• 作者：陈向荣，郑欣，余浩然，李威宾　
• 出处：《钢结构（中英文）》，2025，40 (12) 　　
• 主题：研究 SMA 自复位节点在钢结构中的减震、耗能、减小残余变形等新型抗震技术
• 期刊官方阅览链接：http://gjg.ic-mag.com/en/article/doi/10.13206/j.gjgS24030802
• 超弹性形状记忆合金（SMA）具备独特形状记忆效应与超弹性力学特征，将其引入钢结构梁柱节点可同步赋予结构自复位、耗能减震双重功能。现有相关研究大多仅针对单一节点构件开展力学试验，将 SMA 自复位节点装配至完整钢框架体系、从整体结构层面评估抗震表现的研究较为匮乏。为系统分析配备 SMA 自复位节点钢框架在地震荷载下的整体响应规律，本文依托 OpenSEES 有限元程序搭建精细化整体框架数值模型，结合已有节点拟静力试验数据完成模型精度校验；选取初始抗侧刚度、极限承载能力、峰值层间位移角、震后残余层间位移角四大核心评价指标，分别开展非线性静力推覆分析与多组地震波下非线性动力时程分析。计算结果表明：对比传统全焊接刚性钢框架，装配 SMA 自复位节点的框架整体初始刚度与极限承载力略低；地震作用下结构楼层峰值变形有所提升，但完全满足现行规范变形限值；SMA 材料提供的回复力可大幅削减震后永久残余侧移，残余层间变形远低于常规钢框架；同时该类节点可优化各楼层变形分布，缓解局部楼层变形集中问题，结构受力均匀性显著提升。研究证实 SMA 自复位节点钢框架拥有优异的震后恢复能力，契合韧性抗震建筑 “震后快速恢复使用” 的发展方向，可为高设防区域可修复钢结构住宅、公共建筑提供新型节点成套设计参考。

一、研究背景与研究意义

传统钢框架采用焊接或高强螺栓刚性梁柱节点，地震往复荷载作用下梁端、节点核心区易产生塑性损伤，结构卸载后会留存明显残余层间位移。若残余变形超出限值，建筑需大规模拆除修复构件，严重影响医院、学校、应急指挥中心等关键建筑的灾后应急使用功能。

形状记忆合金 SMA（主流为镍钛基合金）在常温下拥有稳定超弹性，经历大变形卸载后可自动恢复原始形态，搭配摩擦耗能构造即可形成兼具复位、耗能作用的装配式自复位梁柱节点。当前国内研究多聚焦 SMA 节点单构件往复加载试验，缺少对完整多层钢框架整体抗震响应、楼层变形分布、残余变形控制效果的系统性数值推演，难以指导实际工程整体结构方案设计。

基于行业研究缺口，本文建立搭载 SMA 自复位梁柱节点的多层钢框架整体模型，对比传统刚性框架的静力、动力地震响应，揭示 SMA 自复位节点对整体结构减震、控残余变形、优化楼层受力的作用机理，完善韧性钢结构体系设计理论。

二、SMA 自复位节点构造与协同工作机理

论文采用内置 SMA 螺杆摩擦复合型自复位梁柱节点，由钢柱、钢梁、超弹性 SMA 长螺杆、腹板摩擦耗能组件、锚固加劲件构成，完整传力与耗能逻辑分为两部分：

1. 自复位驱动力来源：地震造成梁柱发生相对转动时，梁上下翼缘位置的 SMA 螺杆受拉伸产生超弹性变形，加载阶段承担梁端弯矩；当地震荷载消退、结构卸载，SMA 依靠自身超弹性收缩恢复原长，带动钢梁归位，消除梁柱相对转角，从根源降低整体框架残余侧移。
2. 双重耗能机制：一是 SMA 材料自身相变循环消耗地震输入能量；二是节点腹板配套摩擦片在梁柱转动时发生相对滑移，依靠摩擦作用补充耗能，提升整体结构阻尼，削减地震作用下楼层峰值加速度与瞬时变形。设计中钢梁、钢柱主体构件全程保持弹性，地震损伤仅集中于可替换 SMA 螺杆与摩擦片，震后仅更换小型耗能配件即可恢复结构全部使用功能，实现低成本快速修复。

三、数值模型搭建与计算方案设置

（一）有限元模型校准

采用 OpenSEES 软件搭建三维多层钢框架模型，自定义 SMA 超弹性本构关系，精准还原材料加载 - 卸载旗帜型滞回特征；调取已完成的节点低周往复试验滞回曲线、骨架曲线校正模型参数，确保数值模拟结果与真实试验力学行为匹配，消除模型系统误差。

（二）对比结构方案设置

设置两组对照模型开展同步计算：

方案 1：传统焊接刚性梁柱节点钢框架（对照组）；

方案 2：全楼层装配 SMA 摩擦复合型自复位节点钢框架（研究组）。

（三）分析工况

1. 非线性静力推覆分析：逐级施加水平侧向荷载，提取骨架曲线、刚度退化规律、层间变形演化；
2. 非线性动力时程分析：选取近场、远场多组天然地震波，分别输入多遇、设防、罕遇三级地震加速度，记录基底剪力、楼层加速度、峰值层间位移、震后残余位移。

四、静力推覆计算结果对比分析

1. 刚度与承载力特征：SMA 自复位框架初始抗侧刚度、极限水平承载力低于传统刚性框架，根源在于节点为半刚性转动构造，不具备焊接节点完全刚接约束效果；但结构整体变形能力大幅提升，极限层间变形显著大于普通框架，延性表现更优。
2. 楼层变形分布规律：传统刚性框架塑性损伤集中于底部楼层，底层变形占比过高；SMA 自复位框架依靠节点转动释放内力，各楼层侧向变形差值缩小，变形沿竖向分布更均匀，避免局部楼层率先进入严重塑性破坏状态。
3. 卸载复位特性：推覆荷载完全卸载后，传统钢框架留存可观永久层间侧移；SMA 自复位框架侧移基本回弹至初始位置，残余变形量可降低 90% 以上，自复位效果突出。

五、地震动力时程分析性能对比

（一）峰值地震响应指标

同等地震动输入条件下，SMA 自复位框架基底剪力、楼层峰值振动加速度均低于传统钢框架；结构瞬时最大层间位移角略有增大，但始终控制在规范抗震变形限值以内，不会出现围护墙体、管线大面积破损。

（二）震后残余变形核心优势

罕遇地震作用完成卸载后，传统刚性框架存在较大不可逆残余层间位移，建筑丧失正常使用条件；SMA 自复位节点框架残余层间位移角数值极小，结构整体形态基本复原，无需大规模加固维修即可投入运营，完美适配抗震韧性建筑 “中震可修、大震不倒、震后即用” 的性能目标。

（三）滞回耗能表现

SMA 自复位框架滞回曲线呈饱满旗帜型，兼具稳定耗能与复位特征；传统焊接框架滞回环捏缩明显，后期承载力衰减严重，耗能能力随塑性损伤累积持续下降。SMA 螺杆 + 摩擦片双重耗能体系有效消耗地震能量，降低主体钢构件损伤风险。

六、关键参数影响规律简析

论文依托多组参数拓展计算，总结影响 SMA 自复位框架抗震性能的核心变量：

1. SMA 螺杆直径、预拉应变：增大螺杆截面与初始预拉力，可同步提升节点承载力、复位能力，但会小幅提升结构刚度，放大地震内力；
2. 摩擦片摩擦力大小：摩擦力提升可增强耗能能力，但会削弱卸载复位效果，需平衡耗能与自复位两项指标；
3. 节点布置楼层：底层框架节点对整体残余变形控制起决定性作用，底层优先采用 SMA 自复位节点即可大幅改善整体震后恢复性能。

七、论文主要研究结论与工程应用价值

1. 装配 SMA 摩擦复合型自复位节点的钢框架拥有 “高延性、低残余变形、可快速修复” 的核心优势，虽整体刚度与承载力略低于传统刚性焊接框架，但变形指标满足现行钢结构抗震规范全部要求；
2. SMA 自复位节点能够均衡竖向楼层变形分布，避免底部楼层变形集中，同时显著降低地震作用下基底剪力与楼面振动加速度，减震效果良好；
3. 超弹性 SMA 材料提供的回复力可近乎消除震后永久侧移，地震损伤仅集中于可拆卸耗能配件，大幅降低灾后检修、重建成本，适合医院、政务楼、学校等高韧性需求公共建筑；
4. 本文建立的 OpenSEES 精细化 SMA 框架数值建模方法、多工况对比分析思路，可为 SMA 自复位钢结构的整体抗震验算、节点参数优化提供标准化数值模拟流程；
5. 该类新型节点体系拓展了韧性钢结构技术路径，为高烈度抗震区装配式钢结构建筑提供差异化抗震解决方案，推动 SMA 智能材料在建筑抗震领域工程化落地。