地震可恢復(fù)功能連梁研究綜述與展望

管民生，黎振迎，杜宏彪

1）深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東深圳 518060；2）深圳大學(xué)濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518060

剪力墻結(jié)構(gòu)因具有良好的抗側(cè)壓能力而被廣泛應(yīng)用于高層建筑中，連梁作為剪力墻結(jié)構(gòu)抗震的第一道防線，耗能能力關(guān)系到結(jié)構(gòu)的抗震安全.在實(shí)際工程中，連梁的跨高比往往較小，在地震作用下易發(fā)生剪切破壞，降低結(jié)構(gòu)的抗震性能.為了提高連梁的延性與抗震性能，國內(nèi)外學(xué)者提出采用新型配筋方式，如對(duì)角暗柱配筋［1］和菱形配筋［2］等.采用新型配筋方式的連梁能有效提高延性，但在實(shí)際工程中，往往出現(xiàn)超筋、施工難度較大等問題.而且，傳統(tǒng)的連梁在地震作用下一旦破壞，將難以修復(fù)或者修復(fù)成本過高，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失.

為解決上述問題，F(xiàn)ORTNEY 等［3-4］提出了可恢復(fù)功能連梁，震后不需修復(fù)或稍加修復(fù)即可恢復(fù)其使用功能，包括可更換連梁和自復(fù)位連梁，主要方式在于將耗能和損傷集中在耗能構(gòu)件，或通過設(shè)置預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)提供恢復(fù)力，有效減小墻肢的損傷，震后只需更換耗能構(gòu)件而不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu).

本研究分析了可恢復(fù)功能連梁的工作原理，從削弱連梁截面、附加耗能裝置以及提高連梁自復(fù)位能力3種實(shí)現(xiàn)可恢復(fù)功能連梁的途徑，分別評(píng)述了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并提出一種新型自復(fù)位雙連梁設(shè)計(jì)方案，為剪力墻結(jié)構(gòu)連梁抗震設(shè)計(jì)提供了新途徑.

1 可恢復(fù)功能連梁工作原理

自21 世紀(jì)初以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)可恢復(fù)功能連梁展開了大量相關(guān)研究.可更換連梁最初通過在鋼連梁跨中設(shè)置剪切型鋼保險(xiǎn)絲耗能，實(shí)現(xiàn)震后修復(fù)或更換［3］.呂西林等［5］研究了可更換連梁的適用型式與構(gòu)造方式.可更換連梁由耗能梁段與非耗能梁段組成，概念示意圖見圖1.耗能梁段一般采用易于更換的鋼保險(xiǎn)絲和耗能裝置，非耗能梁段為型鋼混凝土連梁或鋼連梁.在地震作用下，兩梁段之間形成剛度差，使耗能與變形主要集中在耗能梁段，而耗能梁段與非耗能梁段之間采用高強(qiáng)螺栓和鋼板相連接，震后對(duì)耗能梁段進(jìn)行更換.

圖1 可更換連梁概念示意圖Fig.1 Concept of replaceable coupling beam.

自復(fù)位連梁是在可更換連梁的基礎(chǔ)上改變結(jié)構(gòu)的材料特性或構(gòu)造措施，使連梁滿足耗能要求的同時(shí)，具備自復(fù)位能力，減小結(jié)構(gòu)主體的損傷.自復(fù)位連梁由連梁主體、耗能系統(tǒng)和預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)組成（圖2）.連梁主體主要由型鋼組成，具有一定的初始剛度.耗能系統(tǒng)由角鋼和阻尼器組成，預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)由形狀記憶合金（shape memory alloys，SMA）、預(yù)應(yīng)力筋或高性能復(fù)合纖維材料等彈性材料提供恢復(fù)力.

圖2 自復(fù)位連梁概念示意圖Fig.2 (Color online)Concept of self-centering coupling beam.

當(dāng)連梁主體發(fā)生變形，耗能系統(tǒng)通過材料塑性變形耗能，預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)提供恢復(fù)力，使連梁滿足耗能要求，同時(shí)減小甚至消除結(jié)構(gòu)主體的殘余變形.震后根據(jù)結(jié)構(gòu)的損傷程度對(duì)連梁主體、耗能系統(tǒng)以及預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)或整體更換.

2 可恢復(fù)功能連梁研究現(xiàn)狀

基于可恢復(fù)功能連梁的工作原理，國內(nèi)外學(xué)者展開大量的深入研究，促進(jìn)了可恢復(fù)功能連梁的發(fā)展與應(yīng)用.實(shí)現(xiàn)連梁的可恢復(fù)功能主要有3 種途徑：削弱連梁截面、附加耗能裝置與提高連梁自復(fù)位能力.

2.1 削弱連梁截面

傳統(tǒng)連梁在地震作用下依靠自身塑性變形耗能，因而使連梁整體進(jìn)入塑性，震后難以修復(fù)或更換.因此，學(xué)者們嘗試對(duì)連梁的跨中截面進(jìn)行削弱，使連梁的變形與耗能主要集中在連梁跨中部分，減小連梁非耗能梁段與墻肢的損傷，起到保險(xiǎn)絲的作用，震后更換保險(xiǎn)絲.此外，還有一些學(xué)者在實(shí)腹式鋼連梁的基礎(chǔ)上，削弱鋼連梁的腹板截面形成鋼桁架連梁型式，桿件與墻肢采用鉸接連接，震后對(duì)鋼桁架連梁進(jìn)行整體更換.

2.1.1 削弱連梁跨中截面

在連梁跨中截面采用組合鋼板代替部分連梁，組合鋼板與連梁中預(yù)埋鋼板通過螺栓連接，即可削弱連梁跨中截面，組合鋼板又稱為保險(xiǎn)絲.保險(xiǎn)絲能夠發(fā)揮鋼材的優(yōu)勢(shì)性能，提供一定的初始剛度，耗能能力穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于型鋼混凝土連梁和鋼連梁.

對(duì)于型鋼混凝土連梁，呂西林等［6］提出3 種不同功能用途的保險(xiǎn)絲，試驗(yàn)結(jié)果表明，保險(xiǎn)絲具有有穩(wěn)定的耗能能力以及良好的低周疲勞劣化特性，3 種保險(xiǎn)絲各有特點(diǎn)，能適應(yīng)不同連梁跨度的結(jié)構(gòu).隨后，呂西林等［7-8］為進(jìn)一步研究了可更換保險(xiǎn)絲連梁的抗震性能，設(shè)計(jì)了帶可更換連梁的混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)（圖3）.與鋼筋混凝土連梁結(jié)構(gòu)相比，損傷集中在保險(xiǎn)絲上，具有良好的耗能能力.但在強(qiáng)震中保險(xiǎn)絲突然失效后，設(shè)置可更換連梁的結(jié)構(gòu)的層間位移和樓層加速度變大.范重等［9］針對(duì)保險(xiǎn)絲與連梁連接節(jié)點(diǎn)問題，提出帶齒形鍵槽的可更換連梁.該可更換連梁傳力可靠，構(gòu)造簡單，可有效減小結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間位移角，降低破壞程度.此外，研究發(fā)現(xiàn)型鋼混凝土連梁的非耗能梁段出現(xiàn)大量裂紋、混凝土剝落等問題，增加震后的修復(fù)難度與成本.

圖3 設(shè)置帶可更換連梁的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型［7］Fig.3 Structural model with replaceable coupling beam[7].

對(duì)于鋼連梁，F(xiàn)ORTNEY 等［10］提出可更換保險(xiǎn)絲鋼連梁，研究發(fā)現(xiàn)該保險(xiǎn)絲熔斷，連接結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力與延性.在此基礎(chǔ)上，SHAHROOZ等［11］改良了該可更換保險(xiǎn)絲鋼連梁（圖4），研究表明，可更換保險(xiǎn)絲鋼連梁的耗能能力良好，因保險(xiǎn)絲為主要的耗能部件，連梁損傷主要集中在保險(xiǎn)絲上，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度沒有大幅度降低，有效減小了連梁與墻肢的塑性變形.紀(jì)曉東等［12-13］研究鋼連梁的抗震性能發(fā)現(xiàn)連梁會(huì)發(fā)生加勁肋-腹板焊縫斷裂或翼緣-端板焊縫斷裂，并提出端板-抗剪鍵或連接板連接是有效的連接方式，這種連接方式傳力可靠、耗能穩(wěn)定且易于更換［14］.

圖4 帶保險(xiǎn)絲的可更換鋼連梁［11］Fig.4 Overview of replaceable steel coupling beams with a midspan fuse[11].

為進(jìn)一步研究可更換鋼連梁的抗震性能，學(xué)者們還考慮了鋼筋混凝土樓板的影響［15-18］，發(fā)現(xiàn)減小耗能梁段的長度，能夠提高結(jié)構(gòu)的承載力、抗側(cè)壓剛度、耗能梁段的極限塑性轉(zhuǎn)角和超強(qiáng)系數(shù)，且樓板與可更換鋼連梁分隔能有效減小樓板的損傷，但降低了結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力.此外，鋼連梁在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，鋼腹板往往會(huì)發(fā)生平面外失穩(wěn)，因此必須采取設(shè)置水平或豎向加勁肋等措施防止或延緩腹板屈曲，以保證結(jié)構(gòu)的安全.

2.1.2 削弱連梁鋼腹板截面

在實(shí)腹式鋼連梁的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼連梁的跨高比較小時(shí)，在地震作用下連梁的主拉應(yīng)力與主壓應(yīng)力呈對(duì)角交叉分布.通過削弱連梁鋼腹板應(yīng)力小的截面，進(jìn)而提出鋼桁架連梁.該連梁通過弦桿承受彎矩，腹桿承受剪力，這種受力模式更符合連梁在地震作用下的實(shí)際受力情況.鄧志恒等［19-20］提出一種新型鋼組合桁架連梁（圖5），發(fā)現(xiàn)該鋼桁架連梁具有較高的承載力與良好的延性，耗能能力良好，設(shè)置交叉腹桿能提高整體剛度，能更好地發(fā)揮鋼材的性能.隨后，提出剛度比與面積比的概念，即當(dāng)腹桿截面過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致弦桿過快發(fā)生彎曲破壞，當(dāng)弦桿過大時(shí)會(huì)減小腹桿的耗能能力.通過優(yōu)化連梁的抗震設(shè)計(jì)方法，能有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能［21］.

圖5 新型鋼桁架連梁［20］ （a）試驗(yàn)裝置；（b）結(jié)構(gòu)破壞模型Fig.5 (a)Test device and(b)structural failure model of novel type of steel truss coupling beam[20].

鋼桁架連梁在地震作用下主要通過斜腹桿塑性變形耗散能量，因此通過提高腹桿的耗能能力，進(jìn)而能提高鋼桁架連梁的抗震性能.學(xué)者們開發(fā)了防屈曲約束腹桿［22-25］和帶摩擦裝置腹桿［26］，并應(yīng)用于可更換桁架連梁［27-28］（圖6）.研究表明帶腹桿的可更換鋼桁架連梁能夠減小層間位移，降低梁和墻肢的轉(zhuǎn)角，有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能.但是存在以下問題：①鋼桁架結(jié)構(gòu)的桿件連接較為復(fù)雜，增加施工難度；②鋼桁架連梁削弱整體剛度，腹桿可能發(fā)生面外失穩(wěn)，降低耗能能力；③不適用于高跨比較小的連梁.

圖6 可更換鋼桁架連梁［28］Fig.6 (Color online)Replaceable steel truss coupling beam[28].

為解決腹桿屈曲問題，有學(xué)者提出由鋼腹板代替腹桿的可更換鋼桁架連梁［29-30］（圖7），發(fā)現(xiàn)鋼腹板提高了連梁的強(qiáng)度與剛度，試件均為延性破壞，鋼腹板的非彈性變形較為集中，具有良好的變形和耗能能力.但鋼腹板在大變形下仍會(huì)發(fā)生平面外失穩(wěn)，可以在鋼腹板兩側(cè)采用高阻尼混凝土蓋板提高約束作用，有效防止鋼腹板過早發(fā)生面外失穩(wěn)［31］.

圖7 可拆卸式消能減震鋼桁架連梁［29］Fig.7 Replaceable steel truss coupling beam with energy dissipating devices[29].

2.2 附加耗能裝置

由于保險(xiǎn)絲的殘余變形較大以及鋼桁架連梁的桿件連接較為復(fù)雜，震后更換的難度大，因此學(xué)者們嘗試通過在連梁附加耗能裝置以提高耗能能力，變形主要集中在耗能裝置上，以減小墻肢以及連梁的損傷.耗能裝置包括單一耗能裝置與復(fù)合耗能裝置.單一耗能裝置主要分為兩類：一類是位移相關(guān)型的金屬阻尼器與摩擦阻尼器，另一類是速度相關(guān)型的黏彈性阻尼器.復(fù)合耗能裝置由兩個(gè)或兩個(gè)以上的阻尼器協(xié)同工作，能發(fā)揮各自阻尼器的性能優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的工程應(yīng)用前景.

2.2.1 單一耗能裝置

黏彈性阻尼器是通過流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生粘滯阻力的原理制成的，在小位移變形即可發(fā)揮耗能作用.LYONS 等［32］提出一種帶黏彈性耦合阻尼器的可更換連梁方案（圖8），該連梁由削弱截面的保險(xiǎn)絲與黏彈性阻尼器組成，削弱截面的保險(xiǎn)絲能在黏彈性阻尼器達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)，發(fā)揮耗能作用以保護(hù)黏彈性阻尼器.研究表明，該連梁能有效減小小震作用下的層間位移、加速度以及樓層剪力，并且大幅度降低了震后修復(fù)成本［32］.但MONTGOMERY 等［33-34］發(fā)現(xiàn)該阻尼器的抗震性能在中、大震作用下效果不明顯.此外，黏彈性阻尼器的力學(xué)性能可能受溫度、加載頻率的影響，加工制作比較困難，價(jià)格較高，目前在實(shí)際工程中應(yīng)用較少.

圖8 黏彈性耦合阻尼器［32］Fig.8 (Color online)Viscoelastic coupling damper [32].

摩擦阻尼器具有較好的庫侖特性，通過產(chǎn)生較大的附加阻尼耗散能量.與黏彈性阻尼器相比，摩擦阻尼器的滯回曲線飽滿，能提供一定的初始剛度.因此，CHUNG 等［35］提出一種帶摩擦阻尼器的可更換鋼連梁（圖9），外部構(gòu)件與鋼連梁通過螺栓連接，中間層采用摩擦板提高可更換連梁的耗能能力，非線性時(shí)程分析結(jié)果表明新型結(jié)構(gòu)耗能能力良好，能有效減小頂層水平位移和結(jié)構(gòu)損傷.摩擦面是摩擦阻尼器力學(xué)性能的關(guān)鍵，采用由專用摩擦材料制成的剎車片作為摩擦面能獲得優(yōu)異的性能，耗能效果更好［36］.在此基礎(chǔ)上，曲哲等［37］考慮了混凝土樓板的影響，擬靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)連梁弦轉(zhuǎn)角為4%時(shí)，RC 樓板出現(xiàn)6 mm 寬的彎曲裂縫，樓板損傷嚴(yán)重，可能會(huì)影響建筑結(jié)構(gòu)震后恢復(fù)功能.此外，摩擦阻尼器在長期使用過程中，摩擦材料會(huì)因冷凝固或冷粘結(jié)改變摩擦系數(shù)，不僅增加了后期維護(hù)成本，也會(huì)影響其正常使用功能.

圖9 帶摩擦阻尼器可更換鋼連梁［35］ （a）立面圖；（b）剖面圖Fig.9 (Color online)(a)Elevation and(b)profile of steel replaceable coupling beam with friction damper[35].

與其他類型阻尼器相比，金屬阻尼器的性能更加全面.一方面，金屬阻尼器不需要任何能量輸入或控制命令，具有穩(wěn)定的耗能能力；另一方面，金屬阻尼器成本低，后期維護(hù)簡單.因此，學(xué)者們研發(fā)了一系列的帶縫軟鋼連梁阻尼器［38-39］與剪切鋼板連梁阻尼器［40-42］（圖10）.金屬連梁阻尼器具有穩(wěn)定的耗能能力，能有效提高連梁的等效阻尼比；帶金屬阻尼器的可更換連梁結(jié)構(gòu)的耗能能力強(qiáng)，損傷集中在阻尼器中，能有效減小結(jié)構(gòu)損傷.值得注意的是，金屬連梁阻尼器不應(yīng)完全代替整個(gè)連梁，因而使得連梁的跨高比增大，容易導(dǎo)致鋼板發(fā)生面外屈曲［43-44］.另外，由于可更換連梁變形集中在阻尼器中，產(chǎn)生了較大的豎向變形，這可能會(huì)對(duì)樓板造成損傷［45］.

圖10 金屬連梁阻尼器［42］Fig.10 Metallic coupling beam damper[40].

然而，這些金屬連梁阻尼器只有一個(gè)屈服點(diǎn)，不能適應(yīng)不同烈度地震.為此，潘鵬等［46］研發(fā)一種新型鋼制雙級(jí)屈服連梁阻尼器（圖11）.該阻尼器由2個(gè)彎曲構(gòu)件與1個(gè)剪切構(gòu)件組成，在中震作用下，剪切構(gòu)件先屈服耗能而彎曲構(gòu)件保持彈性狀態(tài)；在大震作用下，彎曲構(gòu)件發(fā)生屈服，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)屈服耗能，提高連梁的耗能能力.試驗(yàn)結(jié)果表明試件均表現(xiàn)為雙階段屈服機(jī)制，耗能穩(wěn)定，試件斷裂時(shí)轉(zhuǎn)角振幅達(dá)到1/15，具有較大的變形能力.

圖11 鋼制雙級(jí)屈服連梁阻尼器［46］Fig.11 (Color online)Steel double-stage yielding coupling beam damper[46].

2.2.2 復(fù)合耗能裝置

單一阻尼器具有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，學(xué)者們結(jié)合不同阻尼器的特點(diǎn)，提出復(fù)合阻尼器，即將幾種不同類型的阻尼器組合協(xié)同工作，充分發(fā)揮各自阻尼器的性能優(yōu)勢(shì)，因而獲得更好的耗能能力.KIM等［47］提出一種由U型鋼與高阻尼橡膠組合的復(fù)合阻尼器（圖12），該復(fù)合阻尼器能降低結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，且在大變形條件下仍能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.隨后，中國學(xué)者們展開大量相關(guān)研究，研發(fā)了一系列的復(fù)合阻尼器，對(duì)提高可更換連梁的抗震性能具有重大意義.蔣歡軍等［48］研發(fā)，金屬-黏彈性復(fù)合阻尼器，陳云等［49］研發(fā)，O型鋼板-黏彈性復(fù)合阻尼器，王玉璋等［50］研發(fā)，黏滯性與黏彈性的高阻尼黏彈性橡膠阻尼器，周云等［51-52］研發(fā)鋼管鉛芯阻尼器與鉛-黏彈性復(fù)合阻尼器.這些復(fù)合阻尼器具備良好的抗側(cè)剛度，同時(shí)滿足不同變形情況下的耗能.與單一阻尼器相比，復(fù)合阻尼器的滯回曲線飽滿，耗能能力良好，并且可根據(jù)不同的性能要求調(diào)節(jié)復(fù)合阻尼器的設(shè)計(jì)參數(shù).

圖12 復(fù)合阻尼器［47］Fig.12 (Color online)Composite damper[47].

在復(fù)合阻尼器研究的基礎(chǔ)上，學(xué)者們進(jìn)一步研究附加復(fù)合阻尼器的可更換連梁的抗震性能.蔣歡軍等［53］對(duì)安裝金屬-黏彈性復(fù)合連梁阻尼器的高層建筑進(jìn)行數(shù)值分析（圖13），發(fā)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)的損傷集中在復(fù)合阻尼器，減小了混凝土非耗能梁段以及墻肢的損傷，能顯著改善高層建筑的抗風(fēng)性能與抗震性能，但新型結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與加速度響應(yīng)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)低.蔣歡軍等［54］隨后又提出帶O 型鋼板-黏彈性復(fù)合阻尼器的可更換連梁，該復(fù)合阻尼器能發(fā)揮黏彈性阻尼器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備金屬阻尼器良好的抗側(cè)剛度.當(dāng)變形較小時(shí)，僅黏彈性阻尼器耗能；當(dāng)變形較大時(shí)，兩阻尼器協(xié)同耗能，有效減小結(jié)構(gòu)的層間位移角和剪力墻損傷.周云等［55-56］也對(duì)附加復(fù)合阻尼器的可更換連梁進(jìn)行研究，證明了復(fù)合阻尼器耗能穩(wěn)定，有效減緩主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性破壞，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能.

圖13 可更換連梁示意圖［53］Fig.13 Schematic drawing of replaceable coupling beam[53].

2.3 提高連梁自復(fù)位能力

在可更換連梁基礎(chǔ)上引入彈性材料提供恢復(fù)力，能有效減小甚至消除結(jié)構(gòu)的殘余變形.若彈性材料沒有損壞，則構(gòu)件能發(fā)揮正常使用功能，無需修復(fù)或更換構(gòu)件，極大地降低了經(jīng)濟(jì)成本，具有良好的應(yīng)用前景.為此，通過改進(jìn)阻尼器的構(gòu)造措施以及改變構(gòu)件材料特性，能提高可更換連梁的自復(fù)位能力和耗能能力.

在構(gòu)造措施層次上，毛晨曦等［57］提出一種帶SMA 阻尼器的可更換連梁（圖14），連梁的變形集中在SMA 阻尼器上，能夠減小殘余變形，有效降低結(jié)構(gòu)的損傷［58］.應(yīng)注意的是，SMA阻尼器與墻肢的剛度比應(yīng)在合適的范圍，比值過大或者過小都會(huì)影響結(jié)構(gòu)的抗震性能［59］.錢輝等［60-61］提出一種自復(fù)位耗能連梁，對(duì)一幢10 層聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，發(fā)現(xiàn)自復(fù)位連梁能有效減小剪力墻結(jié)構(gòu)層間剪力和層間位移角，耗散大量能量，減少殘余位移，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)起到了很好的保護(hù)作用.

圖14 SMA阻尼器部件組裝圖［57］Fig.14 (Color online)Assembly parts of the SMA damper[57].

在材料特性層次方面，KURAMA 等［62］提出了一種后張拉預(yù)應(yīng)力筋鋼連梁，該鋼連梁通過預(yù)應(yīng)力筋貫穿連梁錨固在墻肢外表面，墻肢與連梁采用角鋼連接.該連梁具有良好的耗能能力與自復(fù)位能力，但連梁與墻肢界面發(fā)生較大的變形.采用混凝土對(duì)接觸界面進(jìn)行加固處理，能有效減小結(jié)構(gòu)的殘余變形［63-64］.在此基礎(chǔ)上，ZAREIAN等［65］提出由摩擦阻尼器代替角鋼耗能的方案，采用螺旋鋼筋焊接在預(yù)埋鋼板上以限制混凝土的變形，使其能夠承受壓應(yīng)力（圖15），試驗(yàn)結(jié)果表明，采用摩擦阻尼器的構(gòu)件具有良好的抗側(cè)向剛度、延性和耗能能力，能夠承受高達(dá)8%的非線性循環(huán)大變形，殘余位移較小，同時(shí)解決了角鋼低周疲勞斷裂問題.但墻肢一旦發(fā)生較大的位移變形，預(yù)應(yīng)力筋難以提供恢復(fù)力作用.

圖15 后張無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼連梁［65］Fig.15 (Color online)Post-tensioned steel coupling beam[65].

為了提高連梁的自復(fù)位能力，學(xué)者們采用SMA材料提高系統(tǒng)的變形能力.SMA具有形狀記憶效應(yīng)與超彈性性能，在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，卸載后能夠恢復(fù)初始形狀［66］.自復(fù)位連梁在地震作用下，梁的伸長效應(yīng)顯著，梁末端的混凝土損傷嚴(yán)重甚至破壞樓板.因此，在連梁兩端開縫，在間隙中設(shè)置抗剪鍵以保證連梁的抗剪切能力，彈性段與搖擺段通過SMA 或預(yù)應(yīng)力筋連接，可使得連梁在地震作用下不受梁伸長的影響實(shí)現(xiàn)中心線擺動(dòng)［67-69］，如圖16.在低周反復(fù)荷載作用下，空隙的存在能夠滿足梁的變形要求，從而減小甚至消除梁的伸長效應(yīng).目前SMA 材料價(jià)格依然昂貴，且SMA 的等效阻尼比較小，耗能能力有限，因此往往需要與其他材料協(xié)同工作.

圖16 自復(fù)位鋼連梁結(jié)構(gòu)示意圖［67］Fig.16 (Color online)Structural details of self-centering steel coupling beam[67].

3 本研究提出的新型自復(fù)位雙連梁

基于可恢復(fù)功能連梁的研究現(xiàn)狀，本研究提出一種新型的自復(fù)位雙連梁方案（圖17）.新型自復(fù)位雙連梁包括2 個(gè)非耗能梁段與1 個(gè)耗能梁段.非耗能梁段為鋼筋混凝土連梁，中間耗能梁段為低屈服點(diǎn)型鋼與SMA 棒，兩者之間通過高強(qiáng)螺栓連接.其中，SMA棒錨固在外伸的連接端板處.在非耗能段預(yù)埋錨筋提高端板與混凝土的連接能力，同時(shí)設(shè)置抗剪鍵以提高連梁的抗剪切能力.在地震作用下，自復(fù)位雙連梁由型鋼屈服耗能，SMA棒提供恢復(fù)力，減小結(jié)構(gòu)的損傷與殘余變形.

圖17 自復(fù)位雙連梁 （a）立面圖；（b）俯視圖Fig.17 (Color online)(a)Elevation and(b)vertical view of selfcentering double coupling beam.

與傳統(tǒng)連梁相比，雙連梁具有以下優(yōu)點(diǎn)：改變連梁的跨高比，有效地減小連梁的內(nèi)力；能夠根據(jù)功能需求個(gè)性化地設(shè)計(jì)每個(gè)單連梁的構(gòu)造［70-71］.因此，提出的新型自復(fù)位雙連梁能有效地解決可更換連梁在震后殘余變形較大的問題，同時(shí)降低連梁的內(nèi)力.鋼保險(xiǎn)絲能提供較大的初始剛度，具有良好的耗能.總的來說，新型自復(fù)位雙連梁既能發(fā)揮雙連梁的性能優(yōu)勢(shì)，也能根據(jù)震后的損傷程度修復(fù)或更換保險(xiǎn)絲，實(shí)現(xiàn)功能可恢復(fù)，因而具有廣闊的工程應(yīng)用前景.

4 結(jié) 論

1）可恢復(fù)功能連梁耗能穩(wěn)定，能有效降低結(jié)構(gòu)的層間位移，減小結(jié)構(gòu)主體的損傷，震后可對(duì)耗能梁段或連梁整體進(jìn)行更換.

2）可恢復(fù)功能連梁主要從削弱連梁截面、附加耗能裝置和提高連梁自復(fù)位能力3種途徑實(shí)現(xiàn).削弱連梁截面類型的連梁具有一定的初始剛度，但震后殘余位移較大；附加耗能裝置的連梁具有良好的耗能能力，但阻尼器變形過大會(huì)導(dǎo)致上部樓板嚴(yán)重破壞；自復(fù)位連梁能有效減小結(jié)構(gòu)的殘余位移，但其伸長效應(yīng)顯著.

3）提出一種新型自復(fù)位雙連梁，既能實(shí)現(xiàn)自復(fù)位與可更換功能，減小連梁的殘余變形，震后可更換耗能梁段，同時(shí)具備雙連梁的優(yōu)點(diǎn)，為改善剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震性能提供新的方法和途徑.