范文杰

(介休市建筑設(shè)計(jì)院，山西 介休 032000)

1 概述

地震是一種破壞力較大的自然災(zāi)害，發(fā)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(qū)都在6度及以上，發(fā)生地震時將面臨嚴(yán)重的震害風(fēng)險[1-2]。

對于傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理念，主要注重提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和保護(hù)人們的生命安全，忽略了震后結(jié)構(gòu)的使用功能和可恢復(fù)功能。地震過后，損傷嚴(yán)重的構(gòu)件修復(fù)困難或者成本較高，只能重建，既會造成資源的浪費(fèi)，也會造成巨大損失[3-5]。為了保證地震過后結(jié)構(gòu)功能的快速恢復(fù)，具有功能可恢復(fù)結(jié)構(gòu)逐漸成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在保證安全的情況下，通過更換受損構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)震后功能的快速恢復(fù)，從而減少建筑功能中斷的試件和修復(fù)的難度[6-8]。

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

2 剪力墻結(jié)構(gòu)中的可更換耗能梁

可更換耗能梁在剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用比較廣泛。Fortney等[11]針對剪力墻結(jié)構(gòu)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(cè)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(jì)曉東針對剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展了可更換鋼連梁，如圖1所示，該梁由中間耗能段和兩側(cè)非耗能段組成，通過研究表明：這種結(jié)構(gòu)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(gòu)件以達(dá)到快速恢復(fù)結(jié)構(gòu)的使用功能。呂西林等[12]在鋼連梁跨中設(shè)置耗能構(gòu)件，并提出三種不同類型的連梁保險絲，結(jié)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(tài)。

綜上所述，在剪力墻結(jié)構(gòu)中，帶可更換耗能梁的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的理論研究已經(jīng)十分成熟，通過研究表明：這種結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中有一定的實(shí)用價值，有待在實(shí)際工程中作進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3 框架結(jié)構(gòu)中的可更換耗能梁

近年來，可更換耗能梁在框架結(jié)構(gòu)中的研究也取得了一定的進(jìn)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(jié)果表明：試件的塑性變形僅出現(xiàn)在指定的耗能構(gòu)件中，震后通過更換耗能構(gòu)件即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的恢復(fù)。

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(chǎn)生的損傷，而梁段則保持彈性。結(jié)果表明：角鋼能夠在地震作用下快速更換，并且結(jié)構(gòu)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(shè)置可更換耗能梁的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，通過研究表明：耗能梁段具有穩(wěn)定的滯回耗能能力，結(jié)構(gòu)的變形能力較好，并且能集中損傷。

綜上所述，根據(jù)現(xiàn)有成果，可更換耗能梁在框架結(jié)構(gòu)中的研究較少，應(yīng)用主要集中在可更換梁端設(shè)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(fù)結(jié)構(gòu)的使用功能，需對框架結(jié)構(gòu)中的可更換耗能梁做進(jìn)一步的研究，從而能夠更好的運(yùn)用到實(shí)際工程中去。

4 框架-支撐結(jié)構(gòu)中的可更換耗能梁

可更換耗能梁在框架-支撐結(jié)構(gòu)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，結(jié)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(jié)構(gòu)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(fù)結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jié)構(gòu)中的研究取得了一定的成果，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，可更換耗能梁主要運(yùn)用到了偏心支撐的耗能梁段中，通過偏心支撐構(gòu)件進(jìn)行耗能，這種結(jié)構(gòu)具有較好的可更換性和抗震性能，需對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，從而設(shè)計(jì)出更加安全可靠的結(jié)構(gòu)形式。

5 結(jié)語

通過對不同結(jié)構(gòu)體系下可更換耗能梁的應(yīng)用進(jìn)行分析與研究，結(jié)果表明：

1)可更換耗能梁設(shè)計(jì)簡單，傳力明確，表現(xiàn)出較好的抗震性能和可更換性能，并且具有穩(wěn)定的滯回耗能能力。

2)可更換耗能梁在剪力墻結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較為廣泛，地震過后，通過更換受損耗能段即可快速恢復(fù)結(jié)構(gòu)的使用功能，而在框架結(jié)構(gòu)和框架-支撐結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較少，需做進(jìn)一步的研究。

3)可更換耗能梁能夠較好的滿足結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性，能夠?yàn)榭苫謴?fù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)。