带预压碟簧钢管混凝土柱脚恢复力模型与拟静力试验的学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《土木工程学报》2025年第58卷第12期，由西安建筑科技大学完成，依托国家自然科学基金支持。研究提出了一种带预压碟簧的钢管混凝土柱脚，通过预压碟簧提供自复位能力，防屈曲耗能板提供耗能能力，实现了震后快速恢复的功能。研究构建了包含6个加卸载阶段的恢复力模型，并通过5个足尺试件的拟静力试验验证了模型的准确性和柱脚的抗震性能。自复位结构是近年来抗震工程领域的研究热点，对于减少震后修复成本和缩短恢复时间具有重要意义。

柱脚构造与受力机理

预压碟簧的作用机制

碟形弹簧（Disc Spring）是一种螺旋弹簧的变体，具有高承载、小变形和可堆叠预压的特点。在柱脚中，碟簧通过预压方式安装，在地震作用下提供恢复力，使柱脚在卸载后能够恢复至初始位置。预压碟簧的初始预压力是控制自复位能力的关键参数，预压力越大，自复位能力越强，但耗能能力相应降低。

防屈曲耗能板的作用

防屈曲支撑（BRB）是一种通过板件屈曲耗能的结构构件。防屈曲耗能板通过限制板件的屈曲模式，使其在往复荷载下稳定地进入塑性变形，从而耗散地震能量。耗能板通常采用低屈服点钢材，具有良好的滞回性能和疲劳性能。

恢复力模型构建

恢复力模型包含6个加卸载阶段，能够准确描述柱脚在不同荷载水平下的力学行为。模型通过碟簧的恢复力和耗能板的滞回力叠加，预测柱脚的总恢复力。模型计算结果与试验结果吻合良好，验证了模型的有效性。

试验结果关键发现

抗弯贡献比的影响

抗弯贡献比定义为柱脚抗弯承载力与梁端抗弯承载力的比值。当抗弯贡献比不低于1.60时，柱脚的滞回曲线呈现"双旗帜形"，2.00%位移角时残余变形小于0.20%，自复位性能显著。这一结论具有重要的工程意义：抗弯贡献比是控制自复位性能的关键参数，1.60可作为设计下限值。

轴压比与预压力的影响

增大轴压比和碟簧初始预压力可提高柱脚刚度、承载力和自复位能力，但会降低耗能能力。这一规律体现了自复位能力与耗能能力之间的权衡关系。在实际设计中，需要在自复位能力和耗能能力之间找到平衡点。

经济性建议

建议抗弯贡献比上限值取1.85以提高自复位能力与耗能能力的经济性。这一建议基于参数分析结果，当抗弯贡献比超过1.85时，自复位能力的提升幅度明显减小，而用钢量和成本的增加却较为显著，因此1.85可作为经济合理的设计上限。

可拆换性能

3.00%位移角时，仅防屈曲耗能板发生塑性变形，且易拆换，可实现震后快速恢复。这一特征是带预压碟簧柱脚的核心优势：耗能板作为可替换部件，震后可快速更换，无需对柱脚主体进行修复，大大缩短了震后恢复时间。

焊接工艺与制造质量控制

碟簧安装与预压

碟簧的安装精度直接影响预压力的均匀性和柱脚的受力性能。碟簧堆叠时应确保各片碟簧的接触面平整，预压装置应提供均匀的预压力。碟簧与柱脚的连接采用螺栓连接或焊接固定，需确保连接强度满足设计要求。

耗能板焊接

防屈曲耗能板通常采用低屈服点钢材（如Q235或低屈服点钢），焊接时需严格控制热输入，防止热影响区性能退化。耗能板与柱脚的连接焊缝应采用全熔透焊缝，确保焊缝强度不低于母材。焊后应进行消应力热处理，消除焊接残余应力。

钢管混凝土柱脚焊接

钢管混凝土柱脚的焊接涉及钢管与柱脚底板的连接、钢管与柱脚肋板的连接等多个焊缝。钢管与底板的连接宜采用环焊缝，采用GTAW打底、SMAW填充的复合工艺。钢管与肋板的连接采用T型角焊缝，需注意焊缝的熔合质量和焊脚尺寸。

工程应用前景与思考

带预压碟簧的钢管混凝土柱脚是一种具有自复位功能的新型抗震柱脚，适用于对震后快速恢复有较高要求的建筑，如医院、消防站、应急指挥中心等重要设施。碟簧的自复位能力和耗能板的可拆换性，使得柱脚在地震后可快速恢复至初始状态，大大降低了震后修复成本和恢复时间。

从钢管制造角度看，钢管混凝土柱脚的钢管制造质量直接影响柱脚的整体性能。钢管的几何精度、壁厚均匀性和焊缝质量应满足相关标准要求。对于大直径钢管，建议采用HFW或LSAW工艺制造，确保焊缝质量和几何精度。

从施工角度看，碟簧的安装和预压需要专门的施工设备和工艺，确保预压力的准确性和均匀性。耗能板的安装和更换需要设计便捷的连接方式，便于震后快速拆换。

从设计角度看，抗弯贡献比是控制自复位性能的关键参数，建议取值范围为1.60至1.85。轴压比和碟簧初始预压力需通过参数分析确定，以平衡自复位能力和耗能能力。

学习心得与总结

通过深入学习本文，我对带预压碟簧的钢管混凝土柱脚的抗震机理和设计方法有了更为深刻的理解。碟簧提供自复位能力、耗能板提供耗能能力的分工设计，实现了自复位与耗能的有效结合。抗弯贡献比作为关键设计参数，1.60至1.85的推荐范围体现了自复位能力与耗能能力之间的经济平衡。6阶段恢复力模型的构建为柱脚的力学行为预测提供了可靠的计算工具。对于钢管制造和焊接技术人员而言，碟簧安装精度、耗能板焊接质量和钢管焊接质量是确保柱脚性能的关键环节，需采用严格的工艺控制和无损检测措施。这一研究成果为自复位结构的设计提供了新的技术路径，对于提高建筑抗震韧性和震后恢复效率具有重要的工程价值。