1. 引言

 防屈曲支撑(BRB)是一种可实现钢材轴向拉压屈服的高效消能减震装置[1]，可有效减轻主体结构在强震下的地震损伤。BRB与钢框架结构需通过节点板进行连接，节点板与梁柱之间采用焊缝连接。为保证BRB与结构之间的可靠传力，需确保节点板在大震下基本保持弹性。然而，地震下梁柱的剪力会引起钢框架节点产生附加开合变形(见图1)，因此节点板不仅承受由BRB轴力而引起的支撑力效应，还需额外承担由节点变形引起的附加开合效应。以往研究表明，这种强烈的平面内相互作用往往造成节点板先于BRB发生失效，容易在连接边处出现开裂或断裂现象(图2和图3)[2,3]，导致BRB被迫提前退出工作，无法充分发挥BRB的结构保险丝功能。

图1. 钢框架节点的开合变形

图2. 节点板连接边的断裂1

图3. 节点板连接边的断裂2

2. 新型滑移连接的提出

 为解决此问题，赵俊贤课题组最近提出了新滑移连接方案。如图4所示，该连接主要包括节点板、端板(开有槽孔)、垫板、橡胶层(1、2)和高强螺栓，其中节点板与端板之间采用焊缝连接。端板与梁柱之间以及与垫板之间均设置有橡胶层，最终通过高强螺栓把端板夹紧在垫板和梁柱翼缘之间。由于橡胶层的切向摩擦系数很小(通常小于0.05)，因此与传统的高强螺栓摩擦型连接不同，该连接仅保证节点板与框架之间的法向传力，但释放了两者之间的切向变形约束。因此，地震下由梁柱弯曲所引起的翼缘纵向伸缩变形可得以释放(图5)，梁柱翼缘可在端板表面产生切向滑移，进而减小两者之间的相互作用。

图4. 新型滑移节点板连接

图5. 滑移连接的变形机制

3. 试验方案

为验证滑移连接的可行性并进一步探究该连接的合理构造，设计了三个含有节点板和BRB的防屈曲支撑足尺钢框架子结构试件。子结构模型及试件构造分别如图6和图7所示，试件参数见表1。

假设一栋三层三跨的防屈曲支撑钢框架结构，层高4.5米、跨度6米，梁柱采用全焊接抗弯刚性连接，BRB的设计屈服力为600kN。按《高层民用建筑钢结构技术规程》[4]设计，梁柱分别选用450×200×9×14 Q235-B) 和350×350×12×19(Q345-B)H型钢截面。若假定梁柱反弯点均在构件长度中点，根据图6(a)的变形特征，可从原型结构中提取出带左右半跨梁、上下半层柱、节点板以及半根BRB的子结构模型。由于本研究只关注开合效应，因此忽略重力二阶效应的影响，则可进一步把图6(b)简化为图6(c)的子结构模型。

图6. 子结构模型的提取

图7. 试件构造

表1. 试件参数

试件WC采用传统的焊接节点板构造，按照泛均匀力法[5]，其连接承载力仅考虑支撑力效应进行验算。试件SC-1和SC-2均采用滑移连接，节点板连接边长度与试件WC一致以对比滑移连接的效果。考虑到螺栓预拉力大小可能会影响滑移效果，分别在SC-1和SC-2中采用了不同的螺栓预拉力水平。试件WC和SC-1的梁翼缘端部均无加强措施，而试件SC-2的梁端采用加宽翼缘板式加强。为对比防屈曲支撑钢框架结构中不同部件之间的失效顺序，为上述三个子结构试件均分别配备了BRB试件。BRB试件由北京堡瑞思减震科技有限公司提供，支撑核心单元屈服段采用138×16 mm的一字型截面，其四面由侧板和带焊接钢管的盖板通过螺栓拼装方式进行约束。

子结构试验在华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室进行，加载方案如图8、图9所示。其中，梁反弯点B设置带水平滑槽的滑动支座，柱反弯点C为固定铰支座，MTS作动器与试件梁柱节点右侧加载横梁相连施加低周往复水平位移，因此在上端节点板处可同时施加支撑力和开合效应的共同作用。然而，在支撑下端则设置了无弯曲的短梁短柱支座，以考察单独支撑力在节点板产生的效应，而上下节点板性能的差别则可反映出附加开合效应的影响。加载以梁柱中轴线交点D与C点之间的相对水平位移作为控制目标，按图9设定的层间位移角进行低周往复循环。(见试验加载视频)

图8. 试验加载方案

(附试验加载视频)

图9. 试验加载制度

4. 抗震性能与破坏模式

图10~图12分别给出了整体防屈曲支撑钢框架、纯钢框架以及BRB三部分的水平力-层间位移角滞回曲线，图13和14为试件破坏情况(白漆掉落代表屈服区域)。试件破坏过程见表2，具体如下：

表2. 试件破坏顺序

注: Y, LB, OFPB和R分别代表屈服、局部屈曲、平面外屈曲和断裂。

图10. 整体防屈曲支撑钢框架子结构滞回曲线

图11. 钢框架子结构滞回曲线

图12. 防屈曲支撑滞回曲线

        试件WC：该试件采用焊接节点板，框架梁在1%层间位移角时发生屈服，但由于节点板与框架之间存在强烈约束，在节点板区域内的梁上翼缘已发展显著塑性变形，但相应的梁下翼缘仍基本保持弹性，梁端塑性铰由原来的梁柱交界面转移至节点板端部。然而，在BRB失效前，该试件梁上下翼缘在3.5%位移角第一圈出现显著局部屈曲现象，并在该级第二圈出现平面外整体屈曲现象，框架的承载力出现下降。与此同时，节点板也出现了大面积屈服现象。

试件SC-1和SC-2：该组试件均采用滑移节点板连接，但两者螺栓预拉力不同，且梁端翼缘加强构造不同。可见，由于释放了梁柱翼缘的轴向变形，这组试件的梁端塑性铰已转移回原梁柱交界面。显然，与焊接节点板的梁整体屈曲不同，SC-1的梁上翼缘在4%位移角第二圈才出现微幅屈曲，并在该级第三圈出现上翼缘断裂。SC-2也在4%位移角第二圈出现上翼缘的微幅屈曲，但由于设置了加宽翼缘，该试件梁翼缘并无出现断裂现象，并成功完成4%位移角的三圈循环，并退回3%位移角循环11圈后发生BRB核心单元的断裂，抗震性能得到最充分的发挥，避免了节点板和子框架先于BRB失效的不利破坏模式。与此同时，SC-1和SC-2的节点板屈服范围均显著小于焊接节点板。

上下端节点板的比较：从图13和14对比可看出，下端节点板在试验后并无出现任何屈服和破坏现象，与上端节点板的屈服破坏情况相比，可明显看出焊接节点板附加开合效应对节点板受力性能的不利影响。同时也可看出，采用滑移连接后，上下端节点板的受力性能已基本接近，说明此方案可有效减轻开合效应对节点板的不利影响。

图13. 试验后的上端节点域

图14. 试验后的下端节点板

图15给出了不同试件的耗能对比，从图15(a)可看出，在试件WC破坏时刻，子框架部分所耗散的能量将近为SC-1和SC-2的2倍，说明在同等位移历程下，焊接节点板对框架的约束作用同样会加剧子框架的塑性程度，使框架部分的耗能占比(框架耗能/防屈曲支撑框架总耗能)由11%提升到14%(图15(b))，进而导致子框架提前出现失效。从图15(c)可见，采用滑移连接和梁端翼缘加宽构造后，防屈曲支撑框架的整体抗震性能得到最充分的发挥，BRB的累计滞回耗能提升超过一倍，充分发挥出BRB的结构保险丝功能。

图15. 耗能对比

5. 节点滑移变形

图16给出了2%和4%位移角时试件SC-2上端节点板与梁柱翼缘之间的相对滑移实测值(动态滑移见视频)。可见，滑移变形主要集中在梁侧，在4%位移角时，其幅值可达6~8mm，而柱侧仅为1~2mm。以上结果表明，所提出的滑移连接方案可有效释放梁柱与节点板之间的切向约束，进而减小两者之间的相互作用。

图16. 滑移节点板与梁柱之间的相对变形

(附节点滑移视频)

6. BRB的轴向行为比较

以试件WC的BRB轴向力、位移和耗能参数为准，可得到试件SC-1和SC-2的相应参数相对于试件WC的情况。如图17(a),(b)所示，滑移连接主要对BRB的受拉侧位移产生影响。由于受拉侧存在板件弯曲变形，导致滑移连接中BRB的轴向位移存在一定损失，其中采用较大螺栓预拉力的SC-2的轴向位移损失较小(约为8%)。最终，SC-1和SC-2中的BRB耗能比WC分别降低了约12%和8%。以上结果表明，若采用较大的螺栓预拉力，可有效把滑移连接中BRB的位移和耗能损失控制在8%以内，因此可近似认为，滑移连接基本不影响BRB的轴向滞回行为。

图17. BRB的轴向行为比较

7. 节点板的受力性能

图18给出了2%位移角时节点板与梁、柱连接边的应力分布情况。可见，滑移节点板截面的剪应力均明显小于焊接节点板情况，滑移节点板梁侧正应力也明显小于焊接节点板，但柱侧正应力却明显增大。最终，滑移节点板的梁柱侧Mises应力均明显低于焊接节点板。以上结果表明，滑移连接可有效释放节点板连接界面的剪应力。由于剪应力分量在Mises应力中占主导地位，因此滑移连接可显著改善节点板的受力性能，使节点板在2%位移角时依然处于弹性状态(<280MPa)。                     

图18. 节点板应力水平

附课题组与试件合照

引用文献

1.   Zhao JX, Wu B, Ou JP. A novel type of angle steelbuckling-restrained brace: Cyclic behavior and failure mechanism. Earthquake Engineering and StructuralDynamics2011; 40: 1083-1102.

2.   Kaneko K, Kasai K, Motoyui S, et al. Analysis ofbeam-column-gusset components in 5-story value-added frame. Proceeding of the 14th World Conference onEarthquake Engineering, Beijing, China, 2008.

 3.   Palmer KD, Christopulos AS, Lehman DE, et al.Experimental evaluation of cyclically loaded, large-scale, planar and 3-d buckling-restrainedbraced frames.Journal of ConstructionalSteel Research 2014; 101: 415-425.

4. JGJ 99-2015. Technicalspecification for steel structure of tall building, China BuildingTechnology Research Institute, 2015.

5.   Thornton WA. Bracing connections for heavy construction. Engineering Journal (AISC) 1984; 21(3):139-148.