新论文：两阶段受力可调控的屈曲约束支撑试验、数值与理论研究

论文：

[1] Experimental and analytical study of a novel double-stage capacity-adjustable buckling-restrained brace

DOI: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2025.120595

50天免费下载链接：https://authors.elsevier.com/a/1lAKwW4G4ivR5

论文：

[2] Experimental and numerical study of a novel double-stage capacity-adjustable buckling-restrained brace

DOI: https://doi.org/10.1016/j.istruc.2025.109275

50天免费下载链接：https://authors.elsevier.com/a/1lAKQ8MoIH6PxG

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        传统屈曲约束支撑（BRB）在屈服后常经历应变强化和循环硬化，承载力持续提升，可能引起结构中相邻构件的内力增加和构件损伤。降低钢材屈服强度或减小截面面积虽可减小承载力，但前者效果有限，后者又易导致小震下刚度无法满足要求。

        为此，本文提出一种新型两阶段受力可调控的屈曲约束支撑（CABRB），由牺牲段与耗能段并联构成（图1）。CABRB典型荷载–位移曲线如图2所示，通过牺牲段断裂机制引导支撑性能退化。该支撑在小震下具备足够刚度控制变形，在大震下通过降低刚度和承载力保证支撑的耗能效果。通过试验、理论与数值分析，验证了CABRB良好的抗震性能、修复能力及可调控的受力特性。

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      屈曲约束支撑（BRB）通过套筒约束避免屈曲，具备良好的抗震性能与力学稳定性。然而，部分工程案例分析表明，在强震作用下，提升BRB的屈服承载力反而可能引起相邻结构内力增加，甚至造成附加损伤；同时，过大的屈服承载力也降低了其耗能效果。一些研究表明，在大震下适当降低支撑的屈服后承载力，有助于提升其耗能效果。然而，当前多阶段受力支撑研究多聚焦于承载力增强型设计，针对承载力削弱型支撑的研究相对较少；同时，支撑的设计灵活性与震后修复能力也亟待加强。

        为此，本文提出一种两阶段受力可调控屈曲约束支撑（CABRB），由耗能段与牺牲段并联构成。通过调节牺牲段参数，可实现CABRB刚度、承载力及断裂变形的可控调节。在小震中，CABRB提供较高刚度与承载力以控制结构变形；在大震中，牺牲段主动退出工作以降低整体构件的刚度与承载力，从而减小相邻构件内力并提升耗能效果；震后通过更换牺牲段组件可快速恢复支撑功能。

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        研究提出的CABRB如图3所示，其主要由耗能段（图3a）、牺牲段（图3c）并联组成。其中，耗能段为传统屈曲约束支撑，牺牲段由钢支撑和牺牲板（图3d）组成，牺牲板通过夹板和螺栓固定在钢支撑上。牺牲板为一块带长孔的钢板，通过在钢板上开槽对其进行削弱，从而实现主动损伤和断裂引导。

        为验证CABRB的两阶段受力性能和可修复性能，分别设计了BRB、牺牲板、CABRB等共10组试件，分别对其开展低周往复加载试验。

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（1）试验现象

        各试件中BRB的破坏模式一致，均表现为内芯因塑性损伤累积发生拉断（图4a）。牺牲板的破坏位置则随开孔形状不同而有所差异：对于长矩形开孔，断裂集中在连梁端部（图4b）；而在长圆形开孔中，断裂位置约位于距连梁端部约1/3处（图4c）。加载过程中，CABRB各组件均未出现面外屈曲或失稳等异常现象。

（2）滞回性能

        图5展示了CABRB及其各组件的滞回曲线。由图5a~c可见，各试件均表现出饱满的滞回特性，其中圆形开孔牺牲板（图5c）较矩形开孔牺牲板（图5b）具有更优的滞回性能。图5d~e进一步表明，CABRB具有明显的两阶段受力特性：牺牲板可在设定变形下发生断裂并退出工作，从而有效削弱整体支撑的刚度与承载力。

（3）修复性能

        研究考虑了三种修复策略：等承载力、降承载力和提承载力，分别对应图6a、6b和6c。由图6a可见，等承载力修复后，CABRB的受力性能基本保持不变。图6b和6c表明，降低或提高承载力的修复策略均可有效实施，能够针对不同工程需求实现灵活的抗震修复与加固效果。

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        建立如图7所示的精细化有限元模型，以带长圆形开孔牺牲板的CABRB为例，选取牺牲板的连梁长度L、开孔曲率半径R、连梁最小高度h₁和板厚为参数，通过改变上述参数探究对CABRB受力性能的影响。

        图8为牺牲板各设计参数对CABRB骨架曲线的影响。从图8中可知，牺牲板的峰值变形与破坏变形主要受参数L的影响，而对其他参数（即 h₁、t 和 R）不甚敏感。h₁ 和 t 对初始刚度与峰值强度具有显著影响，而 R 的影响较小。建议可在牺牲板设计时综合调整 L、h₁ 和 t。

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        以带有长圆形开孔牺牲板的CABRB为例，本文结合虚功原理与增量分析方法建立了其理论骨架曲线模型。牺牲板的计算模型见图9，详细推理和计算流程可以参阅发表的论文。通过与试验所得滞回曲线（图5）对比，验证了所提出骨架曲线计算公式的准确性与适用性。

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