剪切屈服型可更換耗能梁的抗震性能研究

熊禮全，陳曉健，賈 真，李林燕，梁永清，門進杰

（1.重慶三峽學院土木工程學院，重慶 404100；2.重慶市萬州區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)服務(wù)中心，重慶 404199；3.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安， 710055）

引言

近年來，震后功能可恢復（earthquake resilience）結(jié)構(gòu)日益成為國內(nèi)外地震工程的研究熱點［1-2］。震后功能可恢復結(jié)構(gòu)，是指應用搖擺、自復位、可更換及附加耗能裝置等手段，在遭受地震（設(shè)防或罕遇）時保持可接受的功能水平、地震作用后不需修復或在部分使用狀態(tài)下稍加修復即可恢復使用功能的結(jié)構(gòu)形式［3］。目前，震后功能可恢復結(jié)構(gòu)主要包括搖擺結(jié)構(gòu)、自復位結(jié)構(gòu)和可更換結(jié)構(gòu)。其中：可更換結(jié)構(gòu)體系具有構(gòu)件集中損傷、殘余變形小和震后功能恢復快等優(yōu)點，在實際工程中應用較為廣泛［4-6］。

可更換耗能構(gòu)件作為可更換結(jié)構(gòu)體系中的損傷單元，主要設(shè)置在剪力墻中連梁、框架結(jié)構(gòu)梁端和偏心支撐結(jié)構(gòu)中連梁等部位。紀曉東等［7］針對剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種可更換的鋼連梁，并對其抗震性能和可更換性進行了試驗研究，結(jié)果表明：可更換鋼連梁具有良好的變形能力和耗能能力，且震后便于更換；SHEN等［8］提出在鋼框架梁端設(shè)置了可更換鋼梁，對其構(gòu)件的損傷演變規(guī)律進行了研究；為了增大鋼框架的剛度和實現(xiàn)震后功能可恢復，DUSICKA等［9］提出了一種帶可更換構(gòu)件的雙連肢鋼框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由耗能框架和常規(guī)鋼框架構(gòu)成，在地震作用下能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的有序損傷和可更換構(gòu)件的可更換性；張浩等［10］提出在鋼框筒結(jié)構(gòu)中設(shè)置了可更換剪切型耗能梁，并能夠?qū)崿F(xiàn)震后可更換；MANSOUR等［11］在偏心鋼支撐結(jié)構(gòu)中設(shè)了可更換連梁，并對可更換構(gòu)件的受力性能和整體結(jié)構(gòu)的可更換性進行了研究。在不同的結(jié)構(gòu)體系中，通過設(shè)置可更換構(gòu)件能夠改善原結(jié)構(gòu)的受力性能［1，5，12］，實現(xiàn)基于性能的多水準抗震設(shè)防目標，快速恢復結(jié)構(gòu)的預定使用功能，實現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)體系的震后功能可恢復性。

為了實現(xiàn)鋼-混凝土組合框架結(jié)構(gòu)的震后功能可恢復，減少地震作用該結(jié)構(gòu)體系的財產(chǎn)損失與人身傷亡。在前期研究的基礎(chǔ)上［13］，提出了一種帶可更換構(gòu)件的混合框架結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。帶可更換構(gòu)件的混合框架結(jié)構(gòu)由耗能框架和鋼-混凝土混合框架構(gòu)成，其中耗能框架由鋼柱和可更換短鋼梁構(gòu)成，鋼-混凝土混合框架由常規(guī)鋼筋混凝土柱和鋼梁構(gòu)成。在地震作用下，帶可更換構(gòu)件的混合框架結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)“小震不壞，中震可更換，大震不倒塌”的抗震設(shè)防目標［14］。然而，與剪力墻結(jié)構(gòu)中的連梁相比，該結(jié)構(gòu)中的可更換構(gòu)件梁端約束程度較弱，且構(gòu)件的高跨比更小；與偏心支撐框架相比，可更換構(gòu)件的接連方式有所不同，因此有必要研究此種可更換梁段的抗震性能。國內(nèi)外學者研究表明［5-7，11］：與其他屈服型耗能梁相比，剪切屈服型耗能梁在承載力、變形能力和耗能能力等抗震性能更優(yōu)。基于此，本文通過3個剪切型可更換耗能梁試件的擬靜力試驗，研究可更換耗能梁的損傷特征、承載力和變形能力。在此基礎(chǔ)，通過有限元模型，進一步研究帶可更換構(gòu)件的混合框架結(jié)構(gòu)的受力特征，為可更換結(jié)構(gòu)體系的理論研究提供參考。

圖1 帶可更換構(gòu)件的混合框架單元Fig.1 Fundamental components of hybrid frame with replaceable members

1 試驗研究

1.1 試件設(shè)計

以一棟帶可更換耗能構(gòu)件的混合框架結(jié)構(gòu)為工程背景［15］，該建筑平面為30.0 m×16.5 m，建筑層高為3.0 m，結(jié)構(gòu)總高度為9.0 m。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度，Ⅱ類場地，設(shè)計地震分組為第一組，Tg為0.35 s。以該混合結(jié)構(gòu)中可更耗能梁為原型，結(jié)合整體的受力特征和震后功能可恢復，試驗共設(shè)計了3個可更換剪切型耗能梁試件，試件的截面尺寸為H400×200×10×18 mm，試件梁端與鋼柱采用端板螺栓連接，試件RL1、試件RL2和試件RL3的長度系數(shù)分別為0.68、0.86和1.05。其中：試件RL1的幾何尺寸和構(gòu)造如圖2所示。除試件長度不同外，其他兩試件RL2和RL3的相關(guān)設(shè)計參數(shù)均與試件RL1相同。鋼柱的截面尺寸為H600×400×18×25 mm。

圖2 可更換耗能梁尺寸和構(gòu)造Fig.2 Dimensions and details of replaceable links

試件的翼緣、腹板寬厚比限值及加勁肋布置間距等相關(guān)參數(shù)均滿足規(guī)范AISC（341-16）［16］和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）［17］要求。試件的翼緣采用Q345B鋼，腹板、加勁肋和端板均采用Q235B鋼，為避免加勁肋與腹板、翼緣交匯處焊接熱影響區(qū)過早損傷，加勁肋角部部分切割。表1為單向拉伸材性試驗得到的鋼材材料性能。

表1 鋼材性能Table 1 Material properties for steel

1.2 加載裝置與加載制度

可更換耗能梁-鋼柱組合件的試驗加載裝置與量測如圖3所示，鋼柱與地面采用鉸接，雙柱柱頂端采用剛性桿連接，可更換耗能梁與鋼柱采用可拆卸的高強螺栓連接。為防止加載過程中組合件發(fā)生側(cè)向變形，試驗中設(shè)計了側(cè)向支撐。試驗測量了可更換耗能梁、鋼柱等構(gòu)件的位移、荷載和應變。試驗采用柱頂位移加載，加載制度如圖4所示，當試件出現(xiàn)承載力下降至極限荷載的85%時，停止加載。

圖3 加載裝置與量測Fig.3 Test setup and instrumentation

圖4 加載制度Fig.4 Loading scheme for specimens

2 試驗結(jié)果及其分析

2.1 試件破壞

為了較好的反映試件的受力過程，在試件外表面刷一層石灰粉，通過石灰粉脫落表征試件的實際受力過程，試件RL1的變形與破壞特征如圖5和圖6（a）所示。加載至0.007 5 rad時，試件腹板首先開始屈服；加載至0.02 rad時，腹板石灰層基本全部脫落，加勁肋角部開始屈服，如圖5所示；加載至0.05 rad時，加勁肋端部輕微屈曲，加勁肋-腹板焊縫開始撕裂，如圖6（a）所示；加載至0.07 rad時，試件腹板凹凸深度達2.0 mm，腹板屈曲嚴重且沿著加勁肋角部形成屈曲條帶；加載至0.09 rad時，腹板撕裂，加載結(jié)束。試件RL2和試件RL3的變形、破壞特征與試件RL1類似，不再重復闡述，試件的破壞特征如圖6（b）和6（c）所示。

圖5 試件RL1的變形特征Fig.5 Deformation characteristics of specimen RL1

根據(jù)各試件的變形與損傷特征，判斷各試件均發(fā)生剪切屈服型破壞，破壞特征包括腹板-加勁肋焊縫撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂，這跟國內(nèi)外其他學者的試驗結(jié)果類似［6-8，10，11］。試件首先在加勁肋焊縫處產(chǎn)生損傷，其主要原因為腹板與加勁肋交匯處的焊縫熱影響區(qū)殘余應力大［18］，往復荷載作用下塑性變形集中所致。

2.2 滯回曲線

各試件剪力-剪切轉(zhuǎn)角（V-γ）滯回曲線如圖7所示。由圖7可知：（1）各試件滯回曲線飽滿，耗能能力好。屈服前曲線狹窄細長，殘余變形小，耗能能力較小；屈服后曲線所包圍的面積逐漸增大，耗能能力增強。（2）隨著變形的增大，試件的受剪承載力強化明顯，直到破壞前沒有出現(xiàn)承載力明顯下降。（3）長度系數(shù)對剪切屈服型試件的滯回曲線影響較小。長度系數(shù)越大，滯回曲線的飽滿程度相對減弱，試件的極限承載力降低。

圖7 試件剪力-轉(zhuǎn)角滯回曲線Fig.7 Hysteretic loops

2.3 骨架曲線

試件的骨架曲線如圖8所示，圖中Vpn為試件實測屈服剪力（采用鋼材的實測屈服強度乘以實測截面面積）。由圖8可見：在試件屈服前，各試件的剛度基本相同。屈服后，隨著位移的增加，各試件承載力緩慢增加；長度系數(shù)對試件屈服后的承載力有一定影響，隨著往復加載循環(huán)次數(shù)的增加，試件承載力強化提前，試件的超強系數(shù)均值超過1.9［7］，大于POPOV等［19］的建議值1.5；各試件均有良好的變形達0.09 rad，滿足美國規(guī)范AISC（341-16）［16］關(guān)于耗能梁變形限值規(guī)定。

圖8 骨架曲線Fig.8 Skeleton curve

3 整體結(jié)構(gòu)的受力性能分析

為了明確帶可更換構(gòu)件的混合框架結(jié)構(gòu)的受力特征，采用SAP2000有限元軟件對整體結(jié)構(gòu)進行非線性靜力分析，研究整體結(jié)構(gòu)的損傷特征、承載力和可更換構(gòu)件的可更換性能等受力特征。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

某工程為帶可更換構(gòu)件的RCS混合框架結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)為3層，每層3.0 m，總高度9.0 m，建筑平面30.0 m×16.5 m，如圖9所示。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8度，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，特征周期Tg為0.35 s，結(jié)構(gòu)阻尼比取值0.05。為了增大耗能框架的變形能力，常規(guī)鋼梁與鋼柱采用鉸接，耗能框架中鋼柱與基礎(chǔ)采用鉸接［20］。可更換梁與試驗中試件的截面尺寸相同，鋼柱和框架梁的截面尺寸分別為H600×400×14×25 mm和H400×250×13×24 mm，混凝土柱的截面為500×500 mm2。框架梁與鋼柱的鋼材采用Q235，混凝土采用C40，鋼筋采用HRB400級。

圖9 混合框架示意圖Fig.9 Schematic diagram of hybrid frame with replaceable members

3.2 塑性鉸的設(shè)置

在可更換梁中間位置設(shè)置剪切鉸，剪切鉸模型采用RICHARDS［21］和RAMADAN等［22］提出耗能梁模型，具體參數(shù)參考前文中試驗實測數(shù)據(jù)。其他構(gòu)件均采用軟件默認鉸，在鋼梁梁端設(shè)置彎曲鉸，鋼柱與混凝柱柱端均設(shè)置P-M3鉸，各構(gòu)件塑性鉸的布置如圖10所示。

圖10 塑性鉸布置圖Fig.10 Layout of plastic hinges

3.3 受力分析

3.3.1 構(gòu)件的屈服順序

圖11給出了混合結(jié)構(gòu)塑性鉸的發(fā)展過程，括號中的數(shù)值表示結(jié)構(gòu)的頂層層間位移。由圖11可知：在整個加載過程中，帶可更換構(gòu)件的混合框架結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的塑性鉸出鉸順序為：可更換梁首先受剪屈服，形成剪切鉸，然后各層框架中鋼梁梁端受彎屈服，最終底層柱腳形成塑性鉸達到極限狀態(tài)。各層可更換梁受剪屈服參與耗能為第一道抗震防線，框架結(jié)構(gòu)中鋼梁受彎屈服為第二道抗震防線，符合抗震設(shè)計的多道、分層次設(shè)防抗震理念。可更換梁開始屈服到鋼梁屈服的結(jié)構(gòu)頂層層間位移范圍為0.33%～1.58%，由此可知：可更換梁具有良好的震后可更換性。

圖11 結(jié)構(gòu)塑性鉸狀態(tài)Fig.11 Plastic hinge state of structure

3.3.2 結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點位移曲線

圖12給出了算例結(jié)構(gòu)的基底剪力-層間位移角曲線。由圖可知：在整個推覆過程中，結(jié)構(gòu)基底剪力隨著結(jié)構(gòu)層間位移角不斷增加，結(jié)構(gòu)具有較強的承載力和變形能力。混合框架結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和防倒塌階段，其中彈塑性階段包括可更換梁可更換階段和框架可修復階段。

圖12 混合結(jié)構(gòu)的剪力-位移曲線Fig.12 Shear-displacement curves of structure

4 結(jié)論

（1）該試驗的可更換耗能梁段試件為剪切屈服型，破壞特征包括腹板-加勁肋焊縫撕裂、腹板屈曲和腹板撕裂。

（2）各試件的滯回曲線非常飽滿，具有優(yōu)異的承載能力、變形能力和耗能能力。

（3）隨著長度系數(shù)的增加，剪切型試件的承載力變化不明顯，試件的超強系數(shù)平均值超過1.9。

（4）帶可更換構(gòu)件的混合框架結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)可更換梁首先剪切屈服，鋼梁彎曲屈服，柱屈服的屈服機制，具有較好的震后功能可恢復能力。