（一）本期论文信息
具有顶部剪切片和底部可更换金属熔断器的抗震钢力矩连接：分析和实验研究
赵俊贤、秦浩、冈崎太一郎、胡方鑫*、蔡泽鑫
工程结构，2024，306：117789
doi：10.1016/j.engstruct.2024.117789
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（二）本期论文解读
一、选题背景
钢框架结构是最常用的钢结构抗震体系之一，提高其在地震作用下的结构韧性具有重要意义。传统钢框架梁柱节点采用焊缝连接，容易发生脆性断裂。虽然强化梁端（图1a）和弱化梁截面（图1b）配置可以改变塑性断裂位置，但无法避免塑性引起的残余变形。基于“损伤可控”思想的新型梁柱节点被认为是实现钢框架结构抗震韧性的有效解决方案。常见的抗震韧性节点可分为两种类型：“旋转中心”位于梁中部（图1c）和梁位于上翼缘（图1d）。其基本工作机理是梁在地震作用下绕“旋转中心”旋转，带动“损耗能量单元”变形，耗散地震能量。
(一) (二) (三) (四)
图1 传统梁柱节点形式
虽然现有思路（图1c和d）基本可以实现可控损坏和震后用能单位更换，但以下关键问题仍不清楚：
(1)耗能单元需要首先进入屈服耗能，其截面弱化引起的节点刚度弱化问题较为突出。目前尚未建立承重与耗能协调的抗震机制；
(2)耗能单元在竖向内力和水平地震作用下同时充当承重和耗能构件。因此，现有技术方案的用能单元容易出现竖向内力和水平地震内力的耦合效应；
(3)震后更换耗能单元通常会切断节点的竖向荷载传递路径，导致现有可控损伤结构在震后修复阶段缺乏竖向自承能力。
2.本文的工作
2.1 新抗震韧性节点的提出
为了解决上述问题，如图2和图3所示，本文提出了一种基于梁上翼缘旋转并具有可靠剪力传递机构的新型抗震韧性节点。顶部是抗剪板，底部是抗屈曲面板 (BRP)，地震后可更换。剪力构件由一对剪力角钢、剪力板、垫板组成，承受竖向剪力； BRP 的结构与屈曲约束支撑 (BRB) 类似，它与抗剪构件一起通过联轴器传递弯矩。将抗剪构件和BRP布置在拼接断裂位置，拼接位置代表梁在重力荷载作用下的拐点，可以最大程度地缓解竖向内力和水平地震内力的耦合作用。
图2 新型梁柱节点施工形式
图3 新型梁柱节点工作机理
新建节点的抗震韧性应满足以下性能目标（PO），以确保包含新建节点的钢框架结构能够采用GB50011-2010规定的两阶段设计方法进行设计：
PO1：在频繁地震作用下，新型节点保持弹性并具有足够的侧向刚度，满足弹性阶段的设计要求。
PO2：当地震烈度高于普通地震时，新节点可以通过BRP耗散地震能量钢结构设计原理论文，并且其弯矩-转角关系是可预测的。
PO3：在罕见的地震中，BRP允许发生塑性变形，但不允许发生断裂。允许抗剪构件作为旋转中心屈服，但其他构件（梁、柱等）应保持弹性。
2.2 理论研究
2.2.1 等刚度设计（PO1）
本文采用等刚度设计策略，使新型节点梁与传统节点梁在地震作用下具有相同的弹性侧向刚度，从而简化弹性阶段结构内力的计算（即小地震设计无需考虑节点结构特点），满足小地震要求。达到该条件下的弹性刚度和承载能力要求，实现承载-能耗机制的协调。为了获得具体的设计要求，本文通过桁架模型（图4）和虚功原理，提出了BRP的实用设计方法（剪力构件的长度和截面尺寸需要根据楼板及结构尺寸）：
图4 新节点悬臂梁理论模型
2.2.2 节点弯矩-转角关系（PO2）
在弹性阶段，剪力构件（MST）的弯矩可以忽略不计。拼接断裂的弯矩（Msplice）主要由剪力构件（NST）和BRP（NBRP）中的轴向力产生。根据断裂角度关系可以得到断裂（KR接头）的弹性旋转刚度。
在塑料阶段，BRP 产量。此时，可参照图5计算拼接断裂的弯矩-转角关系。需要注意的是，剪力构件本身的弯矩（MST）随着节点转角的增大而增大角度。但基于实际设计考虑，本文认为节点旋转角度为2%rad（此时节点旋转角度与罕见地震下的层位相同）。当位移角（IDR）极限值约等于1/50）及以上时，MST等于剪力构件本身的塑性弯矩。
图5 节点弯矩-转角关系
2.2.3 断裂角与变形的关系（PO3）
在设计新的节点时，需要估算梁底翼缘的最大闭合变形和BRP的最大轴向变形，以避免罕见地震下BRP的拼接断裂或过早断裂。如图6所示，一种保守实用的设计方法是假设柱树和悬臂短梁是刚性的，它们在每个拼接裂缝处的旋转中心铰接，因此裂缝的最大旋转角度和可以预测 BRP 的最大轴会变形。
图6 刚体变形假设
2.2.4 设计流程
步骤1：根据等刚度设计策略和荷载耦合效应解耦策略确定结构构件的截面和拼接断裂位置。
步骤2：根据刚度要求、强度要求和延展性要求设计BRP。
步骤3：根据步骤2中初步确定的抗剪构件尺寸，计算复合抗剪构件所能承受的轴向力和剪力。如果不满足，则重新调整抗剪构件尺寸并重复步骤2~3。
步骤4：根据梁端应始终保持弹性的事实，对主体结构进行损伤控制计算。
2.3 实验研究
2.3.1 试验设计及加载方案
为了验证新型接头的损伤控制能力和预期工作机制，设计了4个全尺寸T型梁柱节点试件，其中一个为传统焊接接头试件（WC），另外三个为新的梁柱节点。 （RC-B、RC-W1、RC-W2），试件及试验加载装置具体参数见表1和图7。
图7 试验装置及加载方案
2.3.2 节点整体性能
图8和图9分别为T形试件的水平剪切力-层间位移角曲线和试验现象观察图。可以发现：
(1)传统焊接接头试件与新型接头试件在弹性范围内具有相似的侧向刚度，表明PO1实施等刚度设计策略是可行的。
(2)新型接头试件比传统接头试件表现出更强的变形能力;对于三种不同结构的新型节点，试件RC-B和RC-W1的水平剪力和耗能能力均高于传统节点试件。 RC-W2，因此建议采用剪力构件位于梁上翼缘的结构。
(3) 新节点的旋转中心位于受剪构件质心处，塑性变形集中在BRP处，在最大层间位移角4%时未发生断裂，表明PO2和PO3都实现了。
图8 水平剪力-层间位移角曲线
图9 测试现象
2.3.3 拼接断裂性能
(一)梁剪力传递
图10为IDR=±4%时剪力构件附近梁腹板上的应力分布，其中s90°和t分别表示梁剪力和剪力构件轴力引起的应力分量。可以找到：
(1) 梁剪力引起的应力分量(s90°)明显大于抗剪轴力引起的应力分量(t)，表明存在明显的梁剪力从翼缘-腹板传递剪切电阻器的接口。
(2) 梁腹上的米塞斯应力分布与梁剪响应(s90°)相似，表明梁腹的局部性能主要受梁剪力的影响。在试件 RC-W1 中，靠近拼接裂缝的悬臂梁段腹板在 IDR=+4% 时表现出轻微屈服。因此，建议在今后的设计中对悬臂梁段的腹板区域进行局部加固。
图10 拼接断裂面应力分布
(二)弯矩-转角关系
图11显示了使用新节点试件的拼接断裂的弯矩-旋转角度（Msplice-θsplice）响应。图中还绘制了基于理论研究获得的弯矩-转角响应。结果表明，新型接头能够表现出充分、稳定和可重复的弯矩-角度迟滞行为。在实验和理论上获得的响应中可以观察到三线性行为。因此，基于理论研究建立的解析模型可以有效捕捉新型接头的弯矩-转角响应包络曲线。
图11 水平剪力-层间位移角曲线
（三）BRP耗能板贡献
BRP作为新型节点中的关键部件，不仅影响节点的抗弯承载能力，还影响节点的能耗行为。本期以RC-B样本为例，简单说明BRP在新节点中的行为：
(1) BRP 显示出完整、稳定且可重复的迟滞行为（图 12a）。标准加载时不会发生断裂。延性系数范围为20～28。双线性后续强化模型可以反映BRP的滞后现象。回复回复。
（2）BRP对断裂弯矩的平均贡献约为80%（图12b），而抗剪构件在加载后期的弯矩贡献与其自身的塑性弯矩相似。
(3) BRP 假设新节点中的主要能源消耗贡献（图 12c）。当IDR幅值达到2%时，其相应的能耗比例达到70%以上，表明塑性变形有效集中在BRP上，从而保证了梁、柱的弹性。
图12 水平剪力-层间位移角曲线
2.3.4 拼接断裂变形
新型节点试件的IDR主要是由节点域的拼接断裂角度、梁柱弯曲变形和剪切变形引起的。图13比较了不同IDR幅值下拼接断裂角度和其他变形对整体IDR的贡献。结果表明，弹性阶段拼接断裂角度对IDR的贡献比例较低；而BRP屈服后，随着IDR的增加，拼接断裂角度的贡献比例显着增加并趋于稳定。
图13 水平剪力-层间位移角曲线
3 结论与展望
本文提出了一种基于梁上翼缘旋转并具有可靠剪力传递机构的新型钢框架抗震韧性接头。顶部是抗剪构件，底部是抗屈曲耗能板（BRP），可在地震后更换。通过四个全尺寸T型试件的准静态试验和低周疲劳加载试验钢结构设计原理论文，得到了新型接头的整体响应和局部响应，并分析了新型接头的工作机理，弯矩-旋转揭示了拼接断裂的角度关系和剪切阻力。零件和BRP行为、断裂变形发展规则。研究结果证明，新型抗震韧性接头能够实现钢框架结构的承载、能耗和回收等多重工作机制的良好协调。
需要指出的是，基于上法兰旋转机构的新型接头有望在有混凝土地板的情况下有效减少地板开裂。因此，这种新型抗震韧性复合接头还需要进一步研究……
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赵俊贤，秦浩，冈崎太一郎，胡方鑫，蔡泽鑫。具有顶部剪切片和底部可更换金属保险丝的抗震钢矩连接：分析和实验研究。工程结构2024； 306：117789。
