新型可更換鋼連梁設計及其靜力性能研究*

侯俊濤，金曉飛，王化杰，錢宏亮，崔婧瑞，于永澄，范 峰

(1.哈爾濱工業大學(威海)海洋工程學院，山東 威海 264200； 2.中國建筑一局(集團)有限公司，北京 100161；3.哈爾濱工業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

剪力墻結構和框架-剪力墻結構是目前高層結構中最常用的結構形式，而連梁則是這些結構中最為重要的耗能構件，但是傳統的一體式鋼筋混凝土連梁由于耗能能力、變形能力都相對較差，尤其是震后修復困難，難以滿足震后功能可恢復的要求。為減輕建筑功能受地震影響，減小結構在地震作用下損壞后的修復難度和成本，學者們提出了用鋼連梁替代鋼筋混凝土連梁。相較于鋼筋混凝土連梁，鋼連梁具有更好的耗能能力和便于拆卸安裝的特點，更加符合震后快速修復的需求,因此用可更換的鋼連梁來代替鋼筋混凝土連梁逐漸成為了該類結構的技術研究熱點[1-2]。國內外學者對其性能進行了各種研究并設計了許多形式的鋼連梁。Mc Daniel等[3]在2003年對損傷后的工字鋼梁試件進行研究并分析了其可更換性能；Fortney等[4]在 2007年做了可更換“保險絲”鋼連梁的試驗，使連梁破壞集中于跨中削弱段，易于替換；Lyons等[5]發明了一種連梁黏彈性連接阻尼器，在小震作用下效果明顯，易于更換；毛晨曦等發明了一種新型形狀記憶合金阻尼器，并將該阻尼器應用在連梁上，構成可更換連梁，經過試驗發現：安裝阻尼器的連梁能夠將變形集中于跨中阻尼器，大大減小了連梁的損傷[6-7]；紀曉東等[8-9]在2015年提出了一種三段式新型可更換鋼連梁，該可更換鋼連梁由兩側的主梁段與中間的可更換梁段組成。經過試驗發現：可更換鋼連梁的承載力較高，塑性變形能力和滯回耗能能力均較好，具有較好的抗震性能。

但是上述研究中，鋼連梁的設計和連接更換都沒有考慮結構震后變形導致的非消能梁段間軸向長度縮短，實際情況中連梁軸向長度的縮短會大大增加可更換鋼連梁的更換難度，如圖1所示，L1>L2。因此本文設計了一種軸向長度可調的新型可更換鋼連梁(以下簡稱新型鋼連梁)，解決軸向長度變化所帶來的鋼連梁更換難題。并對這種新型鋼連梁進行了精細化有限元建模，分析其在靜力作用下的力學性能，掌握新型鋼連梁的剛度、承載力等關鍵力學指標，并研究了連梁與中間連接件不同連接長度和不同中間連接件截面特性對其力學性能的影響，為新型鋼連梁的進一步應用提供了理論支持。

圖1 可更換連梁變形前后對比

1 新型鋼連梁的設計與安裝方法

1.1 新型鋼連梁

新型鋼連梁構造如圖2所示，主要由兩側的非消能梁段和中間的消能梁段組成，非消能梁段采用工字鋼梁，消能梁段采用空心圓管式鋼梁。兩個消能梁段都有螺栓孔，通過中間消能梁長度調節連接件(下稱中間連接件)實現連接和軸向長度調整；消能梁和非消能梁則通過端板、高強螺栓以及剪力鍵連接，該節點除了具有傳統可更換鋼連梁的耗能和傳力優點外，還具有連梁長度可調、震后殘余角容差大、施工安裝更加方便、震后修復更加快速等優點。

圖2 新型鋼連梁構造

1.2 新型連接梁設計

1)消能梁段鋼連梁的設計

為了更好地評價新型鋼連梁的性能特點，以課題組前期研究的工字鋼連梁幾何特性為依據，按照薄壁圓管與工字鋼抗彎截面模量相等的原則設計本文所研究新型鋼連梁的尺寸。課題組前期研究的鋼連梁消能梁段采用Q235鋼，尺寸如圖3所示[10]；最終確定新型鋼連梁消能梁段選用Q235鋼；外層圓管直徑400mm，壁厚14mm，長度220mm，屈服剪力為1 197kN。消能梁段如圖4所示。

圖3 前期研究工字消能梁尺寸

圖4 消能梁段示意

2)非消能梁段鋼連梁設計

對于非消能梁段，本文中新型鋼連梁采用與課題組前期研究鋼連梁相同的結構形式[10]，尺寸如圖5所示。采用Q345鋼，屈服剪力為2 981kN，非消能梁段屈服剪力高于消能梁段，滿足設計要求。非消能梁段如圖6所示。

圖5 前期研究工字非消能梁尺寸

圖6 非消能梁段示意

3)中間連接件設計

中間連接件如圖7所示，主要起連接新型鋼連梁消能梁段，調節軸向長度以便震后更換的作用。中間連接件截面采用正六邊，以方便施加扭矩調節連接螺栓長度，正六邊形厚度定為60mm。根據規范[11]規定的螺紋尺寸對中間連接件螺紋進行設計，如圖8所示，連接件一側螺栓長度設計為70mm，螺紋細部如圖9所示。

圖7 連接件示意

圖8 螺紋示意

圖9 螺紋細部

1.3 安裝方法

新型鋼連梁的施工過程主要可以分為以下幾個步驟(見圖10)。

圖10 施工步驟

1)步驟1 按照設計長度將中間連接件與消能梁段通過螺栓連接，擰緊。

2)步驟2 將連接好的消能梁段提升到對應高度與非消能梁段進行定位。

3)步驟3 轉動中間連接件，調整消能梁段軸向長度到非消能梁段間距，卡緊消能梁與非消能梁并對好螺栓孔位。

4)步驟4 將消能梁段端板和非消能梁段端板通過高強螺栓以及剪力鍵連接。

2 有限元模型建立及分析方案

使用ABAQUS軟件對新型鋼連梁進行建模，并根據美國規范AISC 341—10，對基礎方案進行模擬，確定其靜力性能。

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2.1 有限元建模

1)材料本構設置

有限元模型材料除對薄壁圓管和中間連接件處采用Q235鋼外，其余部件均采用Q345鋼，螺栓均為10.9級M27摩擦型高強螺栓。

模型采用理想彈塑性模型，使用Mises屈服準則，關鍵材料參數如表1所示。

2)接觸設置

在ABAQUS中設置剛度相對較大的面作為主動面，另一個作為從動面，且從動面網格劃分更細一些。接觸面法向定義為“硬接觸”，切向定義為“庫倫摩擦”，摩擦系數取0.20，使模擬結果更符合實際情況。

3)邊界條件

將連梁一端完全固定，另一端限制x，z方向位移與x，y，z方向轉角，并在位移端將截面耦合到RF-1點，采用位移控制加載，強迫梁端位移75mm(即剪切角0.05rad)。

4)單元選取與網格劃分

為使模型的計算結果更加精確，本文建立的模型采用三維六面體實體單元。對螺栓部分，中間連接件螺紋部分以及消能梁段的螺紋部分對網格進行加密處理；非消能梁段因其較為規則且被認為不進入塑性階段，所以網格劃分適當放寬。

2.2 分析方案

表2 新型鋼連梁有限元模擬分析方案

3 鋼連梁靜力性能模擬分析

3.1 L50B30模擬結果

L50B30的剪力-剪切角曲線如圖11所示，可以看出，在加載初期即剪切角在0.004 8rad之前，剪力與剪切角線性關系基本保持良好，初始剛度約為243 333kN/rad，但當剪切角達到0.004 8rad，剪力達到1 168kN后，新型鋼連梁開始屈服，剛度開始下降，最終極限剪力為1 355kN。

圖11 L50B30剪力-剪切角曲線

圖12為L50B30的應力云圖，可以看出，新型鋼連梁整體受力性能良好，L50B30的破壞模式主要為消能梁段薄壁圓管屈曲破壞，中間連接件變形較小，連接部位螺紋可以保持彈性，能滿足震后連梁易于拆卸的設計目的。

圖12 L50B30的應力云圖

3.2 新型鋼連梁連接長度影響分析

對比方案組1的剪力-剪切角曲線如圖13所示，通過減小中間連接件螺栓的連接長度以研究新型鋼連梁連接長度對其靜力性能的影響。可以看出，隨著中間連接件螺栓連接長度的減小，在連接長度從50mm減小到40mm時新型鋼連梁的剛度、屈服剪力以及極限剪力并沒有明顯變化，但是在連接長度減小到30mm時，其剛度、屈服剪力與極限剪力驟降，在剪切角達到0.015 3rad后新型鋼連梁不能繼續承載，發生破壞，極限剪力為1 100kN。

圖13 對比方案組1各模型剪力-剪切角曲線

圖14為L30B30的應力云圖，可以看出，此時新型鋼連梁的破壞模式較L50B30發生了明顯變化，由耗能梁段薄壁圓管屈曲破壞變為中間連接件螺栓拔出破壞，其在耗能梁段薄壁屈曲前中間連接件螺栓已經發生拔出，因此極限剪力大大下降并且剛度驟然減小，尚未達到設計的極限剪切角便已經發生破壞，不能滿足震后易于拆卸的設計要求，因此對于算例方案，為了保證連接位置不發生破壞，其連接長度應至少滿足40mm。

圖14 L30B30的應力云圖

3.3 中間連接件截面特性影響分析

對比方案組2的剪力-剪切角曲線如圖15所示，通過減小中間連接件的管壁厚度以研究不同中間連接件截面特性對新型鋼連梁靜力性能的影響。可以看出，中間連接件管壁厚度在≥17mm時，新型鋼連梁靜力性能并沒有隨管壁厚度的改變而改變；在中間連接件管壁厚度減小到16mm后，隨著中間連接件管壁厚度的減小，鋼梁的屈服剪力逐漸下降，不過極限剪力基本沒有變化。中間連接件管壁厚度減小到16mm時，其初始剛度為237 608kN/rad，屈服剪切角為0.004 6rad，屈服剪力1 093kN。

圖15 對比方案組2各模型剪力-剪切角曲線

圖16為L50B16的應力云圖，可以看出，此時新型鋼連梁的破壞模式較L50B30發生了明顯變化，破壞模式以耗能梁段屈曲以及中間連接件螺栓拔出為主。這主要是因為隨著中間連接件管壁厚度的降低，中間連接件的剛度和承載力也在逐漸降低，當中間連接件壁厚接近和低于消能梁鋼管部件厚度時，其破壞模式將由消能梁段薄壁圓管破壞轉變為二者協同破壞。因此中間連接件管壁厚度減小到16mm以后，其屈服剪力開始逐漸下降，中間連接件也將發生破壞，影響震后連梁的拆卸，所以對于算例方案，為了保證中間連接件不發生破壞，其中間連接件管壁厚度應至少滿足17mm。

圖16 L50B16的應力云圖

4 結語

本文對軸向長度可調的新型可更換鋼連梁進行了設計及性能研究，主要結論如下。

1)提出了一種新型軸向長度可調的可更換鋼連梁方案及其施工方法，有效解決了現有鋼連梁震后軸向距離變化所造成的更換困難問題。

2)建立了新型鋼連梁的精細化有限元模型，并對典型方案進行了設計和分析，結果表明，其破壞模式主要為消能梁段薄壁圓管屈曲破壞，可以滿足震后連梁易于拆卸的設計目的，其初始剛度為243 333kN/rad、屈服剪力為1 168kN、屈服轉角為0.004 8rad、極限剪力為1 355kN，為掌握新型鋼連梁的力學性能提供了依據。

3)新型鋼連梁的連接長度參數分析表明，當連接長度小于40mm后，其剛度、屈服剪力、屈服轉角與極限剪力明顯降低，破壞模式也由消能梁段薄壁圓管破壞轉變為中間連接件螺栓拔出破壞，因此為了保證連梁的拆卸更換，其連接長度設計應至少滿足40mm。

4)中間連接件截面特性參數分析表明，當中間連接件壁厚為17mm及以上時，連接件管壁厚度的改變對新型鋼連梁靜力性能沒有影響，當厚度小于17mm時，其剛度、屈服剪力、屈服轉角均隨著厚度的降低而逐漸減少，破壞模式也由消能梁段薄壁圓管破壞轉變為中間連接件與消能梁段薄壁圓管二者協同破壞，因此為了保證連梁的順利拆卸更換，其中間連接件壁厚設計應至少滿足17mm。