混合连接仿生铰节点抗震与可更换性能试验研究

doi:10.15951/j.tmgcxb.25080549

摘要
图/表
参考文献
相关文章 (15)

全文: PDF (13836 KB) HTML (1 KB)
输出: BibTeX | EndNote (RIS)

摘要为协同优化装配式型钢组合连接节点的抗震及可更换性能，文章提出一种新型仿生铰节点，将耗能板安装在翼缘内侧实现节点的高效修复与功能恢复。基于该构造设计2个试件，并开展6次低周往复试验（2次抗震和4次修复试验），重点考察耗能板厚度、腹板肋板厚度及起波板波峰高度等因素对节点性能的影响，细致剖析仿生铰节点组件应变发展规律。试验结果表明：该节点的破坏模式均为延性弯曲破坏，破坏位置集中于耗能板的削弱区域，避免其余构件损伤，显著提升可更换性能；节点抗弯承载力主要由耗能板承担，增加耗能板厚度可有效提高承载力；节点破坏后通过更换耗能板可完全恢复其初始抗震性能，显示出优良的可更换性；节点安装起波板后滞回曲线更加饱满，屈服和峰值荷载同时增加85.34%，起波板能有效改善节点滞回性能，通过调整波峰高度可实现承载力的精准控制；节点的最大延性可达12.77，节点具有优良的转动性能。此外，仿生钢铰胫连接与股连接在整个工作过程中均处于弹性状态，而耗能板的塑性应变主要集中在截面削弱区域。仿生铰节点能够有效实现型钢组合连接抗震性能与可更换性能的同步提升。

	服务

	把本文推荐给朋友
	加入我的书架
	加入引用管理器
	E-mail Alert
	RSS
	作者相关文章
	袁玉杰
	史艳莉
	王文达
	宋永康

关键词 ：装配式结构, 可更换仿生铰, 抗震性能, 可更换性能

Abstract：To enhance the seismic performance and replaceability of a prefabricated steel composite connection joint， this study proposes a new replaceable bio-inspired hinge joint. By installing energy-absorbing plates on the inner side of the flange， efficient repair and performance restoration of the joint can be achieved. To verify the performance of the joint， two specimens were designed， and six low-cycle reversed tests， including two seismic performance tests and four repair tests， were conducted. The effects of the factors， including thickness of the energy-absorbing plate， thickness of the web rib plate， and height of the corrugated plate， on the joint performance were carefully examined， and the strain development law of the replaceable bio-inspired hinge components was analyzed in detail. The test results show that the joint fails in ductile bending mode， with damage concentrated in the weakened area of the energy-absorbing plate， avoiding damage to other components and significantly improving replaceability.The bending capacity of the joint is primarily carried by the energy-absorbing plate， so its bearing capacity can be effectively improved by increasing the thickness of the energy-absorbing plate. After failure， the initial seismic performance of the joint can be fully restored by replacing the energy-absorbing plate， demonstrating excellent replaceability. After installing the corrugated plate， the hysteresis curve of the joint becomes fuller， and both the yield load and peak load increase by 85.34%. This indicated that the hysteresis performance and energy absorption capacity of the joint can be effectively improved through the corrugated plate， and its bearing capacity can be precisely controlled by adjusting the peak height. The joint exhibits a maximum ductility of 12.77， reflecting its excellent rotational performance. In addition， the tibial connections and femoral connections of the bio-inspired hinge remain elastic throughout the service period， while plastic strain of the energy-absorbing plate is primarily concentrated in the weakened part of the cross-section. The research results reveal that the proposed replaceable bio-inspired hinge can effectively achieve the comprehensive improvement in both the seismic performance and replaceability of the steel composite connection.

Key words： prefabricated structure replaceable bio-inspired hinge seismic performance replaceability improvement

收稿日期: 2025-08-28

PACS:

TU352

基金资助:甘肃省基础研究创新群体项目（24JRRA169）、甘肃省高等学校创新基金项目（2025A-024）和兰州理工大学红柳优秀青年人才支持计划

通讯作者: 王文达（1976—　），男，博士，教授。主要从事钢与混凝土组合结构研究。E-mail：wangwd@lut.edu.cn E-mail: wangwd@lut.edu.cn

作者简介: 袁玉杰（1993—　），女，博士，副教授。主要从事装配式结构、古建筑抗震及加固研究；史艳莉（1977—　），女，博士，教授。主要从事钢与混凝土组合结构研究；宋永康（2003—　），男，硕士研究生。主要从事装配式结构抗震研究；

引用本文:

袁玉杰, 史艳莉, 王文达, 宋永康. 混合连接仿生铰节点抗震与可更换性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2026, 59(11): 18-37.
Yuan Yujie, Shi Yanli, Wang Wenda, Song Yongkang. Experimental study on seismic and replaceability performance of bio-inspired hinge joint with mixed connection. 土木工程学报, 2026, 59(11): 18-37.

链接本文:

http://manu36.magtech.com.cn/Jwk_tmgcxb/CN/10.15951/j.tmgcxb.25080549 或 http://manu36.magtech.com.cn/Jwk_tmgcxb/CN/Y2026/V59/I11/18

1 邱灿星，杜修力. 自复位结构的研究进展和应用现状［J］. 土木工程学报， 2021， 54（11）： 11-26. QIU Canxing， DU Xiuli. A state-of-the-art review on the research and application of self-centering structures［J］. China Civil Engineering Journal， 2021， 54（11）： 11-26. （in Chinese）
2 翟长海，岳清瑞，谢礼立. 抗震韧性城市评估与构建［J］. 建筑结构学报， 2024， 45（5）： 1-13. ZHAI Changhai， YUE Qingrui， XIE Lili. Evaluation and construction of seismic resilient cities［J］. Journal of Building Structures， 2024， 45（5）： 1-13. （in Chinese）
3 吴从晓，赖伟山，周云，等. 新型预制装配式消能减震混凝土框架节点抗震性能试验研究［J］. 土木工程学报， 2015， 48（9）： 23-30. WU Congxiao， LAI Weishan， ZHOU Yun， et al. Experimental study on seismic behaviors of new energy-dissipative prefabricated concrete frame structure joints［J］. China Civil Engineering Journal， 2015， 48（9）： 23-30. （in Chinese）
4 王修军，王燕，安琦. 装配式梁柱外环板高强螺栓连接节点抗震性能试验研究［J］. 土木工程学报， 2020， 53（6）： 53-63， 78. WANG Xiujun， WANG Yan， AN Qi. Experimental study on seismic behavior of prefabricated beam-to-column high-strength bolted joint with external diaphragms［J］. China Civil Engineering Journal， 2020， 53（6）： 53-63， 78. （in Chinese）
5 钱辉，祝运运，张羊羊，等. 功能自恢复预制装配式梁柱节点抗震性能试验研究［J］. 土木工程学报， 2023， 56（1）： 57-65. QIAN Hui， ZHU Yunyun， ZHANG Yangyang， et al. Experimental study on seismic behavior of earthquake resilient prefabricated beam-column joints［J］. China Civil Engineering Journal， 2023， 56（1）： 57-65. （in Chinese）
6 王文达，韩林海，游经团. 方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点滞回性能的实验研究［J］. 土木工程学报， 2006， 39（9）： 17-25， 61. WANG Wenda， HAN Linhai， YOU Jingtuan. Experimental studies on hysteretic behaviors of steel beam to concrete filled SHS column connections with stiffening ring［J］. China Civil Engineering Journal， 2006， 39（9）： 17-25， 61. （in Chinese）
7 WANG W D， ZHENG L， LI H W. Experimental investigation of composite joints with concrete-filled steel tubular column under column removal scenario［J］. Engineering Structures， 2020， 219： 110956.
8 HOUSNER G W， KLINK B A， KAUSEL E. Proceedings of the first world conference on structural control［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering， 1996， 15（2）： 147-149.
9 郭彤，宋良龙，张国栋，等. 腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点的试验研究［J］. 土木工程学报， 2012， 45（6）： 23-32. GUO Tong， SONG Lianglong， ZHANG Guodong， et al. Experimental study on beam-column connections of self-centering prestressed concrete frame with web friction devices［J］. China Civil Engineering Journal， 2012， 45（6）： 23-32. （in Chinese）
10 郭彤，宋良龙. 腹板摩擦式自定心预应力混凝土框架梁柱节点的理论分析［J］. 土木工程学报， 2012， 45（7）： 73-79. GUO Tong， SONG Lianglong. Theoretical analysis of beam-column connections of self-centering prestressed concrete frame with web friction device［J］. China Civil Engineering Journal， 2012， 45（7）： 73-79. （in Chinese）
11 张敬书，周绪红，姜丽娜，等. 理性思考汶川地震中砌体结构的抗震能力［J］. 防灾减灾工程学报， 2009， 29（5）： 591-595. ZHANG Jingshu， ZHOU Xuhong， JIANG Lina， et al. Rational reflection on aseismic capability of masonry structures in Wenchuan earthquake［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering， 2009， 29（5）： 591-595. （in Chinese）
12 吕西林，陈云，毛苑君. 结构抗震设计的新概念——可恢复功能结构［J］. 同济大学学报：自然科学版， 2011， 39（7）： 941-948. LU Xilin， CHEN Yun， MAO Yuanjun. New concept of structural seismic design： earthquake resilient structures［J］. Journal of Tongji University： Natural Science， 2011， 39（7）： 941-948. （in Chinese）
13 陈以一，贺修樟，柯珂，等. 可更换损伤元结构的特征与关键技术［J］. 建筑结构学报， 2016， 37（2）： 1-10. CHEN Yiyi， HE Xiuzhang， KE Ke， et al. Characteristics and technical issues on structural systems with replaceable damage-concentrated elements［J］. Journal of Building Structures， 2016， 37（2）： 1-10. （in Chinese）
14 蔡晓光，薄涛，薄景山，等. 1950年以来亚洲大地震及震害分析［J］. 世界地震工程， 2011， 27（3）： 8-16. CAI Xiaoguang， BO Tao， BO Jingshan， et al. Asian large earthquakes after 1950 and disasters analysis［J］. World Earthquake Engineering， 2011， 27（3）： 8-16. （in Chinese）
15 丁克伟，刘建华，马巍，等. 新型装配式半刚性节点抗震性能试验研究［J］. 土木工程学报， 2021， 54（4）： 1-7， 56. DING Kewei， LIU Jianhua， MA Wei， et al. Experimental study on seismic performances of a new type of fabricated semi-rigid beam-to-column connection［J］. China Civil Engineering Journal， 2021， 54（4）： 1-7， 56. （in Chinese）
16 余洁，李叶，王宇航，等. 可更换角钢单边连接的梁端组合节点抗震性能研究［J］. 建筑结构学报， 2024， 45（增1）： 32-39. YU Jie， LI Ye， WANG Yuhang， et al. Seismic performance of beam-end combination node with replaceable angle unilateral connection［J］. Journal of Building Structures， 2024， 45（S1）： 32-39. （in Chinese）
17 李祚华，彭志涵，齐一鹤，等. 装配式RC梁柱塑性可控钢质节点抗震性能足尺试验研究［J］. 建筑结构学报， 2019， 40（10）： 43-50. LI Zuohua， PENG Zhihan， QI Yihe， et al. Full-scale experimental study on seismic behaviors of plasticity controllable steel joint of prefabricated RC beam column［J］. Journal of Building Structures， 2019， 40（10）： 43-50. （in Chinese）
18 HU G X， ZHANG Z Y， CAO B， et al. Seismic behavior of precast concrete beam-column joints with bending moment-shear separation controllable plastic hinge［J］. Engineering Structures， 2024， 304： 117585.
19 葛琪，李有杰，熊峰，等. 新型带可更换耗能装置预制混凝土梁-柱节点抗震性能分析［J］. 工程力学， 2024， 41（增1）： 57-65. GE Qi， LI Youjie， XIONG Feng， et al. Seismic performance analysis of novel precast concrete beam-column joint with replaceable energy dissipation devices［J］. Engineering Mechanics， 2024， 41（S1）： 57-65. （in Chinese）
20 李春雨，童超，吴京，等. 可更换耗能连接件的装配式混凝土框架结构抗震性能试验研究［J］. 建筑结构学报， 2022， 43（1）： 69-76. LI Chunyu， TONG Chao， WU Jing， et al. Experimental study on seismic performance of precast concrete frame with replaceable energy dissipating connectors［J］. Journal of Building Structures， 2022， 43（1）： 69-76. （in Chinese）
21 YANG L， PENG L， BAN H Y. Experimental study on demountable and reusable steel beam-to-column joints with bolted-pinned connections［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2024， 214： 108450.
22 LIU R Y， ZHU Y Z， YAN G Y， et al. Behavior of the damage-tolerant beam-column connection for earthquake-resilient steel frame： Experimental and numerical study［J］. Structures， 2024， 67： 106985.
23 LU X Z， JIN X L， TIAN Y， et al. Experimental study and design methodology of sacrificial-energy dissipation beam-column joint［J］. Engineering Structures， 2024， 314： 118263.
24 DU Y F， LI F Y， LI H， et al. Seismic behavior and resilience assessment of prefabricated beam–column joint with replaceable graded-yielding energy-dissipating connectors［J］. Engineering Structures， 2024， 319： 118814.
25 BAI J L， HE J， LI C， et al. An RBS-based replaceable precast concrete beam-column joint： Design approach and experimental investigation［J］. Journal of Building Engineering， 2022， 51： 104212.
26 BAI J L， HE J， LI C， et al. Experimental investigation on the seismic performance of a novel damage-control replaceable RC beam-to-column joint［J］. Engineering Structures， 2022， 267： 114692.
27 LI Z H， QI Y H， TENG J. Experimental investigation of prefabricated beam-to-column steel joints for precast concrete structures under cyclic loading［J］. Engineering Structures， 2020， 209： 110217.
28 ZHENG D D， GUO H C， LI H， et al. Experimental study on high-strength steel earthquake resilient beam-column joints with double damage elements［J］. Engineering Structures， 2025， 339： 120609.
29 WU C L， SONG H T， MOU B， et al. Development and evaluation of a novel prefabricated SRC column-steel beam composite joint with artificial plastic hinges［J］. Structures， 2025， 79： 109655.
30 DOU C， RU Y， XU L H. Cyclic loading behavior of earthquake-resilient disc-spring self-centering beam-column joints： an experimental study［J］. Engineering Structures， 2025， 335： 120366.
31 GE Q， AI J S， MAO Y， et al. Study of seismic performance and resilience of a precast concrete beam-column joint with a replaceable energy-dissipation component［J］. Journal of Building Engineering， 2025， 103： 112167.
32 TIAN J P， WANG Z， PAN J R. Research on design guidelines for steel beam-to-column connections with replaceable buckling-restrained fuse plates［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2025， 232： 109622.
33 WANG T， HE M S， WU S H， et al. Synergy work between FSPs and EDBs on the seismic performance of ACPH［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2024， 221： 108938.
34 YUAN Y J， AN A H， WANG W D， et al. Experimental research on the seismic and repair performance of steel beam-column joint with replaceable bio-inspired hinge［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2024， 223： 109032.
35 YUAN Y J， AN A H， WANG W D， et al. Precise control mechanism for replaceable connection damage location based on component strength capacity ratios［J］. Journal of Constructional Steel Research， 2025， 235： 109876.
36 安爱红. 可更换H型钢梁柱仿生铰节点抗震及修复性能研究［D］. 兰州：兰州理工大学， 2025. AN Aihong. study on seismic and repair performance of replaceable H-shaped steel beam-column bio-inspired hinge joints［D］. Lanzhou： Lanzhou University of Technology， 2025. （in Chinese）