华南理工大学赵俊贤教授为您解读滑移连接的防屈曲支撑RC框架节点抗震性能试验

防屈曲支撑（BRB）具有受压不屈曲、拉压均可屈服耗能等特性。如何保证BRB与耗能子框架（支撑所在一跨结构）在大震作用下协同工作，是确保该技术正常发挥作用的关键。大震作用下子框架会产生较明显的几何非线性（如节点转动）和材料非线性（如梁端塑性铰），而BRB与子框架的连接节点通常采用螺栓连接或焊缝连接，改变了BRB节点的几何与物理边界条件。这与设计中假定支撑两端铰接得到的轴力传递模型存在明显区别，受弯矩传递和开合效应的影响（图1）而发生节点失效。

在国家自然科学基金项目（51778244）的资助下，课题组围绕上述难题开展了系统研究，提出了适合用于钢框架结构的BRB新型滑移节点构造，以法向压/拔但不抗剪的传力方式，解决开合效应与支撑力在节点的耦合作用问题，通过试验研究及有限元分析验证了方法的可行性 ^[1-2] 。并将上述方法拓展到RC框架结构，提出了新型滑移节点构造，对其开展了试验研究，成果发表于《建筑结构学报》2022年第6期。

传统BRB-RC框架节点构造如图2所示，其由预埋件、梁、柱等组成。预埋件由锚板、对拉钢板、栓钉组成，上述部件预埋在梁、柱钢筋笼内部后再进行混凝土浇筑，当混凝土凝固后，预埋件与混凝土由于钢板抗拉和栓钉抗剪作用形成的强约束是导致节点产生开合效应的主要原因。

针对传统BRB-RC框架节点的开合效应原理，提出适用于RC框架的新型滑移节点，其预埋件构造如图3所示。与传统节点预埋件（图2）相比，新型节点没有设置栓钉，而是分别在钢板条的侧面和正面粘贴弹性橡胶和低摩擦材料。上述构造可以有效释放节点板和预埋件对产生梁柱开合变形时的切向约束。为便于现场施工，当上下层的BRB与某一个RC梁柱节点不同时相连时，可以将预埋件中的上部锚板进行局部截面放大，进而形成锚固头，并将每块锚固头分别与每块钢板条在工厂可直接完成焊接。

滑移节点在RC框架中的变形和受力原理如图4所示，梁柱截面纵向纤维在弯矩作用下产生伸长或缩短变形，并相对于预埋件产生切向滑动以释放节点开合效应。支撑受压时，压力直接通过内侧锚板与混凝土的接触来传递，而支撑受拉时，拉力通过钢板条和外侧锚板抗拔作用传递，实现抗压/拔但不抗剪的传力机制，避免了支撑力与开合力的复杂耦合作用，受力更为清晰。

试验子结构为5层6跨的BRB-RC框架结构办公楼首层边跨T型节点，共设计了3个试件，分别为 传统 节点 W ， 塑性铰不转移滑移节点 SA- 1 和 塑性铰转移滑移节点 SA-2 。

拟静力试验加载装置如图5所示。试验采用拟静力循环加载方式。首先在二层柱反弯点处施加竖向轴力1010 kN并保持恒定。为避免BRB在柱顶竖向荷载下产生次内力，BRB下端节点板与地梁之间采用带水平向槽孔的螺栓连接，待竖向荷载施加完毕后，再对螺栓进行拧紧。试验采用水平位移控制加载，假定二层与一层具有相同层间位移角 δ ，令二层与一层作动器保持固定位移比为1.93∶1，依次按照层间位移角为0.08%、0.18%、0.5%、1%、2%和3%逐级施加往复水平位移，每级循环2次。加载过程中，试件整体及局部变形过程见视频1、2。

4.1 破坏模式

不同节点的破坏模式和试验现象如图6所示。传统焊接节点存在较强的切向约束，导致梁塑性铰外移至节点板区域外，破坏模式为以斜裂缝为主的梁剪切破坏。而滑移节点试件可有效释放节点板相对于梁柱的切向约束，梁最终均发生弯曲破坏，延性得到充分发挥。对比塑性铰不转移的滑移节点、塑性铰转移滑移节点可以看出，采用滑移构造后，梁在正常配筋情况下的塑性铰位于节点板区域内，而采用附加纵筋使梁塑性铰转移至节点板以外区域的方式，更有利于保证节点力的有效传递。

图6  梁柱组合体破坏模式

4.2 滞回性能

水平总剪力-层间位移角（ V - δ ）的滞回曲线如图7所示。在相同层间位移角下，3个试件的正向水平总剪力均大于负向，这是由于正向加载方式对梁产生附加轴力，增大了子结构总剪力。 层间位移角为+1%和-3%时， 塑性铰转移滑移节点的总剪力较传统节点分别降低了38.19%和34.23%。试验结果表明，滑移节点可有效地减小节点板对梁柱的约束刚度，降低开合效应，进而减小子结构分担的水平剪力。

梁剪力-层间位移角（ V _b - δ ）的滞回曲线如图8所示。与 塑性铰不 转移的滑移节点和 塑性铰转移 滑移节 点 相比，传统节点出现较为明显的梁屈服后刚度突变。这可能是由于焊接节点的强烈约束导致该试件的梁纵筋屈服程度和混凝土损伤显著增加所致。在相同的层间位移角下，采用传统节点试件的梁剪力峰值均大于采用滑移节点试件。结果表明，滑移节点可有效降低对子结构的不利影响，减小短梁短柱效应。

4.3 耗能能力

传统节点的梁累积耗能分别比 塑性铰不 转移的滑移节点和 塑性铰转移 滑移节 点 高36.2%和29.1%，充分说明传统节点会显著增大子结构的塑性损伤，而滑移节点可有效减轻子结构的破坏程度。当层间位移角为3%时， 塑性铰转移 滑移节 点 的梁累积耗能比 塑性铰不 转移的滑移节点 高出5.5%，表明在梁端设置附加纵筋的方式并不会明显增加子结构的塑性损伤，是实现塑性铰转移的有效方法。

4.4 梁柱钢筋应变

梁柱纵筋应变分布如图9所示。传统节点的梁塑性铰发生在节点板区域外，且节点板区域外的柱截面也处于即将产生塑性铰的临界状态。 塑性铰不 转移的滑移节点 的梁柱纵筋应变总与框架结构在水平地震下的弯矩分布特征基本一致，说明滑移节点可释放对梁柱的切向约束，基本不改变梁柱的弯曲受力行为。 塑性铰转移滑移节点 的梁纵筋应变总体呈现出“反弯点小、节点板端部大、节点板内部小、梁柱交界面大”的双峰值分布特征，主要原因是在节点板区域内设置的附加纵筋有效减小了原纵筋的受拉应变，实现塑性铰的转移。由于节点板中部至梁柱交界面范围内存在由支撑法向力引起的附加弯矩，导致在梁柱交界面出现第二个应变峰值。

图9  梁柱应变分布

4.5 节点板应力

节点板的von Mises应力分布情况如图10所示，与传统焊接节点相比，滑移节点的应力水平总体上要低于焊接节点，且在正向加载时（BRB受拉、梁柱闭合）差别越为显著，表明释放切向约束后节点板的受力性能得到明显改善。传统焊接节点的开合效应与支撑力效应的叠加使节点处于复杂受力状态，相比之下，滑移节点可更容易实现节点大震弹性的性能目标。

1）本文提出的新型滑移节点可有效释放节点板与子结构之间的切向约束，减小开合效应、梁柱剪力及其塑性损伤、节点板应力水平，有效提升了BRB-RC框架的抗震性能。

2）滑移节点基本不改变梁柱弯曲内力，梁以弯曲裂缝为主要破坏特征，有效解决了传统节点引起的子结构剪切破坏问题，有利于充分发挥子结构的延性和与BRB的协同工作性能。

3）滑移节点构造与设置附加纵筋的梁塑性铰转移策略组合，可基本实现把梁塑性铰从梁柱交界面大部分转移至节点板以外区域，有效减小节点板区域内的梁弯曲变形及其对BRB变形的影响。

4）今后应重点考虑支撑法向力和支撑水平力对RC子框架梁受力性能的影响，建立可有效实现梁塑性铰转移的地震损伤控制方法。

参考文献：

[1] ZHAO Junxian, CHEN Ruobing, WANG Zhan, et al. Sliding corner gusset connections  for improved buckling-restrained braced steel frame seismic performance: subassemblage tests[J]. Engineering Structures, 2018, 172: 644-662. 

[2] ZHAO Junxian, LI Yi, WANG Chen, et al. Sliding corner gusset connections in  concentrically braced frames using BRBs: numerical analysis and practical design[J]. Engineering Structures, 2021, 246: 113055.