近年来，超高层建筑广泛采用了“巨柱—核心筒—伸臂”的混合抗侧力体系，其中伸臂桁架是连接巨柱和核心筒的关键构件^[1-2]。已有研究表明研发新型耗能型伸臂桁架是未来发展的重要趋势^[3]，Moehle^[4]也指出可将伸臂桁架视为超高层结构的“结构保险丝”，统计数据表明我国现有超高层结构中伸臂桁架的性能目标80%以上被设定为大震屈服或者部分屈服，本文作者前期研究也表明，耗能型伸臂桁架可有效控制结构最大位移角^[1]。综上所述，伸臂桁架可视为可更换消能减震构件。

陈以一^[5-6]、聂建国^[7]、陆新征^[8]、甄伟^[9]等研究团队的研究表明：① 腹杆是伸臂的主要耗能构件，但腹杆会发生屈曲导致承载力下降，降低了伸臂的延性和耗能能力；② 弦杆会发生屈曲或端部发生断裂，影响伸臂整体的变形能力。针对上述问题，诸多学者提出了采用防屈曲支撑(buckling restrained brace，BRB)作为腹杆的耗能型伸臂桁架^[10-11]，但这种体系需保证弦杆在较强的压-弯耦合作用下具备较强的延性变形能力，从而使得腹杆充分发挥耗能能力。杨青顺等^[12]通过引入削弱式截面(reduced beam section，RBS)实现了弦杆端部的塑性铰外移，避免了弦杆端部的焊缝破坏，一定程度上保证了弦杆的变形能力。值得注意的是，压-弯耦合作用下的弦杆会发生屈曲：一方面影响弦杆的变形能力进而影响伸臂桁架的耗能能力；另一方面也会影响伸臂桁架的可修复性，有必要研发新型防屈曲可更换伸臂桁架弦杆。

目前，针对这一新型弦杆的研究相对较少，但诸多学者提出了新型可更换钢梁^[13-16]。该类钢梁均是基于传统RBS钢梁改进而成，其在传统RBS节点处断开，通过螺栓将钢梁翼缘和RBS翼缘连接：一方面保持了传统RBS的塑性铰外移能力和延性变形能力；另一方面使得RBS具有了震后可修复能力。不同于梁构件，伸臂弦杆在变形中承受着较大的轴力，在轴力下外置RBS将无法避免屈曲问题，导致弦杆延性无法得到保证。

借鉴已有构件，本研究提出了一种新型防屈曲可更换伸臂桁架弦杆，其构造示意图如图1所示，主要特点在于：① 在传统RBS节点处断开，通过螺栓连接弦杆翼缘、RBS板材和防屈曲盖板，一方面保证传统RBS的塑性铰转移功能，另一方面提高预设塑性铰的防屈曲延性变形能力；② 在腹板连接板上开长圆孔，通过控制腹板间距控制弦杆转动能力；③ 通过螺栓连接，在震后可拆卸更换RBS翼缘，显著提升其震后可修复性。

为验证上述新型弦杆的可行性和可靠性，本研究设计制作了1个传统RBS弦杆和2个不同构造的新型防屈曲可更换弦杆，并开展了抗震性能对比试验研究，分析了各试件的防屈曲延性变形能力、刚度、承载能力和耗能能力。本文的研究成果可为高性能伸臂桁架的发展完善提供参考。

图  1  新型防屈曲可更换弦杆示意图

Figure  1.  Schematic diagram of buckling restrained replacable chord

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1   试验概况

1.1   试件设计

本研究设计制作了3个1∶3缩尺构件，试件编号分别为OR、SCR和DCR，各试件详细尺寸和构造如图2所示。其中，OR为普通RBS弦杆，采用前期试验方案^[11]，构件尺寸如图2(a)所示。SCR在翼缘内侧设置RBS板材并加盖防屈曲盖板，DCR则在翼缘两侧设置RBS板材并加盖防屈曲板材。SCR的构造方式可尽量减小对楼板施工的影响，但会使得内侧RBS板材的厚度较大；DCR的构造方式则可较好控制RBS板材的厚度。SCR与DCR的RBS板材外侧均设置与RBS板材外相同厚度的盖板，抑制其屈曲行为。

各个弦杆轴压比均控制为0.3，非削弱截面尺寸与前期试验研究方案一致，为H270×200×10×10^[11]。SCR和DCR构件在设计时，控制RBS板材面积与其中面至腹板中点处的乘积之后与OR构件基本一致，其构件尺寸如图2(b)和图2(c)所示。鉴于该类新型构件的变形模式和转动能力还无法明确，本研究在试验设计时偏于保守将新型构件的断缝设为10 mm，以保证断开翼缘在构件达到2%位移角前不发生碰撞。弦杆端部的焊接形式设计为开坡口的全熔透对接焊缝，采用的焊接工艺为手工焊条电弧焊。螺栓采用摩擦型高强螺栓，根据《钢结构设计标准》(GB 50017−2017)^[17]，预紧力为190 kN，通过扭矩扳手紧固。钢材型号采用Q345，根据《金属材料拉伸试验 第1部分：室温实验方法》(GB/T 228.1−2010)^[18]对试验中所使用的三种厚度的板材进行拉伸试验，材性试验结果见表1。

图  2  试件构造及尺寸图

Figure  2.  Diagram of the configuration and dimensions of the specimens

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表  1  钢板材料力学性能

Table  1.  Mechanical properties of steel plate

钢材厚度	屈服强度fy/MPa	极限强度fu/MPa	弹性模量E/(×105 MPa)
10	405	572	1.90
12	359	528	1.98
18	356	561	1.99

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1.2   加载和量测方案

试验加载装置如图3所示，试件与地梁通过螺栓连接实现固结边界，竖向荷载通过竖向千斤顶施加，水平低周反复荷载通过水平千斤顶施加，设置侧限装置防止试件面外失稳。试验全程采用位移控制，参照美国AISC抗震规范制定^[19]，第1级~第3级的位移幅值分别为3.81 mm(0.375%)、5.08 mm(0.5%)及7.61 mm(0.75%)，每级加载重复6次；第4级的位移幅值为10.15 mm(1%)，循环加载4次；从第5级开始每个位移幅值循环加载2次，对应的位移为15.23 mm(1.5%)、20.3 mm(2%)、30.45 mm(3%)、40.60 mm(4%)、50.75 mm(5%)。对应的加载制度如图4所示。当试验构件的承载力退化至峰值承载力的85%以下时，实验停止。

图  3  加载装置示意图

Figure  3.  Schematic diagram of test setup

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图  4  加载制度

Figure  4.  Loading protocols

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实验设置了如图3中所示的6个位移计，D1与D6分别测量水平和竖向作动器的位移，D2测量地梁的滑移；D3、D4监测连接板是否有面外变形；D5测量弦杆相对转角。应变片布置如图5所示，主要监测弦杆、RBS板材及腹板连接板的应变。

图  5  应变片布置

Figure  5.  Arrangement of strain gauges

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2   试验现象

2.1   OR

OR试件全程经历了4个关键状态：① 当位移角达到0.75%时，试件开始屈服，最大应变出现在削弱截面B处，此时正、负方向承载力均值为136.92 kN；② 当位移角首次达到1.5%(位移为15.23 mm)时，试件达到峰值承载力，同时北侧翼缘发生屈曲，如图6(a)所示；③ 当位移角达到2%(位移为20.3 mm)时，在第二个加载循环时腹板屈曲，翼缘屈曲现象显著加剧(如图6(b))，构件承载力开始下降；④ 当位移角达到3%(位移为30.45 mm)时，试件腹板和翼缘严重屈曲，南侧翼缘与腹板焊缝撕裂(如图6(c)所示)，承载力急剧下降至峰值承载力的57.7%，实验终止。

2.2   SCR

SCR试件全过程经历了3个关键状态：① 当位移角达到0.75%时，最大应变出现在外置RBS板材中部B2处，表明RBS板材和试件弦杆进入屈服状态，在该位移角下，正负方向承载力均值为92.57 kN；② 当位移角达到3%时，弦杆发生碰撞(如图7(a)所示)，在此之前，新型弦杆仅RBS板材进入塑性，其余部分整体保持弹性状态；③ 弦杆碰撞后试件承载力开始持续上升，在位移角达到4%时出现较为明显的面外变形，导致试件与侧限装置发生碰撞，实验终止(如图7所示)。

图  6  试件OR实验现象

Figure  6.  Test phenomena of OR specimen

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不同于传统RBS弦杆构件，① SCR构件在加载全过程中RBS板材、腹板和各类盖板均无屈曲行为，且承载力未见下降现象。OR则在1.5%的位移角下发生翼缘屈曲，随后在2%位移角下发生腹板屈曲导致承载力下降，这验证了本研究提出的新型弦杆可有效预防屈曲行为，保证了弦杆的延性转动变形能力。② 随着位移的逐渐增加，防屈曲盖板、RBS板材与弦杆发生相对滑移(如图7(c)所示)。在弯矩和轴力的耦合作用下，SCR试件腹板断开处缝隙在预期的变形下单侧闭合导致该侧翼缘碰撞，使得翼缘参与受力，因此出现了刚度和承载力上升的现象。

图  7  试件SCR实验现象

Figure  7.  Test phenomena of SCR specimen

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2.3   DCR

对于DCR试件，① 当位移角达到0.75%时，试件开始屈服，最大应变出现在外置RBS板材中部B2处，表明RBS板材和试件弦杆进入屈服状态。在该位移角下，正、负方向承载力均值为94.22 kN。② 当位移角达到3%时，南侧弦杆缝隙宽度约0.5 mm(如图8(a))，这与SCR构件存在一定的差别，从实验过程中可以看出SCR构件中的RBS板材弯曲。③ 4%位移角第一圈负向加载时，由于弦杆端部北侧翼缘焊缝撕裂，如图8(b)所示，实验停止。

图  8  试件DCR实验现象

Figure  8.  Test phenomena of DCR specimen

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与SCR相类似，DCR试件加载全过程中弦杆全截面无屈曲行为，这表明双侧构造同样能够有效抑制构件的屈曲行为，提高弦杆的变形能力。随着位移的逐渐增加，防屈曲盖板、RBS板材与弦杆也发生了相对滑移的现象(如图8(c)所示)。但DCR试件在位移角达到4%后断缝仍未发生碰撞，这是由于在大变形状态下弦杆端部焊缝进入了塑性状态，焊缝的变形延缓了弦杆的碰撞并导致了最终的构件破坏。

3   试验结果分析

3.1   滞回曲线

三个试件在加载点水平荷载-位移滞回曲线如图9所示，曲线较为饱满，加载初期都呈现“梭形”的特征，但由于螺栓的滑移，导致了试件SCR和DCR的曲线分别在1.5%和2%的位移角开始出现一定程度的捏拢现象。相比试件SCR，试件DCR的捏拢程度较轻，这是由于SCR试件的RBS板材存在一定的弯曲行为，DCR的RBS板材则是轴向受力为主。值得注意的是，在伸臂桁架中斜腹杆是主要耗能构件，弦杆的设计重点在于持续的延性变形能力，因此本研究在此不再对其滞回耗能能力展开深入讨论。

图  9  试验滞回曲线

Figure  9.  Hysteretic curves of specimens

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3.2   骨架曲线与变形能力

试件的骨架曲线如图10所示，屈服点根据弦杆翼缘应变片测量值确定，峰值点为试件所承受的最大荷载^[20]，极限点为承载力下降至峰值承载力85%的点，评价各个试件的延性变形能力，计算了延性系数μ。

图  10  骨架曲线

Figure  10.  Skeleton curves of specimens

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从图10和表2可以看出：

1) 对比OR试件，SCR与DCR延性变形能力有了较大提高，极限位移角均不小于3%，SCR与DCR的延性系数分别为6.2和4，具有了更高的延性变形能力，表明新型弦杆具有较好的延性转动能力。

2) 弦杆端部焊缝的质量需要重点控制，在质量良好的情况下，可引导构件实现很好的延性变形能力，且将塑性行为主要集中于削弱截面部位。

3.3   耗能能力

为评价各个试件的耗能能力，绘制了试件的累积耗散能量E_a^[21-22]如图11所示。当位移角不超过1%时，DCR的循环耗散能量与OR基本一致，均大于SCR，这主要是因为双侧连接的构造更能引导削弱截面板材的轴向拉压耗能，而单边连接存在一定的弯曲行为。当位移角超出1%后，RBS板材屈服程度加深，在相同位移角下厚度越小，进入塑性的程度越深，从而导致耗能总量增加^[23]。当弦杆发生碰撞后导致承载力的二次上升，也使得在3%位移角下，SCR的耗能能力有了一定的提高，但耗能总量仍低于DCR试件。

表  2  骨架曲线特征点及延性系数

Table  2.  Values of characteristic points of skeleton curves and ductility coefficient

试件	刚度/(kN/mm)	屈服点			峰值点			极限点		延性系数
		Δy/mm	Fy/kN		Δmax/mm	Fmax/kN		Δu/mm	Fu/kN
OR	21.18	8.25	136.92		16.4	173.3		21.6	147.3	2.6
SCR	19.17	6.45	92.57		39.8	134.9		−	−	6.2
DCR	18.78	7.69	94.22		32.62	160.8		30.8	136.7	4.0
注：DCR的极限位移为负向值，其余值为正、负向平均值。

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图  11  累计耗散能量E_a

Figure  11.  Cumulative dissipated energy of specimens E_a

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3.4   刚度退化与强度退化

本研究在此采用相对刚度^[21]和强度退化系数^{[21, 24]}来描述试件的刚度退化和强度退化的程度(见图12、图13)，其中相对刚度为各级位移角下割线刚度与初始刚度的比值K_i/K₀；强度退化系数η_i为每一级加载最后一圈的峰值荷载与第一圈加载时峰值荷载的比值。各试件的相对刚度K_i/K₀与强度退化系数η_i随位移角的变化如图12、图13所示。试件OR在加载过程中刚度下降速率较快，在1%后下降速率明显加快，这是由于此时翼缘产生明显的屈曲行为，致使试件刚度退化速率降低。在相同位移角下，由于盖板的作用，抑制了RBS板材的屈曲行为，使得两种构造形式的新型弦杆SCR和DCR的刚度退化仍较为平缓。

OR的强度退化系数基本随着位移的增加而减小，在2%位移角时就下降到0.9以下，强度退化较为明显，而SCR和DCR在4%位移角前强度退化系数均大于0.9，说明新型弦杆强度退化不明显。

图  12  相对刚度K_i/K₀

Figure  12.  Relative stiffness factor K_i/K₀

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图  13  强度退化系数η_i

Figure  13.  Strength degradation factor η_i

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4   结论

本文针对所提出的新型防屈曲伸臂桁架弦杆开展了相关实验研究，以期明确不同连接构造方式对弦杆抗震能力的影响。共设计1个传统狗骨式弦杆和2个不同构造的新型防屈曲弦杆。得到如下结论：

(1) 外置RBS整体可将损伤耗能集中于该区域，防屈曲盖板可有效抑制RBS板材的屈曲行为，有效避免了传统RBS弦杆的屈曲现象。

(2) 本研究设计的新型弦杆与狗骨式弦杆刚度基本相当，由于有效防止了屈曲，具有了狗骨式弦杆约2倍的延性变形能力，可更好满足弦杆在压-弯-剪耦合作用下的变形需求，为腹杆充分耗能提供了保障。

(3) 端部焊缝质量需充分保障，避免在该区域发生破坏，影响弦杆变形能力，在此基础上，可基于预期转角和构件长度合理设置断缝宽度，保障新型RBS弦杆在预期转角下自由转动，避免断开翼缘的碰撞行为。