新论文：受折纸启发的可更换承载-耗能双功能耗能器

Experimental and theoretical study on a novel dual-functional replaceable stiffening angle steel component

Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2018

https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2018.07.040

我们课题组此前提出过一种装配式混凝土框架结构方案，可以具备地震和连续倒塌综合防御的能力，而且还具有很好的灾后可恢复性能（详见文章：这个混凝土框架能抗震，能防连续倒塌，还功能可恢复，您不进来看看么？ | 新论文：多灾害防御混凝土框架试验研究）。

沿着这个思路，我们就想到，这个结构体系既然可以用于混凝土结构，为什么不试试钢结构（图1）呢？

图1 地震与连续倒塌综合防御可恢复功能钢结构

但是钢结构与混凝土结构有一个明显的区别，就是钢结构的抗弯承载力较高。混凝土结构方案中采用的角钢作为抗弯承载-耗能构件基本上就可以实现与现浇结构相当的抗弯承载力。而在钢结构中如果选择角钢则其刚度和承载力都有点偏低。很多学者都提出了一些很好的耗能装置，例如摩擦耗能装置或者形状记忆合金等。这些装置虽然性能很好，但是造价较高或加工相对比较困难。因此，我们就想研发一个既简单廉价且性能也好的承载-耗能装置。

我们想到的基本原则就是在角钢上安装一个加劲肋（图2），这样就可以有效提高角钢的刚度和承载力。考虑到这个加劲肋在地震后需要迅速更换来满足整体结构震后功能可恢复的需要，所以应该用螺栓安装。

图2 给角钢安装加劲肋

但是图2所示的加劲肋有一个缺点，就是当加劲肋受压的时候，很容易面外失稳而破坏。

图3 加劲肋受压面外失稳

这就是当时我们面临的问题：要研发一个可恢复功能承载-耗能双功能耗能器，它要具有稳定的受压和受拉性能，要可以用螺栓与主结构连接，不能用焊接加工，还要便宜。当时学生就有点“蒙圈”了。

那天晚上在组会上讨论这个问题，我们从折纸游戏中突然想到了一个解决方案，当时嘴巴说不清楚，我们就找了张废纸，描了几条线，如图4所示。剪下来一折叠，就有了我们的可更换承载-耗能双功能耗能器（图5）。

图4 折纸草图

图5 耗能器的模型（顶部的折边可以向外或者向内弯折）

这个可更换承载-耗能双功能耗能器（图6）只需要用钢板弯折就可以，加工非常简单，且避免了焊接热加工可能导致的热应力。

图6 实际耗能器示意图

当然，为了验证这个耗能器的效果，我们还是非常认真地做了一系列的试验对比。包括月牙形的，有折边的，没有折边的，角钢在加劲肋外侧的，角钢在加劲肋内侧的（图7），等等。

图7 试验构件

采用图8的加载装置，对比不同方案的结果。结果表明图7f所示的可更换承载-耗能双功能耗能器在加载过程中，加劲肋没有面外失稳迹象（图9），刚度大、承载力高、耗能稳定（图10）。最后是大变形下（4.3%节点转角）耗能器钢板开始撕裂破坏（图11）。试验结束后，拆了螺栓换个新的又可以继续工作，完全满足了预期目标。