剪切屈服型可更换耗能梁的抗震性能研究
时间：2023-04-10 14:05:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
熊礼全，陈晓健，贾 真，李林燕，梁永清，门进杰
（1.重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404100；
2.重庆市万州区住房和城乡建设服务中心，重庆 404199；
3.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安， 710055）
近年来，震后功能可恢复（earthquake resilience）结构日益成为国内外地震工程的研究热点［1-2］。震后功能可恢复结构，是指应用摇摆、自复位、可更换及附加耗能装置等手段，在遭受地震（设防或罕遇）时保持可接受的功能水平、地震作用后不需修复或在部分使用状态下稍加修复即可恢复使用功能的结构形式［3］。目前，震后功能可恢复结构主要包括摇摆结构、自复位结构和可更换结构。其中：可更换结构体系具有构件集中损伤、残余变形小和震后功能恢复快等优点，在实际工程中应用较为广泛［4-6］。
可更换耗能构件作为可更换结构体系中的损伤单元，主要设置在剪力墙中连梁、框架结构梁端和偏心支撑结构中连梁等部位。纪晓东等［7］针对剪力墙结构设计了一种可更换的钢连梁，并对其抗震性能和可更换性进行了试验研究，结果表明：可更换钢连梁具有良好的变形能力和耗能能力，且震后便于更换；
SHEN等［8］提出在钢框架梁端设置了可更换钢梁，对其构件的损伤演变规律进行了研究；
为了增大钢框架的刚度和实现震后功能可恢复，DUSICKA等［9］提出了一种带可更换构件的双连肢钢框架结构，该结构由耗能框架和常规钢框架构成，在地震作用下能够实现结构构件的有序损伤和可更换构件的可更换性；
张浩等［10］提出在钢框筒结构中设置了可更换剪切型耗能梁，并能够实现震后可更换；
MANSOUR等［11］在偏心钢支撑结构中设了可更换连梁，并对可更换构件的受力性能和整体结构的可更换性进行了研究。在不同的结构体系中，通过设置可更换构件能够改善原结构的受力性能［1，5，12］，实现基于性能的多水准抗震设防目标，快速恢复结构的预定使用功能，实现了该结构体系的震后功能可恢复性。
为了实现钢-混凝土组合框架结构的震后功能可恢复，减少地震作用该结构体系的财产损失与人身伤亡。在前期研究的基础上［13］，提出了一种带可更换构件的混合框架结构体系，如图1所示。带可更换构件的混合框架结构由耗能框架和钢-混凝土混合框架构成，其中耗能框架由钢柱和可更换短钢梁构成，钢-混凝土混合框架由常规钢筋混凝土柱和钢梁构成。在地震作用下，带可更换构件的混合框架结构能够实现“小震不坏，中震可更换，大震不倒塌”的抗震设防目标［14］。然而，与剪力墙结构中的连梁相比，该结构中的可更换构件梁端约束程度较弱，且构件的高跨比更小；
与偏心支撑框架相比，可更换构件的接连方式有所不同，因此有必要研究此种可更换梁段的抗震性能。国内外学者研究表明［5-7，11］：与其他屈服型耗能梁相比，剪切屈服型耗能梁在承载力、变形能力和耗能能力等抗震性能更优。基于此，本文通过3个剪切型可更换耗能梁试件的拟静力试验，研究可更换耗能梁的损伤特征、承载力和变形能力。在此基础，通过有限元模型，进一步研究带可更换构件的混合框架结构的受力特征，为可更换结构体系的理论研究提供参考。
图1 带可更换构件的混合框架单元Fig.1 Fundamental components of hybrid frame with replaceable members
1.1 试件设计
以一栋带可更换耗能构件的混合框架结构为工程背景［15］，该建筑平面为30.0 m×16.5 m，建筑层高为3.0 m，结构总高度为9.0 m。结构的抗震设防烈度为8度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，Tg为0.35 s。以该混合结构中可更耗能梁为原型，结合整体的受力特征和震后功能可恢复，试验共设计了3个可更换剪切型耗能梁试件，试件的截面尺寸为H400×200×10×18 mm，试件梁端与钢柱采用端板螺栓连接，试件RL1、试件RL2和试件RL3的长度系数分别为0.68、0.86和1.05。其中：试件RL1的几何尺寸和构造如图2所示。除试件长度不同外，其他两试件RL2和RL3的相关设计参数均与试件RL1相同。钢柱的截面尺寸为H600×400×18×25 mm。
图2 可更换耗能梁尺寸和构造Fig.2 Dimensions and details of replaceable links
试件的翼缘、腹板宽厚比限值及加劲肋布置间距等相关参数均满足规范AISC（341-16）［16］和《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）［17］要求。试件的翼缘采用Q345B钢，腹板、加劲肋和端板均采用Q235B钢，为避免加劲肋与腹板、翼缘交汇处焊接热影响区过早损伤，加劲肋角部部分切割。表1为单向拉伸材性试验得到的钢材材料性能。
表1 钢材性能Table 1 Material properties for steel
1.2 加载装置与加载制度
可更换耗能梁-钢柱组合件的试验加载装置与量测如图3所示，钢柱与地面采用铰接，双柱柱顶端采用刚性杆连接，可更换耗能梁与钢柱采用可拆卸的高强螺栓连接。为防止加载过程中组合件发生侧向变形，试验中设计了侧向支撑。试验测量了可更换耗能梁、钢柱等构件的位移、荷载和应变。试验采用柱顶位移加载，加载制度如图4所示，当试件出现承载力下降至极限荷载的85%时，停止加载。
图3 加载装置与量测Fig.3 Test setup and instrumentation
图4 加载制度Fig.4 Loading scheme for specimens
2.1 试件破坏
为了较好的反映试件的受力过程，在试件外表面刷一层石灰粉，通过石灰粉脱落表征试件的实际受力过程，试件RL1的变形与破坏特征如图5和图6（a）所示。加载至0.007 5 rad时，试件腹板首先开始屈服；
加载至0.02 rad时，腹板石灰层基本全部脱落，加劲肋角部开始屈服，如图5所示；
加载至0.05 rad时，加劲肋端部轻微屈曲，加劲肋-腹板焊缝开始撕裂，如图6（a）所示；
加载至0.07 rad时，试件腹板凹凸深度达2.0 mm，腹板屈曲严重且沿着加劲肋角部形成屈曲条带；
加载至0.09 rad时，腹板撕裂，加载结束。试件RL2和试件RL3的变形、破坏特征与试件RL1类似，不再重复阐述，试件的破坏特征如图6（b）和6（c）所示。
图5 试件RL1的变形特征Fig.5 Deformation characteristics of specimen RL1
根据各试件的变形与损伤特征，判断各试件均发生剪切屈服型破坏，破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂，这跟国内外其他学者的试验结果类似［6-8，10，11］。试件首先在加劲肋焊缝处产生损伤，其主要原因为腹板与加劲肋交汇处的焊缝热影响区残余应力大［18］，往复荷载作用下塑性变形集中所致。
2.2 滞回曲线
各试件剪力-剪切转角（V-γ）滞回曲线如图7所示。由图7可知：（1）各试件滞回曲线饱满，耗能能力好。屈服前曲线狭窄细长，残余变形小，耗能能力较小；
屈服后曲线所包围的面积逐渐增大，耗能能力增强。（2）随着变形的增大，试件的受剪承载力强化明显，直到破坏前没有出现承载力明显下降。（3）长度系数对剪切屈服型试件的滞回曲线影响较小。长度系数越大，滞回曲线的饱满程度相对减弱，试件的极限承载力降低。
图7 试件剪力-转角滞回曲线Fig.7 Hysteretic loops
2.3 骨架曲线
试件的骨架曲线如图8所示，图中Vpn为试件实测屈服剪力（采用钢材的实测屈服强度乘以实测截面面积）。由图8可见：在试件屈服前，各试件的刚度基本相同。屈服后，随着位移的增加，各试件承载力缓慢增加；
长度系数对试件屈服后的承载力有一定影响，随着往复加载循环次数的增加，试件承载力强化提前，试件的超强系数均值超过1.9［7］，大于POPOV等［19］的建议值1.5；
各试件均有良好的变形达0.09 rad，满足美国规范AISC（341-16）［16］关于耗能梁变形限值规定。
图8 骨架曲线Fig.8 Skeleton curve
为了明确带可更换构件的混合框架结构的受力特征，采用SAP2000有限元软件对整体结构进行非线性静力分析，研究整体结构的损伤特征、承载力和可更换构件的可更换性能等受力特征。
3.1 结构设计
某工程为带可更换构件的RCS混合框架结构体系，结构为3层，每层3.0 m，总高度9.0 m，建筑平面30.0 m×16.5 m，如图9所示。结构抗震设防烈度为8度，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，特征周期Tg为0.35 s，结构阻尼比取值0.05。为了增大耗能框架的变形能力，常规钢梁与钢柱采用铰接，耗能框架中钢柱与基础采用铰接［20］。可更换梁与试验中试件的截面尺寸相同，钢柱和框架梁的截面尺寸分别为H600×400×14×25 mm和H400×250×13×24 mm，混凝土柱的截面为500×500 mm2。框架梁与钢柱的钢材采用Q235，混凝土采用C40，钢筋采用HRB400级。
图9 混合框架示意图Fig.9 Schematic diagram of hybrid frame with replaceable members
3.2 塑性铰的设置
在可更换梁中间位置设置剪切铰，剪切铰模型采用RICHARDS［21］和RAMADAN等［22］提出耗能梁模型，具体参数参考前文中试验实测数据。其他构件均采用软件默认铰，在钢梁梁端设置弯曲铰，钢柱与混凝柱柱端均设置P-M3铰，各构件塑性铰的布置如图10所示。
图10 塑性铰布置图Fig.10 Layout of plastic hinges
3.3 受力分析
3.3.1 构件的屈服顺序
图11给出了混合结构塑性铰的发展过程，括号中的数值表示结构的顶层层间位移。由图11可知：在整个加载过程中，带可更换构件的混合框架结构中各构件的塑性铰出铰顺序为：可更换梁首先受剪屈服，形成剪切铰，然后各层框架中钢梁梁端受弯屈服，最终底层柱脚形成塑性铰达到极限状态。各层可更换梁受剪屈服参与耗能为第一道抗震防线，框架结构中钢梁受弯屈服为第二道抗震防线，符合抗震设计的多道、分层次设防抗震理念。可更换梁开始屈服到钢梁屈服的结构顶层层间位移范围为0.33%～1.58%，由此可知：可更换梁具有良好的震后可更换性。
图11 结构塑性铰状态Fig.11 Plastic hinge state of structure
3.3.2 结构的基底剪力-顶点位移曲线
图12给出了算例结构的基底剪力-层间位移角曲线。由图可知：在整个推覆过程中，结构基底剪力随着结构层间位移角不断增加，结构具有较强的承载力和变形能力。混合框架结构经历了弹性阶段、弹塑性阶段和防倒塌阶段，其中弹塑性阶段包括可更换梁可更换阶段和框架可修复阶段。
图12 混合结构的剪力-位移曲线Fig.12 Shear-displacement curves of structure
（1）该试验的可更换耗能梁段试件为剪切屈服型，破坏特征包括腹板-加劲肋焊缝撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂。
（2）各试件的滞回曲线非常饱满，具有优异的承载能力、变形能力和耗能能力。
（3）随着长度系数的增加，剪切型试件的承载力变化不明显，试件的超强系数平均值超过1.9。
（4）带可更换构件的混合框架结构中各构件能够实现可更换梁首先剪切屈服，钢梁弯曲屈服，柱屈服的屈服机制，具有较好的震后功能可恢复能力。
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