帶可更換耗能梁的結構體系研究進展

范文杰

(介休市建筑設計院，山西 介休 032000)

1 概述

地震是一種破壞力較大的自然災害，發生地震時會對城市和建筑物造成巨大破壞，同時也會給人類的生活帶來不便。我國所有地區都在6度及以上，發生地震時將面臨嚴重的震害風險[1-2]。

對于傳統的抗震設計理念，主要注重提高結構的抗震性能和保護人們的生命安全，忽略了震后結構的使用功能和可恢復功能。地震過后，損傷嚴重的構件修復困難或者成本較高，只能重建，既會造成資源的浪費，也會造成巨大損失[3-5]。為了保證地震過后結構功能的快速恢復，具有功能可恢復結構逐漸成為當前研究的熱點。在保證安全的情況下，通過更換受損構件，實現結構震后功能的快速恢復，從而減少建筑功能中斷的試件和修復的難度[6-8]。

目前，具有可恢復功能的可更換耗能梁主要運用到了剪力墻結構、框架結構以及框架-支撐結構體系中[9-10]。本研究將對不同體系中的可更換耗能梁進行總結，并對這種結構的未來發展前景進行分析與研究。可為今后具有可恢復功能的研究提供一定的理論基礎。

2 剪力墻結構中的可更換耗能梁

可更換耗能梁在剪力墻結構中的應用比較廣泛。Fortney等[11]針對剪力墻結構首次提出了可更換耗能梁的概念，即用鋼連梁代替原來的鋼筋混凝土連梁，并將連梁分為中間耗能段和兩側梁段，在地震作用下，塑性變形和損傷能夠集中在中間耗能段，并且震后受損的耗能段易于更換。紀曉東針對剪力墻結構進一步發展了可更換鋼連梁，如圖1所示，該梁由中間耗能段和兩側非耗能段組成，通過研究表明：這種結構具有較好的變形能力和耗能能力，震后能夠快速更換受損構件以達到快速恢復結構的使用功能。呂西林等[12]在鋼連梁跨中設置耗能構件，并提出三種不同類型的連梁保險絲，結果表明：在地震作用下，可更換連梁保險絲能集中損傷，而兩端的連接梁能夠始終保持彈性狀態。

綜上所述，在剪力墻結構中，帶可更換耗能梁的結構抗震性能和可更換性能較好，并且震后更換方便，目前，可更換耗能梁在剪力墻結構中的理論研究已經十分成熟，通過研究表明：這種結構在實際工程中有一定的實用價值，有待在實際工程中作進一步的驗證。

3 框架結構中的可更換耗能梁

近年來，可更換耗能梁在框架結構中的研究也取得了一定的進步。謝魯齊等[13-14]提出一種新型可更換耗能鋼梁，并將這種耗能鋼梁用于裝配式混凝土框架中，結果表明：試件的塑性變形僅出現在指定的耗能構件中，震后通過更換耗能構件即可實現結構功能的恢復。

邵鐵峰等[15]提出一種可更換鋼梁，如圖2所示。通過角鋼將鋼梁中間段與端部連接，角鋼主要承受地震作用下產生的損傷，而梁段則保持彈性。結果表明：角鋼能夠在地震作用下快速更換，并且結構的抗震性能較好。張浩等[16-17]提出了一種在鋼框筒裙梁跨中設置可更換耗能梁的結構，如圖3所示，通過研究表明：耗能梁段具有穩定的滯回耗能能力，結構的變形能力較好，并且能集中損傷。

綜上所述，根據現有成果，可更換耗能梁在框架結構中的研究較少，應用主要集中在可更換梁端設置可更換耗能連接件，震后通過更換受損耗能連接件來恢復結構的使用功能，需對框架結構中的可更換耗能梁做進一步的研究，從而能夠更好的運用到實際工程中去。

4 框架-支撐結構中的可更換耗能梁

可更換耗能梁在框架-支撐結構中的應用，主要集中在偏心支撐框架的耗能梁段和支撐上。Mansour[18]等將可更換耗能梁的原理引入到了偏心支撐的耗能梁段中，通過研究表明：這種帶可更換耗能梁的結構塑性變形能力較好，延性較高，可更換殘余層間位移角較大，當可更換參與位移角為0.005時，能夠快速簡便的更換受損耗能段。吳徽等[19]將可更換防屈曲支撐用于RC框架中，通過對模型進行了擬靜力試驗，結果表明：變形與損傷主要集中在防屈曲支撐中，提高了框架結構的延性和抗震性能，并且通過更換受損的防屈曲支撐可迅速恢復結構功能，試件形式如圖4所示。吳瑞堯[20]提出一種新型消能梁段，該消能梁段由高強鋼外框和軟鋼腹板組成，兩者共同耗能，并且軟鋼腹板能夠快速完成更換。消能梁形式如圖5所示。

綜上所述，可更換耗能梁在框架-支撐結構中的研究取得了一定的成果，根據現有的研究成果，可更換耗能梁主要運用到了偏心支撐的耗能梁段中，通過偏心支撐構件進行耗能，這種結構具有較好的可更換性和抗震性能，需對這種結構進行進一步的研究，從而設計出更加安全可靠的結構形式。

5 結語

通過對不同結構體系下可更換耗能梁的應用進行分析與研究，結果表明：

1)可更換耗能梁設計簡單，傳力明確，表現出較好的抗震性能和可更換性能，并且具有穩定的滯回耗能能力。

2)可更換耗能梁在剪力墻結構中的應用較為廣泛，地震過后，通過更換受損耗能段即可快速恢復結構的使用功能，而在框架結構和框架-支撐結構中的應用較少，需做進一步的研究。

3)可更換耗能梁能夠較好的滿足結構的可恢復性，能夠為可恢復結構的發展提供一定的理論基礎。