可更換耗能連梁研究綜述

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高層建筑發(fā)展十分迅速。因建筑物門窗等開洞的需要，在剪力墻片上開洞后形成連梁。連梁是剪力墻結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，是剪力墻抗震體系的第一道防線。在小震作用下連梁可以保證建筑物的整體剛度，在大震時連梁先于墻肢屈服并通過塑性變形耗散部分地震能量以減少剪力墻的破壞。實際工程當(dāng)中連梁的跨高比一般比較小，在水平荷載下會產(chǎn)生很大的剪切變形容易產(chǎn)生斜裂縫，導(dǎo)致剪切破壞，延性較差。

針對上述這個問題，增強(qiáng)連梁的耗能成為當(dāng)今工程界急需研究解決的問題。為此，國內(nèi)外學(xué)者做了大量相關(guān)的連梁方面的研究，提出了一系列的耗能連梁并且成功應(yīng)用于實際工程中。但是這些形式的耗能連梁自身也存在著優(yōu)缺點和適用條件。

一、國內(nèi)外可更換耗能連梁的形式

(一)截面削弱型可更換連梁。截面削弱型可更換連梁指的是對連梁的某部分截面進(jìn)行削弱，使連梁的耗能集中在該部分，削弱的部分與其余部位通過高強(qiáng)螺栓和鋼板相連接，震后對削弱的部分進(jìn)行更換。一般主要應(yīng)用于鋼連梁或型鋼混凝土連梁，把一根工字鋼連梁分成三部分，削弱中間腹板的厚度，該部分與其余兩部分之間通過連接板和螺栓相連接。研究人員的研究表明，該可更換連梁除了能夠獲得和鋼連梁類似的優(yōu)良性能外，還能夠把破壞部位主要集中在削弱部位，且該部位也易于更換。

(二)附加摩擦阻尼耗能部件的可更換連梁。韓國的Chung等研究人員提出了在鋼連梁的中部附加一個摩擦阻尼器，通過摩擦阻尼器的耗能來增強(qiáng)連梁的耗能能力。阻尼器具有優(yōu)良的耗能能力和足夠的強(qiáng)度剛度，使連梁在小震時能夠保持彈性；在中大震中先于墻肢和連梁的其余部分率先進(jìn)入耗能狀態(tài)耗散地震能量。分析表明摩擦阻尼器耗能能力較強(qiáng)，不僅頂層的位移時程反應(yīng)變小，滯回曲線非常飽滿，而且能夠更加有效地減小結(jié)構(gòu)的損傷。

(三)鋼筋混凝土中部開縫阻尼器的可更換連梁。日本清水建設(shè)技術(shù)研究所開發(fā)了在鋼筋混凝土連梁的中部開縫設(shè)置連梁阻尼器，連梁阻尼器為一塊由低屈服點鋼板制作的矩形剪切板，與預(yù)埋在連梁中的鋼板相連接。試驗表明該阻尼器具備非常穩(wěn)定的滯回反應(yīng)，阻尼器的承載力在剪切角達(dá)到1/20時尚未衰減，能夠附加的等效阻尼比為20%～30%。寬厚比為15時，可以避免平面外屈曲。目前為止，日本已經(jīng)有許多建筑物采用了該形式。

(四)附加復(fù)合阻尼耗能部件的可更換連梁。韓國首爾大學(xué)研究開發(fā)了一種應(yīng)用在連梁上的復(fù)合阻尼耗能部件，該耗能部件由高阻尼橡膠材料和兩個U型鋼板阻尼器并聯(lián)在一起。優(yōu)點是U型鋼板阻尼器屈服之前能量主要由高阻尼橡膠材料耗散，U型鋼板提供足夠的剛度，屈服之后能夠耗散大量能量。研究表明裝該阻尼部件的結(jié)構(gòu)試件破壞較小且夠把塑性變形集中在阻尼器，增大了整個結(jié)構(gòu)的耗能能力。此外安裝耗能部件的試件的加速度反應(yīng)顯著減小，但位移反應(yīng)大于安裝傳統(tǒng)連梁的結(jié)構(gòu)，安裝耗能部件的結(jié)構(gòu)破壞較輕。

(五)附加低屈服鋼板阻尼器的可更換連梁。哈爾濱工業(yè)大學(xué)滕軍等研制一種連梁阻尼器，其構(gòu)造形式是在低屈服點鋼板上開一列或多列長條形孔。試驗表明，該連梁阻尼器滯回環(huán)飽滿，耗能效果較好，但會發(fā)生平面外失穩(wěn)變形。

(六)可更換的保險絲耗能連梁。2011年呂西林等提出了應(yīng)用于可更換連梁的三種保險絲(可稱之為保險絲)，分別是一段腹板開有菱形孔的普通工字型鋼保險絲、由腹板和翼緣組成的箱型截面內(nèi)部灌鉛的雙層腹板的工字型鋼保險絲和鋼管內(nèi)部灌鉛的平行鋼管保險絲。這三種保險絲都可以設(shè)置在連梁的跨中形成剪切屈服型可更換連梁。研究表明三種保險絲的滯回環(huán)均非常飽滿，延性較好，承載力較高，抗疲勞性能較好，能夠滿足可更換連梁的要求。帶有可更換連梁的結(jié)構(gòu)試件能夠?qū)⑦B梁的破壞位置集中在連梁保險絲上，確保了連梁與墻肢連接部分免遭破壞，而且試驗后可以方便地對損壞的可更換連梁保險絲進(jìn)行更換。

(七)SMA耗能連梁。中國地震局開發(fā)了一種應(yīng)用在可更換連梁上的新型形狀記憶合金阻尼器，利用形狀記憶合金(即SMA)在奧氏體狀態(tài)下具有良好的超彈性變形性能和滯回性能耗散地震能量。其構(gòu)造為在連梁的中部開縫，利用剪力墻墻體彎曲時連梁間主要產(chǎn)生相對豎向變形使SMA絲受拉變形耗散能量。研究結(jié)果表明附加SMA阻尼器后結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)能夠有效減小，并且SMA阻尼器的殘余變形很小。

(八)鋼桁架連梁。廣西大學(xué)鄧志恒等提出一種新型鋼桁架連梁。鋼桁架連梁由熱軋型鋼或焊接型鋼組成，受力機(jī)理簡單清晰，便于設(shè)計成延性彎曲破壞連梁；在支撐處可以設(shè)置阻尼控制裝置可以更有效地實現(xiàn)耗能減震。而且可以很方便的更換維修。中間空腹位置還可以放置管道，充分利用空間。試驗分析結(jié)果表明，該連梁體系具有較高的承載力和良好的延性，荷載-位移滯回曲線飽滿如，等效黏滯阻尼系數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的鋼筋砼連梁，具有較好的耗能能力，同時也具有易修復(fù)可更換的優(yōu)點。

(九)附加金屬阻尼耗能部件的可更換連梁。中國地震局工程力學(xué)研究所王濤提出一種采用疊層三角形開孔鋼板的連梁金屬阻尼器。試驗表明，帶有可更換金屬阻尼器連梁的剪力墻結(jié)構(gòu)較普通鋼筋砼連梁剪力墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度稍低，但是等效阻尼比達(dá)到普通結(jié)構(gòu)的1.3～2.2倍，而且造價低廉，連接方便，能廣泛應(yīng)用。

(十)可更換鋼連梁。鋼連梁段具有較大的剛度和承載力，屈服時也具有很大的變形能力和穩(wěn)定的滯回耗能能力，且可以借鑒偏心支撐消能梁段的設(shè)計方法，加工制作也較其他阻尼器或耗能部件簡便。清華大學(xué)的紀(jì)曉東等提出的一種可更換鋼連梁，它由兩端與墻肢連接的工字鋼非消能梁段和跨中的可更換消能梁段組成，梁段間通過端板和高強(qiáng)螺栓連接。通過合理設(shè)計非消能梁段與消能梁段的承載力，使得強(qiáng)震作用下可更換消能梁段剪切屈服、耗散地震能量，非消能梁段保持彈性工作狀態(tài)。

二、連梁耗能對比分析

本文主要分析新型式的可更換耗能連梁，以荷載-位移滯回曲線為基礎(chǔ)，對比分析各種新型耗能連梁的耗能性能。滯回曲線可以反映結(jié)構(gòu)在反復(fù)受力過程中的變形、剛度退化及能量消耗等特點，若滯回曲線形狀愈飽滿，表明構(gòu)件消耗地震能量的能力愈強(qiáng)，抗震性能愈佳。

三、結(jié)語

本文介紹了可更換耗能連梁概念，對國內(nèi)外可更換連梁的研究與應(yīng)用進(jìn)行較為系統(tǒng)的歸納和總結(jié)。由上文可以看出，各新型可更換的耗能連梁的等效粘滯阻尼系數(shù)都不低且滯回曲線均比較飽滿。其中附加摩擦阻尼器的可更換連梁、可更換鋼連梁和可更換保險絲連梁的耗能性能尤為突出，有很大的發(fā)展前景。