侯俊濤，金曉飛，王化杰，錢(qián)宏亮，崔婧瑞，于永澄，范 峰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)海洋工程學(xué)院，山東 威海 264200； 2.中國(guó)建筑一局(集團(tuán))有限公司，北京 100161；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

0 引言

剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是目前高層結(jié)構(gòu)中最常用的結(jié)構(gòu)形式，而連梁則是這些結(jié)構(gòu)中最為重要的耗能構(gòu)件，但是傳統(tǒng)的一體式鋼筋混凝土連梁由于耗能能力、變形能力都相對(duì)較差，尤其是震后修復(fù)困難，難以滿(mǎn)足震后功能可恢復(fù)的要求。為減輕建筑功能受地震影響，減小結(jié)構(gòu)在地震作用下?lián)p壞后的修復(fù)難度和成本，學(xué)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(diǎn)，更加符合震后快速修復(fù)的需求,因此用可更換的鋼連梁來(lái)代替鋼筋混凝土連梁逐漸成為了該類(lèi)結(jié)構(gòu)的技術(shù)研究熱點(diǎn)[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其性能進(jìn)行了各種研究并設(shè)計(jì)了許多形式的鋼連梁。Mc Daniel等[3]在2003年對(duì)損傷后的工字鋼梁試件進(jìn)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(xiǎn)絲”鋼連梁的試驗(yàn)，使連梁破壞集中于跨中削弱段，易于替換；Lyons等[5]發(fā)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(fā)明了一種新型形狀記憶合金阻尼器，并將該阻尼器應(yīng)用在連梁上，構(gòu)成可更換連梁，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：安裝阻尼器的連梁能夠?qū)⒆冃渭杏诳缰凶枘崞鳎蟠鬁p小了連梁的損傷[6-7]；紀(jì)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(cè)的主梁段與中間的可更換梁段組成。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：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(shè)計(jì)和連接更換都沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)震后變形導(dǎo)致的非消能梁段間軸向長(zhǎng)度縮短，實(shí)際情況中連梁軸向長(zhǎng)度的縮短會(huì)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(shè)計(jì)了一種軸向長(zhǎng)度可調(diào)的新型可更換鋼連梁(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新型鋼連梁)，解決軸向長(zhǎng)度變化所帶來(lái)的鋼連梁更換難題。并對(duì)這種新型鋼連梁進(jìn)行了精細(xì)化有限元建模，分析其在靜力作用下的力學(xué)性能，掌握新型鋼連梁的剛度、承載力等關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，并研究了連梁與中間連接件不同連接長(zhǎng)度和不同中間連接件截面特性對(duì)其力學(xué)性能的影響，為新型鋼連梁的進(jìn)一步應(yīng)用提供了理論支持。

圖1 可更換連梁變形前后對(duì)比

1 新型鋼連梁的設(shè)計(jì)與安裝方法

1.1 新型鋼連梁

新型鋼連梁構(gòu)造如圖2所示，主要由兩側(cè)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(gè)消能梁段都有螺栓孔，通過(guò)中間消能梁長(zhǎng)度調(diào)節(jié)連接件(下稱(chēng)中間連接件)實(shí)現(xiàn)連接和軸向長(zhǎng)度調(diào)整；消能梁和非消能梁則通過(guò)端板、高強(qiáng)螺栓以及剪力鍵連接，該節(jié)點(diǎn)除了具有傳統(tǒng)可更換鋼連梁的耗能和傳力優(yōu)點(diǎn)外，還具有連梁長(zhǎng)度可調(diào)、震后殘余角容差大、施工安裝更加方便、震后修復(fù)更加快速等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 新型鋼連梁構(gòu)造

1.2 新型連接梁設(shè)計(jì)

1)消能梁段鋼連梁的設(shè)計(jì)

為了更好地評(píng)價(jià)新型鋼連梁的性能特點(diǎn)，以課題組前期研究的工字鋼連梁幾何特性為依據(jù)，按照薄壁圓管與工字鋼抗彎截面模量相等的原則設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(shè)計(jì)

對(duì)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(jié)構(gòu)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(mǎn)足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

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(diào)節(jié)軸向長(zhǎng)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(diào)節(jié)連接螺栓長(zhǎng)度，正六邊形厚度定為60mm。根據(jù)規(guī)范[11]規(guī)定的螺紋尺寸對(duì)中間連接件螺紋進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖8所示，連接件一側(cè)螺栓長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為70mm，螺紋細(xì)部如圖9所示。

圖7 連接件示意

圖8 螺紋示意

圖9 螺紋細(xì)部

1.3 安裝方法

新型鋼連梁的施工過(guò)程主要可以分為以下幾個(gè)步驟(見(jiàn)圖10)。

圖10 施工步驟

1)步驟1 按照設(shè)計(jì)長(zhǎng)度將中間連接件與消能梁段通過(guò)螺栓連接，擰緊。

2)步驟2 將連接好的消能梁段提升到對(duì)應(yīng)高度與非消能梁段進(jìn)行定位。

3)步驟3 轉(zhuǎn)動(dòng)中間連接件，調(diào)整消能梁段軸向長(zhǎng)度到非消能梁段間距，卡緊消能梁與非消能梁并對(duì)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(guò)高強(qiáng)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(duì)新型鋼連梁進(jìn)行建模，并根據(jù)美國(guó)規(guī)范AISC 341—10，對(duì)基礎(chǔ)方案進(jìn)行模擬，確定其靜力性能。

老福告別劉主任回到了家，這回輪到他給母親布置任務(wù)了：“媽?zhuān)€能找到羅家的保姆嗎？”母親痛快地答應(yīng)了。

2.1 有限元建模

1)材料本構(gòu)設(shè)置

有限元模型材料除對(duì)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(jí)M27摩擦型高強(qiáng)螺栓。

模型采用理想彈塑性模型，使用Mises屈服準(zhǔn)則，關(guān)鍵材料參數(shù)如表1所示。

2)接觸設(shè)置

在ABAQUS中設(shè)置剛度相對(duì)較大的面作為主動(dòng)面，另一個(gè)作為從動(dòng)面，且從動(dòng)面網(wǎng)格劃分更細(xì)一些。接觸面法向定義為“硬接觸”，切向定義為“庫(kù)倫摩擦”，摩擦系數(shù)取0.20，使模擬結(jié)果更符合實(shí)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(zhuǎn)角，并在位移端將截面耦合到RF-1點(diǎn)，采用位移控制加載，強(qiáng)迫梁端位移75mm(即剪切角0.05rad)。

4)單元選取與網(wǎng)格劃分

為使模型的計(jì)算結(jié)果更加精確，本文建立的模型采用三維六面體實(shí)體單元。對(duì)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(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理；非消能梁段因其較為規(guī)則且被認(rèn)為不進(jìn)入塑性階段，所以網(wǎng)格劃分適當(dāng)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(jié)果

L50B30的剪力-剪切角曲線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)系基本保持良好，初始剛度約為243 333kN/rad，但當(dāng)剪切角達(dá)到0.004 8rad，剪力達(dá)到1 168kN后，新型鋼連梁開(kāi)始屈服，剛度開(kāi)始下降，最終極限剪力為1 355kN。

圖11 L50B30剪力-剪切角曲線(xiàn)

圖12為L(zhǎng)50B30的應(yīng)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(mǎn)足震后連梁易于拆卸的設(shè)計(jì)目的。

圖12 L50B30的應(yīng)力云圖

3.2 新型鋼連梁連接長(zhǎng)度影響分析

對(duì)比方案組1的剪力-剪切角曲線(xiàn)如圖13所示，通過(guò)減小中間連接件螺栓的連接長(zhǎng)度以研究新型鋼連梁連接長(zhǎng)度對(duì)其靜力性能的影響?？梢钥闯?，隨著中間連接件螺栓連接長(zhǎng)度的減小，在連接長(zhǎng)度從50mm減小到40mm時(shí)新型鋼連梁的剛度、屈服剪力以及極限剪力并沒(méi)有明顯變化，但是在連接長(zhǎng)度減小到30mm時(shí)，其剛度、屈服剪力與極限剪力驟降，在剪切角達(dá)到0.015 3rad后新型鋼連梁不能繼續(xù)承載，發(fā)生破壞，極限剪力為1 100kN。

圖13 對(duì)比方案組1各模型剪力-剪切角曲線(xiàn)

圖14為L(zhǎng)30B30的應(yīng)力云圖，可以看出，此時(shí)新型鋼連梁的破壞模式較L50B30發(fā)生了明顯變化，由耗能梁段薄壁圓管屈曲破壞變?yōu)橹虚g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(jīng)發(fā)生拔出，因此極限剪力大大下降并且剛度驟然減小，尚未達(dá)到設(shè)計(jì)的極限剪切角便已經(jīng)發(fā)生破壞，不能滿(mǎn)足震后易于拆卸的設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)于算例方案，為了保證連接位置不發(fā)生破壞，其連接長(zhǎng)度應(yīng)至少滿(mǎn)足40mm。

圖14 L30B30的應(yīng)力云圖

3.3 中間連接件截面特性影響分析

對(duì)比方案組2的剪力-剪切角曲線(xiàn)如圖15所示，通過(guò)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(duì)新型鋼連梁靜力性能的影響?？梢钥闯?，中間連接件管壁厚度在≥17mm時(shí)，新型鋼連梁靜力性能并沒(méi)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(guò)極限剪力基本沒(méi)有變化。中間連接件管壁厚度減小到16mm時(shí)，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(duì)比方案組2各模型剪力-剪切角曲線(xiàn)

圖16為L(zhǎng)50B16的應(yīng)力云圖，可以看出，此時(shí)新型鋼連梁的破壞模式較L50B30發(fā)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?yàn)殡S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(dāng)中間連接件壁厚接近和低于消能梁鋼管部件厚度時(shí)，其破壞模式將由消能梁段薄壁圓管破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槎邊f(xié)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(kāi)始逐漸下降，中間連接件也將發(fā)生破壞，影響震后連梁的拆卸，所以對(duì)于算例方案，為了保證中間連接件不發(fā)生破壞，其中間連接件管壁厚度應(yīng)至少滿(mǎn)足17mm。

圖16 L50B16的應(yīng)力云圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)軸向長(zhǎng)度可調(diào)的新型可更換鋼連梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)及性能研究，主要結(jié)論如下。

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

2)建立了新型鋼連梁的精細(xì)化有限元模型，并對(duì)典型方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，結(jié)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(mǎn)足震后連梁易于拆卸的設(shè)計(jì)目的，其初始剛度為243 333kN/rad、屈服剪力為1 168kN、屈服轉(zhuǎn)角為0.004 8rad、極限剪力為1 355kN，為掌握新型鋼連梁的力學(xué)性能提供了依據(jù)。

3)新型鋼連梁的連接長(zhǎng)度參數(shù)分析表明，當(dāng)連接長(zhǎng)度小于40mm后，其剛度、屈服剪力、屈服轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)橹虚g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(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)至少滿(mǎn)足40mm。

4)中間連接件截面特性參數(shù)分析表明，當(dāng)中間連接件壁厚為17mm及以上時(shí)，連接件管壁厚度的改變對(duì)新型鋼連梁靜力性能沒(méi)有影響，當(dāng)厚度小于17mm時(shí)，其剛度、屈服剪力、屈服轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)橹虚g連接件與消能梁段薄壁圓管二者協(xié)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(shè)計(jì)應(yīng)至少滿(mǎn)足17mm。