《Engineering Structures》：Cyclic performance of dual stage energy dissipation joints for connecting CFST column and exterior wide-flat beam
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CFST柱-宽扁梁连接结构提出双阶段耗能连接件，通过准静态试验和有限元分析验证其抗震性能，TOPSIS评估显示该连接件综合性能最优，但高轴压下存在性能衰减风险。
魏明阳|宋琳琳|张建华|Cheav Por Chea|耿岩|张学明|高殿伟|刘志成
哈尔滨工程大学航空航天与土木工程学院，中国哈尔滨 150001
摘要
基于高能量耗散和可更换性的设计理念，以及地下结构的具体特点（如挖掘的难度和不确定性），本文提出了一种用于连接钢筋混凝土管（CFST）柱与外部宽扁梁的双阶段能量耗散接头。设计了三种类型的接头：典型的CFST柱-外部宽扁梁接头（简称为典型接头，TJ）、摩擦能量耗散CFST柱-外部宽扁梁接头（简称为摩擦能量耗散接头，FEDJ）和双阶段能量耗散CFST柱-外部宽扁梁接头（简称为双阶段能量耗散接头，DEDJ）。随后对这些接头进行了准静态地震性能测试和有限元分析。采用相似性排序法（TOPSIS）对不同类型接头的地震性能进行了评估。结果表明，在设计基准地震和最大考虑地震下，DEDJ表现出摩擦和旋转能量耗散特性，同时通过金属部件实现了塑性变形能量耗散。TJ在梁端发生弯曲破坏，而DEDJ的破坏集中在钢能量耗散部件上。FDEJ在整个测试过程中未受损。TJ具有较高的承载能力，但延性较差，强度/刚度下降迅速，能量耗散能力有限。FDEJ保持了稳定的强度/刚度并具有良好的延性，尽管承载能力较低且能量耗散能力不足。DEDJ不仅实现了设计的承载能力目标，还结合了TJ和FDEJ的优点，表现出更优的延性、有效的能量耗散以及比TJ更慢的强度和刚度下降。TOPSIS方法的评估结果显示，DEDJ的综合性能优于TJ和FEDJ。当轴向压缩比增加到0.5且低屈服点钢的端到中心比达到1.82时，DEDJ的承载能力和能量耗散能力可能会受到影响。
引言
随着城市人口的快速增长，土地资源变得越来越稀缺，发展地下城市空间已成为缓解资源短缺的关键策略[1]。这不仅提高了城市交通和基础设施的能力，还节省了土地并改善了环境。目前，大多数地下结构主要是框架[2]、拱形[3]和箱形[3]结构。在地下框架结构中，通常使用钢筋混凝土宽扁梁来增加净空并降低施工成本[4]、[5]、[6]，以应对挖掘相关的挑战和不确定性[7]。同时，由于CFST柱具有优越的承载能力和延性[8]、[9]，它们变得越来越重要。CFST柱与宽扁梁的连接是地下结构系统的显著特征，CFST柱-宽扁梁接头在这种应用中被广泛采用。这种接头配置也可能适用于存在类似几何或性能约束的其他结构环境。然而，在地震作用下，框架结构中最脆弱的部分是结构构件之间的接头[10]。接头的退化会显著影响整体承载能力，导致严重的结构坍塌或损坏[11]、[12]、[13]。地震对人类安全构成重大威胁，还会对结构部件造成不可修复的损坏，并因昂贵的重建工作而造成巨大的经济损失[14]。鉴于这些挑战，传统的结构接头[15]、[16]、[17]在有效应对绿色工业化和可持续发展的需求方面越来越显示出其局限性。因此，地下结构的地震设计策略正朝着实施具有增强能量耗散能力的可更换系统方向发展[18]、[19]。在这种情况下，开发高能量耗散和可更换的地下结构接头成为提高土木工程韧性和可持续性的有前景的解决方案。
接头能量耗散可以通过在接头内部安装能量耗散装置来实现，以吸收地面运动产生的能量，从而确保接头的安全性和可靠性。在现有研究中，接头中常见的能量耗散形式主要包括摩擦耗散、钢能量耗散和复合能量耗散。吴等人在[20]、[21]、[22]中提出，在接头处安装扇形摩擦阻尼器可以为接头提供显著的额外能量耗散，从而提高接头的承载能力和变形能力。Borzouie等人在[23]、[24]中发现，摩擦板和垫子在重复使用后会受到一些损坏。然而，安装摩擦阻尼器通常会占用外部空间，在某些情况下可能无效。因此，一些研究人员将能量耗散装置放置在接头内部。张等人在[25]、[26]中将摩擦装置应用于钢接头，显著提高了接头的自中心能力和地震性能。黄等人[27]将摩擦能量耗散装置应用于钢筋混凝土梁-柱接头，通过隐藏牛腿来提高刚度和能量耗散，从而提高了接头的地震性能。这些能量耗散装置设计在接头内部，有效节省了空间。然而，摩擦垫子在反复摩擦后会发生磨损，导致其能量耗散能力下降。因此，开发了旋转摩擦能量耗散接头[28]，这种接头更容易更换，但存在承载能力不足的问题。
金属能量耗散接头主要通过金属的塑性变形来耗散地震能量，确保结构的稳定性和安全性。胡等人[29]将Q235钢阻尼器纳入接头中，创建了人工塑性铰链。这种装置具有出色的能量耗散能力和延性，从而提高了预制接头的地震性能。一些研究人员还将金属能量耗散装置放置在旋转铰链的上方、下方或两侧，以诱导更大的金属能量耗散装置的塑性变形[30]、[31]。吴等人[32]、[33]、[34]、[35]提出了一种带有可更换能量耗散装置的新型钢筋混凝土梁-柱接头。研究发现，这种接头具有稳定的能量耗散能力和高延性，可以有效控制接头损伤并提高地震后的修复效率。普通钢的延性有限，这限制了其接头的能量耗散能力。相比之下，低屈服点（LYP）钢表现出稳定的强度和高延性[36]、[37]，特别适合用于金属能量耗散接头。李和黄等人[38]、[39]、[40]、[41]在能量耗散接头中使用了LYP钢，提高了能量耗散效果，并通过测试开发了LYP钢的本构模型[42]。
总之，修复传统的CFST柱-钢筋混凝土梁接头非常具有挑战性，使其不符合绿色工业化和可持续发展的要求。因此，地下结构的地震设计正朝着可更换、高能量耗散系统的方向发展。因此，提出了可更换的能量耗散接头。传统的摩擦能量耗散接头承载能力较低，摩擦能量耗散装置难以更换。此外，普通的钢能量耗散接头能量耗散能力也相对较差。现有的混合能量耗散接头（结合了摩擦能量耗散装置和钢能量耗散接头）也不容易更换。因此，本文提出了一种用于CFST柱-外部宽扁梁的双阶段能量耗散装置，该装置易于更换且具有高能量耗散能力，并对其地震性能进行了研究。
DEDJ的配置
基于地下结构的具体特点，提出了一种梁-柱接头配置，该配置能够实现快速组装，并允许后期更换能量耗散装置。这种配置有效地耗散地震能量，从而提高了结构的地震性能。DEDJ由三部分组成：CFST柱、预制宽扁梁和双阶段能量耗散装置，如图1所示。
试样细节
实验设计了三种比例为1:2的CFST柱-外部宽扁梁接头地下结构试样，其中TJ是基于地铁站CFST柱-外部宽扁梁接头的对比试样，DEDJ是双阶段能量耗散接头。根据DEDJ的设计过程，获得了DEDJ的尺寸（见图3）。FEDJ是摩擦能量耗散接头，用于探索
实验现象
在TJ试样中，当在柱端施加高达0.5 P（P = 63.15 kN）的水平载荷时，在左梁和右梁距离柱中心线175 mm和130 mm处分别出现了长度为3 mm和13 mm的垂直裂缝。当在柱端施加高达0.75 P的水平载荷时，裂缝数量增加并扩展。在左梁上出现了两条新的裂缝，分别位于距离
有限元模型
为了研究DEDJ的地震性能，采用了有限元方法进行进一步分析。使用ABAQUS开发了一个精细的三维有限元模型，考虑了材料和几何非线性。
结论
本文设计了三种类型的CFST柱-外部宽扁梁接头试样，并对其进行了准静态测试。对这三种接头类型的地震性能进行了比较分析，并应用TOPSIS方法对其地震性能进行了评估。使用ABAQUS建立了DEDJ的精细有限元模型，并对其进行了参数分析。该分析揭示了地震性能变化的模式
作者贡献声明
魏明阳：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，软件，方法论，数据管理。宋琳琳：软件，方法论，资金获取。张建华：监督，调查，数据管理。Cheav Por Chea：软件，形式分析。耿岩：项目管理。张学明：监督，调查。高殿伟：验证，软件，资金获取。刘志成：软件。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国中央领导地方科学技术发展基金项目（编号：246Z5410G）、国家自然科学基金（编号：52201331）和沈阳工业大学QNPY基金会（编号：070/200005808）的支持。
