具有耗能接头连接的网格结构抗震性能研究

《Journal of Building Engineering》：Research on Seismic Performance of Diagrid Structures with Energy-Dissipating Joint Connections

针对交叉桁架结构延性不足的问题，提出新型能量耗散连接装置，通过实验与数值模拟验证其隔离轴向力、提升抗震性能的有效性，分析不同阻尼器布局对结构层间位移和基底剪力的控制效果。

　　

王斌|韩梦琪|蔡文哲|史青轩|郭通

西安建筑科技大学土木工程学院，中国710055

摘要

尽管格构结构具有优异的侧向刚度和抗倒塌能力，但其延展性和能量耗散能力存在固有缺陷。为了解决这一问题，本文提出用能量耗散连接件替代传统的X形格构节点，通过控制摩擦滑移来提高整体抗震性能。然而，来自对角柱的不平衡轴向荷载会对节点核心产生复杂的压剪或拉剪作用，这对控制其能量耗散机制构成了重大挑战。因此，开发了一种新型阻尼器，用于将额外的轴向力与剪切机制分离。详细阐述了这种能量耗散节点的工作原理。此外，还建立了对角柱轴向荷载与剪切力之间的荷载传递关系，以及柱子轴向位移与阻尼器剪切变形之间的变形兼容关系。随后，对这种阻尼器进行了组合轴向-剪切载荷下的滞回性能测试，验证了其轴向力解耦能力。在OpenSees中建立了32层格构结构的数值模型，并加入了三种阻尼器布置方案以及刚性连接模型进行对比。非线性时程分析表明，带有能量耗散连接件的结构在频繁地震作用下虽然刚度略有降低，但仍满足弹性层间位移比的限制。在设计基准地震作用下，能量耗散连接件的使用有效减轻了层间变形和基底剪力，从而防止了对角柱的损坏。在罕见地震中，阻尼器协同提供了额外的能量耗散。在不同的阻尼器布置方案中，菱形布置在控制层间位移方面最为有效，而内侧布置在增强能量耗散能力和减少基底剪力方面表现最佳。

引言

格构结构由交叉的对角柱和水平环梁组成。在地震作用下，这些结构能够高效地将水平和垂直荷载转化为对角构件内的轴向荷载[1]，[2]，[3]，[4]，[5]。这种配置形成了一个集成了垂直承载和侧向抵抗功能的一体化结构系统。因此，格构结构具有显著的侧向刚度、增强的空间完整性和抗倒塌能力，以及良好的建筑表现力[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。然而，格构结构仅依赖对角柱的轴向作用，导致无法形成塑性铰链，从而缺乏明确的能量耗散机制[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]。此外，这些主要承重构件在循环轴向载荷作用下的延展性较差，能量耗散能力有限。在罕见地震中，这类结构的损伤分布广泛且难以预测，使得灾后修复变得复杂。因此，开发有效的措施来提高格构结构的抗震性能对于该技术的发展至关重要。

为了提高结构的抗震性能，研究人员提出了在梁柱连接中引入阻尼器，以形成能量耗散的钢筋混凝土节点[17]，[18]和钢节点[19]，[20]，[21]，从而增加结构的能量耗散能力，同时有效保护主要结构构件并降低地震后的修复成本。相比之下，针对格构节点专门设计的阻尼器研究相对较少。为了解决这一不足，最近的研究提出将剪切型阻尼器直接嵌入对角构件之间。在这种设计中，对角柱传递的轴向荷载会在面板区域引起相对剪切变形，激活阻尼器以耗散能量，如图1所示。例如，Nasim等人[22]采用了可更换的金属阻尼器作为能量耗散连接器。这些阻尼器被设计为在频繁地震和设计基准地震下保持基本弹性或发生轻微的非弹性变形，而在罕见地震事件中发生剪切屈服以耗散能量。Huang[23]提出了一种带有剪切型摩擦耗散节点的格构结构。研究表明，在设计基准地震和罕见地震下，这种能量耗散节点都能作为结构“保险丝”，显著提高延展性和能量耗散能力。总之，现有研究初步证实了在格构节点中引入剪切型阻尼器的有效性。这种策略可以建立多重抗震防御机制，并通过部件更换实现快速灾后恢复。

然而，由于整体自重和倾覆力矩的综合影响，对角柱传递给节点的轴向荷载在整个结构中变化较大，不符合两个相交对角柱分别承载相等且相反轴向荷载的理想化情况。在对角柱受到不平衡轴向荷载作用时，节点核心区域不仅受到剪切力的作用，还受到额外的轴向力作用。在这些复合作用下，金属阻尼器可能容易发生屈曲，传统摩擦阻尼器的阻尼力也可能出现显著波动。这些复杂性使得难以精确控制阻尼器的行为，从而阻碍了基于性能的格构结构节点设计。

为了解决这一问题，本研究提出了一种新型阻尼器，用于将额外的轴向力与剪切机制分离，专为X形格构节点中的能量耗散连接设计。通过分析建立了能量耗散节点的荷载传递关系和变形兼容关系。随后，对这种阻尼器进行了组合轴向-剪切载荷下的滞回性能测试和数值模拟，以验证其轴向力解耦能力。为了研究阻尼器的性能增强机制及其与结构在不同地震强度下的协同作用，建立了包含能量耗散格构节点的数值模型，并使用非线性时程分析对各种阻尼器布置方案进行了分析，旨在为基于性能的阻尼格构系统设计提供参考。

配置

如图2所示，对角能量耗散节点由混凝土填充的方形钢管柱、环梁和阻尼器组成。阻尼器位于节点的核心位置，并在两端连接到相邻的对角柱上。每根对角柱直接焊接在阻尼器的端板上，连接方式采用管状节点拓扑结构。这种配置保持了对角柱的轴向荷载路径，从而

试件设计

为了验证阻尼器的轴向力解耦能力，本研究对其在组合轴向-剪切载荷和剪切载荷下的滞回性能进行了对比分析。因此，设计了三种阻尼器试件：试件D-1仅承受剪切载荷；试件D-2承受组合拉伸-压缩载荷；试件D-3承受组合压缩-剪切载荷。阻尼器组件的尺寸和组装方式如图7所示。此外，滑动

实验现象

测试中观察到的阻尼器工作状态如图11(a)所示。在加载过程中，阻尼器的内端板驱动次级板滑动，从而实现摩擦能量耗散。同时，滑动主板上的燕尾块沿内端板上的燕尾槽平稳移动，确保了连接的稳定性。此外，如图11(b)所示，在测试平台上观察到少量摩擦碎屑，且分布均匀

建模方法

使用Abaqus进行了数值模拟，如图14(a)所示。为了准确再现测试条件，所有阻尼器部件均采用实体元素建模，几何尺寸与测试试件一致。滑动主板和端板被赋予了符合45级钢的弹性-塑性材料模型，弹性模量为2.06×10⁵ MPa，泊松比为0.33，屈服强度为550 MPa。

数值模型在

非线性时程分析

为了进一步研究带有能量耗散连接件的格构结构的抗震性能，开发了对角能量耗散节点的数值模型，并将其纳入第3.2节建立的结构模型中。随后使用OpenSees平台进行了非线性时程分析。

结论

• 1)
  本文提出了一种新型阻尼器，用于将额外的轴向力与剪切机制分离，专为X形格构节点中的能量耗散连接设计。当节点受到组合拉剪或压剪作用时，阻尼器可以通过其燕尾式力传递组件隔离轴向力，从而保持其摩擦能量耗散性能。测试表明，在组合轴向-剪切作用下，阻尼器的阻尼力略有增加

CRediT作者贡献声明

郭通：指导。史青轩：指导。蔡文哲：指导。韩梦琪：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，研究。王斌：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金获取

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本文的工作得到了国家自然科学基金（资助编号52278215和52578248）、陕西省重点研发计划（资助编号2024SF-YBXM-646）以及陕西省教育厅科研计划（资助编号24JK0467）的支持。感谢这些资助。