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《重力侧力体系分离式钢胶合木混合框架抗震性能试验研究》来源：《建筑结构学报》(清华大学主办) 2023中文标题：《重力侧力体系分离式钢胶合木混合框架抗震性能试验研究》 英文标题：Experimental Study on Seismic Performance of SteelGlulam Hybrid Frames with Decoupled GravityLateral Force Resisting Systems 作者：李征，王振，何敏娟，舒展 发表期刊：《建筑结构学报》 发表信息：2023 年，第 44 卷第 12 期，第 112 页 · DOI：10.14006/j.jzjgxb.2022.0579 作者单位：同济大学土木工程学院 基金项目：国家自然科学基金项目（52078342）摘要钢胶合木混合结构能够充分发挥钢材抗侧刚度高与胶合木自重轻、低碳环保的优势。传统钢木混合框架重力构件与抗侧构件耦合受力，地震作用下木构件容易发生脆性损伤。本文研究重力侧力承载体系分离的钢胶合木混合框架，采用钢板剪力墙作为独立抗侧力体系，胶合木框架仅承担竖向重力荷载，二者之间设置可变形连接实现受力解耦。完成 2 榀 1/2 比例混合框架低周往复拟静力试验，对比普通耦合体系与分离式体系的破坏模式、滞回特性、刚度退化、耗能能力。试验表明：重力侧力分离构造可以显著降低胶合木构件地震内力，避免木构件出现剪切、劈裂脆性破坏；结构塑性损伤集中于钢板剪力墙，木框架基本保持弹性，震后仅需更换钢板剪力墙即可完成修复。基于增量动力分析开展概率地震需求评估，给出该类混合框架在不同性能水准下的层间位移角建议限值。研究成果为装配式钢木混合建筑抗震设计提供试验依据与参考。English AbstractSteelglulam hybrid structures make full use of high lateral stiffness of steel and lowweight, lowcarbon advantages of glulam. Conventional steeltimber hybrid frames couple gravitycarrying members and lateralforceresisting components, which may lead to brittle damage of timber members under earthquakes. This paper investigates steelglulam hybrid frames with decoupled gravitylateral force resisting systems. Steel plate shear walls serve as independent lateralforceresisting components, while glulam frames only resist vertical gravity loads. Deformable connections are adopted to realize mechanical decoupling between two subsystems. Lowcycle reversed quasistatic tests on two 1/2scale hybrid frame specimens were carried out. Failure modes, hysteretic responses, stiffness degradation and energydissipation capacity were compared between conventional coupled system and decoupled system. Test results show that the decoupled configuration significantly reduces seismic internal forces in glulam members and prevents brittle shearsplitting failures of timber components. Plastic damage concentrates on steel plate shear walls while glulam frames remain nearly elastic, and postearthquake repair can be realized merely by replacing steel plate shear walls. Incremental dynamic analysis and probabilistic seismic demand assessment were performed, and recommended interstory drift limits corresponding to different performance levels were proposed. This study provides experimental basis for seismic design of prefabricated steeltimber hybrid buildings.研究背景一、钢木混合建筑发展机遇双碳目标背景下，胶合木作为低碳可再生建材，在装配式建筑领域得到快速推广。纯木框架抗侧能力有限；纯钢框架碳排放相对更高。钢胶合木混合结构结合两类材料优势，是高层装配式建筑重要发展方向。但传统钢木混合框架将木构件同时承担竖向重力与水平地震作用，木材抗剪、抗劈裂能力弱，地震下容易发生不可修复的脆性开裂，制约钢木混合结构向中高层建筑推广。二、重力侧力分离结构理念为规避木构件承受过大水平地震作用，学术界提出重力侧力承载体系分离思路：将建筑竖向重力荷载、水平地震荷载交由两套独立子体系分别承担。胶合木框架只承受楼面、屋面竖向重力；钢板剪力墙、钢支撑等钢结构独立承担全部水平地震和风荷载；两套子体系之间设置可变形连接，允许二者产生相对侧向变形，切断地震作用向木构件传递路径，保护木构件不受地震损伤，实现震后可快速修复。三、现有研究不足国内对钢木混合结构大多研究构件耦合受力体系，针对重力侧力完全分离的整体框架试验研究较少，缺少对应的破坏模式、滞回性能数据，不同抗震性能水准下的层间位移角限值缺乏系统标定，难以直接指导工程设计。基于上述现状，本文开展缩尺框架拟静力试验，揭示分离式钢胶合木混合框架抗震机理，给出设计建议。研究内容（一）试件方案与加载制度设计 2 榀 1/2 比例两层钢胶合木混合框架： 试件 1（对照组）：普通耦合式钢胶合木混合框架，木梁柱同时承受竖向、水平荷载； 试件 2（试验组）：重力侧力分离式框架，胶合木框架承担竖向荷载，钢板剪力墙独立抗侧，子体系之间设置可变形连接。试验采用竖向恒定轴压加载 + 水平位移控制低周往复加载，全程记录荷载位移滞回曲线，观测构件裂缝、塑性发展，采集木构件、钢板剪力墙应变数据。（二）破坏模式与滞回性能对比对照组耦合框架：往复加载后期胶合木梁、柱出现明显劈裂、剪切脆性裂缝，木构件发生不可逆损伤，滞回环捏缩明显，后期承载力快速下降。 分离式试验组：全部塑性变形与损伤集中在钢板剪力墙，胶合木梁柱全程基本保持弹性，没有出现木材劈裂破坏；整体滞回环饱满，等效黏滞阻尼比稳定，刚度退化平缓。可变形连接能够有效释放相对侧向位移，实现重力子体系与抗侧子体系受力解耦。（三）参数分析与性能水准限值标定建立经过试验校准的有限元模型，开展大量增量动力分析 IDA，进行概率地震需求分析。统计不同地震强度下结构损伤状态，划分立即居住、生命安全、防止倒塌三档抗震性能水准，给出对应层间位移角建议限值：立即居住 0.2%、生命安全 0.7%、防止倒塌 2.6%。（四）关键构造设计要点讨论可变形连接刚度取值至关重要：连接刚度过大，无法实现解耦，地震内力依旧传递给木构件；连接刚度过小，竖向传递能力不足，会影响重力荷载传递。同时钢板剪力墙需要设置边界框架，避免局部过早撕裂；胶合木构件需要控制螺栓开孔，减少应力集中。结论（1）重力侧力承载分离式钢胶合木混合框架可实现损伤可控：地震塑性损伤集中于可更换钢板剪力墙，胶合木构件基本维持弹性，规避木材脆性劈裂破坏，具备震后快速修复的韧性建筑特征。 （2）传统耦合钢木混合框架地震下木构件容易发生不可修复的脆性损伤，滞回耗能能力较差；分离式体系滞回性能更稳定。（3）基于概率地震需求分析，给出该类混合框架三档性能水准对应的层间位移角建议限值，可供工程参考。 （4）可变形连接是实现两套子体系受力解耦的核心，连接刚度需要兼顾侧向变形释放与竖向荷载传递双重需求。（5）后续研究建议进一步开展足尺构件试验，研究不同类型可变形连接、不同抗侧构件（屈曲约束支撑）对整体体系性能的影响，完善配套设计条文。

来源：《建筑结构学报》2023 年第 8 期作者：彭志明，陈忠范，徐志峰，黄宇浩出处：《建筑结构学报》2023摘要冷弯薄壁型钢组合墙体是装配式轻钢结构住宅的主要抗侧力构件，传统湿法现场浇筑施工效率偏低。本文针对 3 组采用不同干法装配连接的冷弯薄壁型钢‑泡沫混凝土组合墙体开展低周往复拟静力试验，对比不同连接构造下墙体的破坏模式、承载能力、刚度退化与耗能能力。试验结果表明：合理设计的干法装配连接构造可以实现 “构件先于节点破坏” 的抗震设计目标；对比传统现浇墙体，干法装配墙体承载力略有下降，但变形能力与耗能性能表现更优；对拉式连接方案综合性能最优，可为冷弯薄壁型钢装配式墙体工程应用提供试验依据。AbstractCold‑formed thin‑walled steel foam concrete composite wall is the main lateral‑resistant component of prefabricated light‑steel residential buildings. Traditional cast‑in‑place construction has low site efficiency. In this paper, quasi‑static cyclic loading tests were carried out on three groups of composite walls with different dry assembly connections. Failure mode, bearing capacity, stiffness degradation and energy dissipation capacity were compared. The test results show that reasonably designed dry connections can realize the seismic target of “component failure prior to joint failure”. Compared with cast‑in‑place walls, dry‑assembled walls show slightly lower bearing capacity but better deformation and energy‑dissipation performance. The tension‑pull connection scheme has the best comprehensive performance, which can provide reference for engineering practice of cold‑formed thin‑wall steel assembled walls。一、研究背景建筑工业化推动冷弯薄壁型钢住宅快速发展，该体系自重轻、工厂预制程度高，适合村镇与低层装配式建筑。传统墙体大多采用现场湿法填充作业，湿作业多，现场工期长，施工质量受工人水平影响波动大。干法连接可以减少现场湿作业，提升装配速度，但现有干法连接墙体普遍存在刚度不足、连接部位易提前发生破坏的问题，缺少充分的试验数据支撑工程设计。二、研究内容（一）墙体试件设计与加载方案设计 3 片足尺冷弯薄壁型钢‑泡沫混凝土组合墙体试件，分别采用不同干法装配连接构造；采用水平低周往复加载方式，观测墙体裂缝开展、局部屈曲现象，获取承载力、刚度、滞回耗能等关键指标。（二）不同连接构造抗震性能对比对比三种连接形式的破坏特征：部分构造出现连接件过早撕裂；优化后的对拉连接试件，墙体内部泡沫混凝土先出现斜向交叉裂缝，龙骨发生局部屈曲，连接节点保持完好，实现构件先破坏。装配干法墙体初始刚度略低于现浇墙体，但延性系数更高，滞回环更加饱满。（三）参数影响分析分析墙板厚度、龙骨间距、连接件间距对墙体抗剪承载力的影响；增大连接件数量可以提升节点刚度，但会增加现场安装工作量，需要平衡抗震性能与施工效率。三、主要结论与工程建议冷弯薄壁型钢泡沫混凝土组合墙体采用干法装配连接具备工程可行性，采用对拉连接构造可以满足低层建筑抗震要求。干法装配墙体较现浇墙体承载力降低约 8%‑12%，但延性与耗能能力提升明显，适合地震烈度 6‑7 度区域低层装配式住宅。工程设计时，应当保证连接件设计强度高于墙体本身，实现 “强节点弱构件”；建议控制连接件间距不宜大于 600mm。施工阶段，需要保证对拉连接件安装对齐，避免安装错位造成连接提前受损。

来源：《工业建筑》2025 年第 2 期作者：苏明远，李沐阳，张思琪出处：《工业建筑》2025摘要冷弯型钢复合墙板是装配式钢结构住宅的核心围护与抗侧构件，传统湿法连接工艺存在施工周期长、现场湿作业多等弊端，干法连接节点的抗震受力性能与构造优化是行业研究热点。本文设计 4 组不同干法连接构造的冷弯型钢复合墙板试件，开展低周往复加载试验，对比自攻螺钉连接、卡扣式连接、螺栓挂接三种方案的抗侧承载力、滞回特性与破坏模式；分析面板厚度、龙骨间距对墙板抗震性能的影响规律，揭示干法连接节点的传力机理与损伤演化路径；提出适用于装配式住宅的墙板干法连接优化构造，形成配套施工工艺要点。研究表明：卡扣 - 螺钉混合连接方案兼具施工效率与抗震性能，墙板极限抗侧承载力较纯螺钉连接提升 14%，施工效率提升 30% 以上。AbstractCold-formed steel composite wall panels are core enclosure and lateral resistance components of prefabricated steel structure residences. Traditional wet connection processes have disadvantages such as long construction period and extensive on-site wet work. The seismic performance and structural optimization of dry connection joints are a research hotspot in the industry. Four groups of cold-formed steel composite wall panel specimens with different dry connection structures were designed and subjected to low-cycle reversed loading tests. The lateral bearing capacity, hysteretic characteristics and failure modes of self-drilling screw connection, snap-fit connection and bolt hanger connection were compared. The influences of panel thickness and keel spacing on seismic performance were analyzed, and the force transfer mechanism and damage evolution path of dry connection joints were revealed. An optimized dry connection structure for wall panels suitable for prefabricated residences was proposed, together with key construction process points. The research shows that the snap-screw hybrid connection scheme combines both construction efficiency and seismic performance. The ultimate lateral bearing capacity of the wall panel is 14% higher than that of pure screw connection, and the construction efficiency is increased by more than 30%.一、研究背景1. 装配式钢结构住宅的产业需求在建筑工业化与双碳政策推动下，装配式钢结构住宅凭借绿色环保、施工高效、空间灵活等优势进入规模化推广阶段。冷弯型钢复合墙板集围护、保温、抗侧功能于一体，是住宅体系中关键的部品部件。2. 传统连接工艺的应用瓶颈当前冷弯型钢墙板与主体结构连接多采用现场焊接 + 抹灰的湿法工艺，现场湿作业量大、施工周期长，且焊接质量受人工因素影响波动大，难以适配装配式建筑高效建造的要求。3. 干法连接技术的发展局限干法连接凭借无湿作业、装配速度快的特点成为发展方向，但现有卡扣、挂接类干法节点普遍存在连接刚度不足、地震作用下易滑脱、抗侧承载力偏低等问题，制约了其在高设防烈度地区的应用。二、研究内容（一）墙板试件设计与加载方案设计 4 组足尺冷弯型钢复合墙板试件，变量包含连接方式（自攻螺钉、纯卡扣、螺栓挂接、卡扣 - 螺钉混合）、面板厚度、龙骨间距。采用水平低周往复加载模拟地震作用，测试墙板抗侧刚度、极限承载力、耗能能力与破坏形态。（二）不同干法连接方案性能对比试验结果显示：纯卡扣连接施工速度最快，但初始刚度低，加载后期易出现卡扣滑脱，属于脆性破坏；自攻螺钉连接承载力稳定但现场作业量大；卡扣 - 螺钉混合连接方案结合两者优势，初始刚度与极限承载力接近纯螺钉方案，同时装配效率显著提升，滞回曲线更饱满，耗能能力更优。（三）关键参数影响规律分析通过参数拓展分析发现：面板厚度从 12mm 提升至 18mm 时，墙板抗侧承载力提升 22%，但自重增加明显；龙骨间距由 600mm 缩小至 400mm，墙板刚度提升 17%，且能有效抑制面板斜向裂缝发展。综合性能与经济性，推荐高烈度地区采用 15mm 面板 + 400mm 龙骨间距的配置。（四）构造优化与施工工艺要点针对卡扣节点易滑脱的缺陷，优化卡扣咬合齿形与限位挡边构造，增加防脱锁定装置。总结形成干法墙板标准化施工流程：基层定位放线→卡扣底座安装→墙板吊装就位→锁定加固→缝隙打胶密封，明确各工序质量控制要点。三、主要结论与工程建议综合以上研究，可以得出以下主要结论：卡扣 - 螺钉混合干法连接方案可在保证抗震性能的前提下大幅提升施工效率，综合技术经济性最优，适合在装配式钢结构住宅中推广应用。面板厚度与龙骨间距是影响墙板抗侧性能的关键参数，6 度及以下设防烈度地区可选用 600mm 龙骨间距，7 度及以上地区建议缩小至 400mm。优化后的带防脱装置卡扣节点，可有效避免地震作用下的滑脱破坏，节点延性提升 30% 以上。建议高烈度地区的装配式钢结构住宅项目，优先选用卡扣 - 螺钉混合干法连接墙板；施工过程中严格控制卡扣底座安装精度，确保墙板就位后咬合到位；对重要立面墙板，可在边角部位增设加强螺钉，进一步提升结构安全储备。

作者：聂建国、丁然、周建龙等　　 出处：《建筑结构学报》（EI），2013 　　主题：节点构造、抗震试验、有限元验证 期刊官方原文阅览链接：http://www.jzjgxb.com/CN/Y2013/V34/I09超高层建筑普遍采用巨柱框架 - 核心筒搭配伸臂桁架的抗侧力体系，伸臂桁架与核心筒剪力墙的连接节点是传递水平剪力、倾覆力矩的关键受力部位，其构造形式直接决定整体建筑抗震安全储备。武汉中心塔楼作为典型超高层地标项目，针对桁架入墙段开发了钢板外包式、钢板内嵌式两类节点构造方案。本文依托该实际工程开展 1:3 缩尺试件低周往复拟静力加载试验，系统对比两类节点的极限承载能力、刚度演化规律、变形延性系数与滞回耗能特性；同步记录往复荷载作用下剪力墙混凝土裂缝发展路径、钢板局部屈曲、节点整体失效模式。试验数据表明，两种构造节点均具备充足承载力、良好延性与稳定耗能能力，整体抗震表现满足超高层抗震设防标准；综合施工难易度、极限承载力、墙体损伤程度三项指标对比，外包钢板节点综合性能优于内嵌钢板节点，现场拼装工序更简便、稳定承载力更高，同时能有效抑制核心筒墙体裂缝拓展。研究所得试验结论、节点受力规律直接支撑武汉中心塔楼加强层结构施工图设计，也为国内外同类超高层建筑伸臂桁架 - 剪力墙节点构造选型、抗震优化设计提供完整试验依据与技术参考。一、研究工程背景与研究目的武汉中心为 438m 高度超高层塔楼，主体结构采用巨柱框架 + 钢筋混凝土核心筒 + 多道钢伸臂桁架复合抗侧体系，多道加强层伸臂桁架是协调外围巨柱与内部核心筒协同受力、控制建筑侧向变形的核心构件。地震作用下，风荷载、地震产生的倾覆力矩与层间剪力会全部通过桁架端部节点传递至核心筒剪力墙，节点区域同时承受拉、压、弯、剪复合受力，应力状态复杂，极易出现混凝土压溃、钢板撕裂、墙体大面积开裂等破坏，是结构抗震薄弱区域。项目设计阶段提出两种钢 - 混凝土组合节点构造：一种将连接钢板包覆在剪力墙外壁（外包式节点）；另一种将钢板预埋埋入墙体内部（内嵌式节点）。两类构造传力路径、约束机理、施工难度差异显著，暂无成熟试验数据对比二者抗震优劣，无法直接判定最优方案。基于工程落地需求，课题组制作两类节点缩尺试件开展拟静力抗震试验，同步配套非线性有限元数值模拟验证，厘清不同构造节点的抗震性能差异、破坏演化规律，筛选适配武汉中心项目的节点形式，并总结通用化设计建议，填补超高层桁架 - 剪力墙组合节点试验研究空白。二、试件设计、加载方案与有限元建模方案（一）两类节点试件构造设计试验采用 1:3 几何缩尺比例，分别制作外包钢板节点、内嵌钢板节点两组试件，试件包含核心筒剪力墙墙体、端部暗柱、K 型钢伸臂桁架弦杆与腹杆、连接钢板、栓钉连接件，混凝土强度、钢材牌号、配筋率均与实际工程保持一致：钢板内嵌式节点：连接板整体预埋进剪力墙内部，依靠栓钉与墙体混凝土粘结传力，墙体外部无外露钢构件；钢板外包式节点：钢板贴合剪力墙内外表面，通过贯穿螺栓对拉固定，桁架杆件与外包钢板焊接，钢板通过栓钉约束墙体表层混凝土。（二）拟静力试验加载方案采用低周往复水平位移加载制度，逐级增大加载位移幅值，模拟多遇、设防、罕遇地震下节点往复受力全过程；试验全程同步采集荷载 - 位移滞回曲线、钢板应变、墙体裂缝宽度与分布、节点局部变形，记录各加载级刚度退化、承载力衰减特征。（三）有限元数值模拟方案采用 MSC.MARC 非线性有限元软件建立精细化实体模型，分别定义钢材塑性本构、混凝土损伤塑性本构、栓钉界面粘结滑移接触关系，完整还原钢板、混凝土、钢筋、桁架杆件协同受力行为。先通过试验实测滞回曲线、破坏形态校正有限元模型参数，再依托校准完成的模型深挖节点内部应力分布、荷载传递机理，实现试验与数值模拟双向对照验证。三、拟静力试验现象与抗震指标对比分析（一）裂缝开展与整体破坏形态内嵌钢板节点：往复加载初期墙体内部先出现细微斜裂缝，随位移加大裂缝持续向内延伸、交叉贯通；极限加载阶段墙体中部混凝土局部压碎，预埋钢板端部出现轻微屈曲，承载力下降幅度较大。外包钢板节点：外层钢板对墙体形成有效约束，裂缝仅少量出现在钢板边界区域，无大面积贯通斜裂缝；直至加载至极限位移，剪力墙主体混凝土未发生压溃，仅桁架端部钢板出现局部塑性变形，整体损伤程度远轻于内嵌式试件。（二）核心抗震性能指标量化对比承载能力：外包钢板节点极限承载力高于内嵌式节点，稳定持荷阶段更长，承载力衰减速率更平缓；刚度特性：两类节点初始刚度接近，但往复循环加载后，内嵌节点刚度退化速度明显更快，外包钢板约束作用有效延缓刚度损失；延性与耗能：两种节点滞回曲线均饱满无明显捏缩，延性系数均满足超高层抗震要求；外包节点滞回环面积更大，累积耗能能力更突出；施工适配性：内嵌钢板需浇筑混凝土前精准预埋，钢筋、钢板穿插冲突多，现场施工容错率低；外包钢板可在墙体浇筑完成后现场装配，工序简单，便于现场质量管控。综合对比得出结论：钢板外包式节点在承载力、墙体损伤控制、施工便捷度上全面优于内嵌钢板节点，最终作为武汉中心塔楼标准节点方案落地使用。四、有限元机理分析结果经试验数据校准后的有限元模型可精准复现节点裂缝发展、钢板塑性开展全过程，通过数值拆解得到传力机理规律：内嵌节点荷载依靠内部栓钉向墙体深层传递，墙体内部应力集中严重，往复荷载下混凝土易出现剪切损伤；外包钢板可将桁架传来的内力均匀分散至墙体整个截面，表层钢板限制混凝土裂缝扩张，实现应力均匀化分布；节点端部暗柱为次要受力防线，可进一步分担边缘拉压应力，设计中需保证暗柱配筋、截面尺寸满足延性要求。同时文章依托数值分析成果，提出该类节点承载力简化计算方法，方便工程设计人员快速验算。五、论文主要研究结论与工程应用价值钢板外包、钢板内嵌两类伸臂桁架 - 核心筒剪力墙节点均具备可靠承载能力、良好延性与耗能性能，均可满足超高层建筑抗震设计底线要求；同等加载条件下，外包钢板节点极限承载力更高、墙体裂缝更少、刚度退化更缓慢，综合抗震性能优于内嵌钢板构造，且现场装配施工更简便，更适合高烈度区超高层项目；低周往复荷载下，内嵌式节点易出现墙体内部深层剪切裂缝，刚度衰减更快，适用于墙体厚度充足、施工预埋条件优越的低、中烈度超高层；本文试验数据、有限元建模方法、节点选型对比结论直接支撑武汉中心加强层结构设计，有效解决该项目桁架与核心筒连接关键抗震难题；研究形成的节点构造优化思路、承载力简化计算模型，可为国内带伸臂桁架体系超高层写字楼、金融中心等同类建筑的节点抗震设计提供标准化参考，完善钢 - 混凝土组合加强层节点设计理论体系。

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：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。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；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。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。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：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；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；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；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；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；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；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。

作者：夏春颖，王春鹏，黄凯龙　　 出处：《中国建筑金属结构》，2026，25 (02) 　　主题：传感器、数据监测、AI 识别、安全评估 模块化钢混组合建筑兼具钢结构装配高效、混凝土刚度充足的双重优势，是建筑工业化主流结构形式，但模块间拼接缝、干式连接节点属于地震作用下典型薄弱区域，传统人工检测手段难以实时捕捉震后细微损伤演化，结构安全评估存在滞后、误判率高的问题。本文将分布式传感监测、人工智能损伤识别技术融入模块化钢混结构抗震全流程研究，先开展多组模块拼接足尺振动台抗震试验，在模块梁柱、拼缝、连接节点处布设应变传感器、加速度传感器、光纤光栅传感阵列，连续采集多遇、设防、罕遇地震全过程振动、应变、位移时序数据；同步建立精细化多尺度有限元数值模型，完成试验数据对标校准，生成涵盖完好、微损伤、中度破坏、严重失效多等级样本数据集；搭建 CNN-LSTM 混合深度学习识别模型，依托海量传感时序数据与结构变形图像完成模型训练，实现模块拼缝开裂、螺栓滑移、钢板塑性损伤等缺陷自动定位、损伤程度量化分级；对比传统阈值判别法，验证 AI 智能识别体系在微弱损伤识别、多损伤耦合场景下的精度优势；结合试验与仿真结果，梳理模块化钢混组合体系地震损伤发展规律，形成一套 “传感器实时采集 —AI 自动识别分级 — 结构抗震安全动态评估” 一体化技术流程，为模块化钢混建筑抗震试验监测、震后快速安全鉴定提供智能化成套技术方案。一、研究背景与研究意义模块化钢混组合结构由工厂预制钢骨混凝土箱体模块现场干式拼接而成，建造速度快、工业化程度高，广泛应用于保障性住宅、学校、临时应急建筑。但模块竖向、水平拼接部位存在拼接缝与机械连接节点，地震往复荷载下易产生滑移、开裂、连接件塑性变形，整体抗震受力机制区别于现浇结构与纯钢框架。传统抗震研究仅依靠加载结束后人工观测破坏形态，无法记录地震全过程损伤渐进发展；常规结构安全评估依靠人工巡检，隐蔽拼缝、内部钢构件微小塑性损伤难以察觉，无法满足震后快速恢复使用的韧性建筑需求。现阶段物联网传感、人工智能识别技术逐步应用于结构健康监测，但面向模块化钢混组合箱体结构的一体化监测、AI 损伤评估体系研究较少，缺少配套试验布设方案与标准化识别模型。基于上述工程与技术缺口，本文融合振动台试验、分布式传感监测、有限元仿真、深度学习算法，搭建完整智能化抗震检测与安全评估体系，补齐模块化组合结构智能抗震监测技术短板。二、模块化钢混组合体系构造与地震薄弱环节（一）整体构造形式单箱模块内部采用钢骨混凝土梁柱承重，模块底板、顶板为钢筋混凝土组合楼板；相邻模块通过竖向高强螺栓套筒、水平搭接连接板干式拼装，拼缝处设置密封构造与抗剪键传递层间剪力，整体形成双重抗侧力体系。（二）地震作用核心薄弱区域模块水平、竖向拼接节点：地震剪力作用下螺栓易产生滑移，连接板出现局部塑性变形；模块拼缝混凝土：往复变形引发拼缝开裂、填充材料脱落，削弱层间协同工作能力；箱体钢骨与混凝土交界面：弯剪耦合作用下产生界面剥离，降低组合协同受力效果；底层模块与基础连接部位：倾覆力矩集中，易出现支座偏移、局部压溃。上述薄弱部位隐蔽性强，常规肉眼观测难以捕捉早期微小损伤，是本次传感监测重点布设区域。三、足尺振动台试验与分布式传感器布设方案（一）试验试件与加载工况制作两层两跨模块化钢混组合足尺试件，完整还原工程模块拼接构造；振动台输入多组天然地震波，分多遇、设防、罕遇三级逐级加大加速度幅值，完整模拟地震作用下结构从弹性、轻微损伤、中度损伤至局部失效全过程。（二）多类型分布式传感监测系统布置采用多类传感器组合布设，实现全域数据同步采集：光纤光栅应变传感器：埋设于模块钢骨、拼接连接板内部，实时捕捉钢材塑性应变变化，识别连接件屈服损伤；压电式加速度传感器：布置于各层模块楼板、顶板，采集楼层振动频谱、模态参数变化；激光位移传感器：安装于模块拼缝两侧，连续记录拼接缝相对滑移、开合变形量；高清视觉采集摄像头：对准拼缝、节点区域，同步拍摄损伤图像，为 AI 视觉识别提供图像样本。全部传感器数据同步传输至边缘采集终端，形成地震全过程连续时序数据库，完整留存损伤渐进演化全过程数据。四、精细化有限元数值模拟与数据集构建（一）多尺度有限元建模方法采用分层建模思路：宏观整体模型模拟楼层位移、基底剪力；局部细化子模型还原拼接节点、拼缝接触滑移、钢混界面粘结滑移关系，分别定义钢材塑性、混凝土损伤塑性本构，精准复现试验中裂缝发展、螺栓滑移、钢板屈服等破坏行为。利用振动台实测数据校正模型参数，消除仿真与试验误差。（二）多工况损伤样本数据集生成依托校准完成的有限元模型，批量模拟不同地震强度、不同连接缺陷、不同拼缝损伤等级工况，扩充数据集样本容量：完好无损工况：模块、连接件均处于弹性阶段；轻微损伤工况：拼缝细微开裂、螺栓微小滑移，无塑性变形；中度损伤工况：连接板局部屈服、拼缝裂缝贯通；严重损伤工况：连接螺栓失效、模块相对偏移、混凝土大面积压碎。数据集融合传感时序信号、结构变形图像、有限元应力云图三类多模态数据，为深度学习模型训练提供充足样本支撑。五、基于 CNN-LSTM 混合网络的 AI 损伤识别模型（一）模型架构设计采用卷积神经网络 CNN + 长短期记忆网络 LSTM 混合框架，适配本次多模态监测数据：CNN 分支：处理摄像头采集的拼缝、节点图像，自动提取裂缝宽度、钢板变形、连接件破损等视觉特征，完成损伤位置粗定位；LSTM 分支：解析传感器连续时序振动、应变数据，捕捉模态频率、应变幅值的渐变特征，量化损伤严重等级；融合输出层：整合图像与时序特征，输出损伤位置、损伤类型、安全风险等级三类评估结果。（二）识别效果对比验证将 AI 模型识别结果与振动台试验人工实测损伤数据对比：传统固定阈值判别法仅能识别明显重度损伤，微小拼缝开裂、钢材早期屈服识别准确率不足 60%；CNN-LSTM 混合 AI 模型对四级损伤全部工况识别准确率达 96% 以上，可精准定位隐蔽拼缝、内部钢构件早期微弱损伤；支持多损伤耦合场景同步识别，可区分螺栓滑移、混凝土开裂、钢板塑性变形多种缺陷共存工况，规避单一监测手段误判问题。六、模块化钢混结构地震损伤演化规律分析结合试验观测、传感数据、AI 识别结果，总结体系完整破坏发展流程：多遇地震阶段：整体保持弹性，拼缝无明显开裂，传感器仅采集微小弹性应变，AI 判定结构完好，可正常使用；设防地震阶段：拼缝出现细微开合滑移，局部连接板产生低应变塑性变形，AI 识别为轻微损伤，无需大规模维修即可恢复使用；罕遇地震前期：拼接缝裂缝贯通，螺栓滑移量显著增大，钢骨局部屈服，判定中度损伤，需检修更换连接件；罕遇地震后期：模块拼接节点承载力大幅下降，模块间出现明显相对偏移，判定严重损伤，结构失去正常使用能力。研究证实模块拼接连接构造是控制整体抗震性能的核心，合理优化螺栓规格、增设抗剪键可有效延缓损伤发展。七、一体化抗震安全动态评估技术流程论文形成标准化智能化评估完整流程，可直接用于试验检测与工程震后鉴定：前置布设：在模块拼接节点、拼缝、底层支座预埋光纤、加速度、位移传感阵列；数据实时采集：地震作用下同步采集振动、应变、图像多模态数据；AI 智能识别：CNN-LSTM 模型自动提取损伤特征，定位缺陷并划分损伤等级；安全分级判定：依据损伤识别结果匹配抗震性能目标，划分完好、可修复、限制使用、危险四级安全等级；输出评估报告：自动生成损伤分布图、剩余承载力、维修改造建议，实现震后快速智能化安全鉴定。八、当前技术应用现存局限传感设备布设成本偏高，大批量模块化住宅全点位布设经济性不足；AI 模型泛化能力受限，现有训练样本基于单一模块尺寸，不同层高、跨度模块需补充样本重新微调；多传感器数据同步融合算法计算量大，现场边缘终端实时处理算力需求较高；模块化建筑运维阶段缺少标准化预埋传感构造图集，施工预埋工序无统一指导。九、论文核心研究结论与工程应用价值模块化钢混组合结构地震损伤集中于模块拼接缝与干式连接节点，常规人工观测难以捕捉早期隐蔽微小损伤，分布式多类型传感阵列可完整记录地震全过程损伤演化数据；融合光纤、加速度、视觉图像的多模态监测数据集，结合 CNN-LSTM 混合深度学习模型，可实现拼接滑移、混凝土开裂、钢板屈服等多类损伤自动定位与量化分级，识别精度远高于传统阈值判别方法；本文搭建的 “振动台足尺试验 — 有限元多尺度仿真 — 传感数据采集 —AI 智能识别 — 安全分级评估” 一体化技术路线，完善了模块化钢混组合结构智能化抗震检测体系；研究明确了模块化箱体结构地震逐级损伤发展规律，为模块拼接节点抗震构造优化提供试验依据；整套传感布设方案与 AI 损伤识别模型，可用于模块化建筑抗震试验研究、地震灾后快速安全鉴定、长期运维结构健康监测，为装配式模块化建筑智能化安全管控提供技术参考。