头处附着可更换钢板来实现能量耗散。Lu等人[32]提出了一种由钢管榫头、可更换条形钢板和填充块组成的RC柱基连接。这种配置有效地保护了上部RC柱，而组装好的柱表现出良好的承载能力和能量耗散能力。
总之，尽管在可更换柱基的研究方面取得了显著进展，但目前的研究仍存在几个关键限制：（1）在RC柱周围外部布置能量耗散连接器可能会影响通过接头区域的轴向荷载传递的连续性；（2）在RC柱接头内部安装相对较大的能量耗散部件会减少混凝土核心的空间，这对于在大变形需求下抵抗压缩是必不可少的；（3）现有研究中采用的能量耗散连接器仅在接头处提供单一的防线，使得在不同强度的地震下形成多防线变得困难。虽然单屈服系统可以抵抗设计水平或重大地震，但它们对多级别地震危害的适应性仍然有限[11]。因此，分层屈服对于控制地震损伤和提高地震后的可修复性非常重要，因为它可以在不同的变形水平顺序激活不同的能量耗散组件，并形成多条防线。
为了解决上述限制，本研究提出了一种配备可更换多组件能量耗散装置（RMED）的预制RC柱基接头。RMED系统的能量耗散组件内部嵌入，包括能量耗散钢板、钢棒和CFRP约束的压缩块。与外部装置相比，这种配置提供了更直接的垂直荷载传递路径，不影响可用建筑空间。在柱截面内，钢板和钢棒从周边向核心排列，使得预制柱在摇摆响应过程中能够分层屈服。截面核心中的CFRP约束压缩块在大变形下提供主要的抗压阻力，确保了可靠的机械性能并调动了钢板和钢棒中的塑性能量耗散。钢板和钢棒并行工作，主要承受轴向拉伸和压缩。对于给定的材料属性，它们的截面面积直接影响它们的轴向刚度、承载能力和塑性能量耗散。因此，引入了能量耗散系数λ来表征钢板和钢棒对RMED系统承载能力和能量耗散的相对贡献，其中λ定义为钢板拉伸截面面积与钢棒拉伸截面面积的比率。
为了研究RMED柱基的失效机制和可更换性，设计并制造了一个现浇试件和九个RMED试件，并在低循环反向荷载下进行了测试。研究了能量耗散系数λ对RMED柱基抗震性能的影响。此外，基于实验和数值结果分析了RMED柱基的工作机制，并建立并验证了一个简化的转动刚度模型。这些发现有助于推进预制RCS结构在地震后的功能恢复，并为RMED柱基的实际应用提供指导。

RMED的特点
所提出的RMED柱基主要由不可更换的预制柱、基础梁和布置在下方可更换区域中的能量耗散组件组成，如图1所示。为了使柱在地震荷载下产生摇摆机制，在其底部提供了一个变截面钢管榫头，形成混凝土填充的钢管节段。榫头的底部表面被密封并嵌入基础梁上的倾斜限制条带中。

试件的一般信息
在这项研究中，根据一个实际工程项目设计并制造了一个现浇试件（RC1）和九个RMED试件。现浇试件和RMED试件的RC柱段是根据规范（GB 50010–2010）[33]设计的，试件尺寸和钢筋细节如图2所示。柱的截面为400 mm × 400 mm，高度为1800 mm。轴向压缩比为0.3，加载距离...

实验观察
在本节中，分析了每个试件的损伤演变过程，相应的失效模式如图6所示。对于试件RC1，在偏移比为1/250时观察到初始开裂，相当于侧向荷载为123.94 kN。随着侧向位移的增加，试件在偏移比为1/40时达到了275.38 kN的峰值荷载。当荷载降至峰值荷载的85%以下时终止加载，此时柱底的纵向钢筋发生了屈曲...

RMED柱基的有限元分析
在本节中，为RMED柱基建立了一个精细的有限元模型，以进一步检验其机械性能。基于经过验证的数值模型，进行了参数分析，以评估关键设计参数对柱基抗震响应的影响，并为后续转动刚度模型的开发和验证提供支持数据。

RMED的工作机制
实验和数值结果表明，柱产生了摇摆机制，而能量耗散钢板和钢棒表现出分层屈服以消耗能量。由于能量耗散组件的力矩、剪切和压缩力传递路径是独立的，RMED柱基的挠曲行为分为四个阶段：（1）初始弹性阶段，直到钢板屈服为止...

结论
基于准静态测试，本研究研究了RMED柱基的可更换性以及能量耗散系数对其抗震性能的影响。详细描述了RMED的结构配置和工作机制，并建立并验证了一个简化的转动刚度模型。主要结论如下：
（1）RMED柱基在更换前后表现出基本一致的滞后行为，确认...

作者贡献声明
Tao Lan：方法论、调查。Zhiyong Zhang：验证、调查。Yanxin Wang：验证、方法论。Jingbo Zhao：验证、调查。Dehao Qiao：写作 – 审稿及编辑、写作 – 原稿、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理。Jinjie Men：验证、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的会影响到本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国陕西省优秀青年科学基金（资助编号2025JC-JCQN-022）和中国国家自然科学基金（资助编号52578246）的支持。

Dehao Qiao|Jinjie Men|Tao Lan|Zhiyong Zhang|Yanxin Wang|Jingbo Zhao
西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055，中国