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自复位钢框架结构研究进展Ⅰ:基于预应力拉杆/拉索

2018-11-22欧阳素娟

结构工程师 2018年5期
关键词:梁柱拉索预应力

应 琪 陈 云 欧阳素娟

(海南大学土木建筑工程学院,海口 570228)

0 引 言

我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇处,是世界上地震灾害最严重的国家之一,地震频度高,强度大,分布广,近年来发生的四川汶川地震、青海玉树地震、甘肃定西地震以及云南鲁甸地震等均给我国人民的生命财产安全造成了巨大损失。根据最新修订的《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015),我国基本地震动峰值加速度0.10 g (Ⅶ度)及以上地区面积,从49%上升到了58%,抗震防灾形势严峻。多高层建筑由于其人员和社会财富高度集中,灾害链的易发性显著增加,强震时不仅会造成巨大的经济损失,也会对震后建筑所在城市乃至更大范围内的社会安定、正常生产和生活造成严重的负面影响。

钢结构因其强度高、延性好、质量轻等优点,在高烈度地震区得到了广泛应用。然而,在1994 年美国加州的Northridge地震和1995 年日本的Kobe地震中,大量钢结构梁柱焊接节点出现了脆性破坏[1-2],譬如Kobe地震中受损的1 000多栋钢结构房屋的节点连接处均出现了应力集中现象,这在震后引发了广大研究学者对强震区广泛采用的栓焊连接节点进行重新认识和研究。

为避免钢框架结构的梁柱节点在强震时产生脆性破坏,各国学者针对钢框架结构的梁柱连接进行了大量试验和理论研究。节点设计主要基于两种思想:一种是对节点进一步加强来保证连接的足够强度和刚度;另一种是削弱与柱子相连接的梁来保护节点,譬如采用狗骨式连接或腹板开孔型连接等。采用改善措施后的节点能够将塑性铰外移到梁上,从而提高了节点区域的延性,使节点区域具备了较大的变形能力和耗能能力。

节点延性设计尽管能够有效提高钢框架的抗震性能,但强震时大量梁端产生塑性屈服必然意味着结构会产生大量的损伤,造成结构震后产生较大的残余变形。McCormick等[3]研究表明,当结构的震后残余层间位移角超过0.5%,重建一个新结构比加固或修复损坏的结构更具经济性。在2011年的新西兰基督城大地震中,很多建筑震时并没有倒塌,但震后基督城中央商务区超过1 000幢建筑被拆除[4]。在2008年汶川大地震中,震后大量的建筑虽然没有倒塌,却成了“站立着的废墟”,完全失去了修复价值。

因此,传统的结构延性设计思想是以结构构件的损伤为代价的,可能致使结构在震后难以快速修复或代价昂贵,甚至拆除,对社会造成严重影响。如何避免传统钢框架结构在强震时关键受力构件产生较严重的损伤并尽快在震后恢复其使用功能是需要迫切解决的问题。

1 可恢复功能结构的发展

随着抗震理论、技术和方法的不断进步以及更多高性能材料的发展应用,人们对结构的抗震性能要求越来越高,结构抗震已由抗倒塌设计逐步向可恢复功能设计转变,以期在震后将整个社会的损失降到最低。

2009年1月在NEES/E-Defense 美日地震工程第二阶段合作研究计划会议上,美日学者首次提出将“可恢复功能城市”(Resilient city) 作为地震工程合作的大方向[5];2011年美国科学院在研究报告中指出可恢复功能国家是美国地震工程领域未来的研究方向[6];新西兰在2011年的基督城地震后提出抗损伤结构体系[7]。在2017年1月的16WCEE上,强震后结构功能的可恢复性研究是热点问题之一,Indirli教授介绍了“可恢复欧洲”(Resilient Europe)的庞大计划[8]。该计划以可恢复性评估为中心,研究在多种灾难时的系统可恢复性,强震后工程结构功能的快速恢复是主要组成部分之一。我国近年来也开始重视可恢复功能抗震结构研究。

20世纪90年代开始的美日联合研究计划PRESSS (PREcast Seismic Structural Systems)[9-10]对钢筋混凝土摇摆自复位框架和摇摆自复位剪力墙进行了一系列研究,并取得了较多研究成果,自此之后,无粘结后张拉预应力技术开始作为摇摆自复位结构的主要实现手段。

2 基于预应力拉索/杆的自复位钢框架结构

后张拉预应力自复位钢框架可以通过水平设置的预应力拉索(棒)把钢框架的梁柱连接在一起形成自复位梁柱节点,强震时梁柱节点会张开和闭合;也可将预应力拉索(棒)设置在与柱子平行的方向,其上端锚固在柱子上,下端锚固在基础,强震时柱底会产生抬升或转动减轻地震损伤;或者同时按上述两种方式设置预应力拉索(棒)。这三种方式的原理相同,小震时,预应力拉索连接的梁柱节点或柱脚等部位不会产生张开或抬升,自复位结构类似于传统的抗弯钢框架结构;中震或大震时,预应力连接的柱脚或梁柱节点会产生抬升或张开,从而减轻结构的地震损伤,震后通过预应力实现自复位。尽管后张拉预应力抗弯钢框架具备良好的自复位性能,但其自身的耗能性能较差,需要和各种耗能装置组合应用,包括耗能角钢、小型防屈曲支撑(Bucking Restrained Braces,BRB)或翼缘摩擦耗能装置等,进一步减轻结构的地震反应。

这里根据自复位力的来源不同,将高强钢绞线或其它高强纤维筋的预应力自复位钢框架(含自复位钢框架-支撑结构)主要分为三种类型:预应力拉索结合金属屈服型阻尼器的自复位钢框架、预应力拉索结合摩擦阻尼器的自复位钢框架和基于高强预应力拉索的自复位耗能支撑。

2.1 预应力拉索结合金属屈服型阻尼器的自复位钢框架

普利斯顿大学的Garlock 等[11-12]将预应力连接技术应用到抗弯钢框架结构,首先完成了自复位抗弯钢框架的节点试验研究。Garlock通过预应力连接梁柱节点试验发现,通过对钢绞线施加较大的预应力能够使该连接方式获得与传统全焊接连接类似的刚度,但较大的预应力有时也会在节点张合的过程中造成梁翼缘和腹板的局部屈曲,进而导致节点丧失自复位性能(图1)。Garlock还开发了适于预应力后张拉钢框架的分析模型,用非线性桁架单元模拟角钢的力-变形关系,纤维模型结合只能受压的材料模型模拟梁和柱之间的摇摆效应,桁架单元模拟预应力拉索。非线性时程分析表明,在设防地震下结构没有任何残余变形,在罕遇地震下仅有小的残余变形,PT拉索也没有屈服。Christopoulos[13]也开发了一种预应力摇摆型梁柱连接,连接方式类似于Garlock的研究成果,不同之处是为增强能量耗散性能,将耗能角钢替换成小型BRB,并将预应力钢绞线替换成高强预应力拉杆。试验研究表明,该节点具备完美的自复位性能和优良的耗能性能,节点转角达到4%后梁柱基本无损伤。试验也证实了作者提出的简化分析模型的有效性,简化模型包含两个平行的转动弹簧:一个转动弹簧模拟PT拉杆的非线性弹性行为;另一个弹簧模拟BRB的双线性滞回环,通过不断迭代的方法计算中性轴位置。

图1 抗弯节点Fig.1 Moment Connections

Moradi等[14]对预应力拉索和角钢耗能组合型的自复位节点进行了优化分析,研究表明,梁的截面高度大或初始预应力过大都会导致节点较早产生损伤。该类型节点的极限状态就是梁产生较大局部屈曲(1.2%转角),角钢大约在转角达到4%时产生撕裂。Chou等[15]对钢管混凝土柱-钢梁连接节点进行了试验和分析研究,该节点通过预应力钢绞线和缩减截面翼缘板连接,添加约束板的翼缘板耗能性能显著提高,自复位性能好,结构损伤很小。Hajjar等[16-17]对自复位钢框架-支撑结构进行了深入研究,该框架基底可以抬升,通过垂直设置的预应力钢索使其恢复原位,钢构件“保险丝”设置在变形较大的位置耗散地震能量(图2)。

图2 自复位钢框架-支撑结构[16]Fig.2 The Self-centering Rocking Steel Frame System[16]

国内近几年针对预应力拉索与金属阻尼器结合的自复位结构研究取得了不少研究成果,清华大学的潘鹏等[18]对梁柱间通过角钢栓接,并沿梁长布置高强预应力钢绞线的自复位节点进行了低周反复加载试验和有限元模拟研究,研究表明该节点在层间位移角为5%时角钢开始屈服耗能,梁柱保持弹性,震后自复位性能良好。苏州科技大学的李启才等[19]对蝴蝶形钢板剪力墙-自复位钢框架结构的抗震性能进行了比较详细的研究,得出了有益的设计建议。兰州理工大学的杜永峰等[20]将自复位耗能支撑与轻型摇摆架结合,提出了轻型消能摇摆架,能够有效改善结构的损伤状态,降低结构的震后残余变形。兰州理工大学的韩建平等[21]对设置预应力拉索和角钢的自复位钢框架以及仅设置角钢的传统钢框架进行了对比研究,表明自复位钢框架滞回曲线呈现“双旗帜”型特点,震后残余位移小,而传统钢框架产生了较大的残余位移。西安建筑科技大学的惠宽堂等[22]对顶底角钢的预应力自复位钢框架梁柱节点的弯矩-转角关系进行了研究,提出了其实用计算方法。

2.2 预应力拉索结合摩擦阻尼器的自复位钢框架

Rojas等[23]开发了适合抗弯钢框架的后张拉预应力摩擦阻尼节点,该节点与之前的后张拉预应力拉索结合金属阻尼器的节点原理相同,将钢屈服耗能装置替换成了摩擦阻尼耗能装置,该摩擦阻尼装置包括两根T型截面板,用来连接柱翼缘与梁的上下翼缘并充当摩擦耗能板,上下T型板分别夹在两块铜板之间产生摩擦阻力,提供稳定饱满的滞回耗能性能。Iyama和Wolski等[24-25]对Rojas等提出的自复位摩擦耗能节点进行了改进,仅在梁的下翼缘设置摩擦耗能装置,主要是为了避免上翼缘设置摩擦耗能装置对楼板产生影响,但由于耗能装置的非对称设置,节点的滞回曲线是非对称的。试验表明,只要PT拉索保持弹性且摩擦耗能装置的高强螺栓的失效为滑槽端部的剪切破坏,该连接能够提供稳定的强度和耗能性能。同时他们也提出了该节点的设计方法和分析模型,与试验结果吻合较好。

Tsai等[26]研发了预应力自复位腹板摩擦耗能装置,与之前的翼缘耗能装置不同,摩擦耗能板设置在腹板上,通过4个节点试件的拟静力试验研究(变化参数包括:PT拉索的初始预应力、高强螺栓的数量、弹簧垫片的类型)表明,经过合理设计的节点具备稳定的滞回性能和较好的自复位性能。Lin等[27]也对自复位腹板摩擦耗能节点进行了拟动力试验研究,装置构造与Tsai等[26]的类似,不同之处是将焊接在柱子上的钢摩擦板替换成槽钢摩擦装置,在槽钢与梁腹板之间设置摩擦铜板。提出了基于性能的设计方法,性能等级为在设防地震下震后功能立即恢复,在最大考虑地震下,防止倒塌。通过4层2跨大比例模型的拟动力试验研究表明,该结构的最大残余变形小于0.2%。Kim 等[28]对后张拉自复位梁柱摩擦耗能节点进行拟静力试验研究,自复位能力仍然由与梁平行的后张拉预应力棒提供,在梁的上下翼缘设置垂直于翼缘的摩擦耗能装置,摩擦力由不锈钢-非石棉有机制动衬片之间产生,耗能装置表现出稳定的、无强度退化的耗能性能,试验后的残余变形很小,表现出优良的自复位性能(如图3所示)。

图3 SCFR节点[28]Fig.3 Proposed SCFR connection[28]

Khoo等[29]提出了一种滑动铰接节点(Sliding Hinging Joint,SHG),这是一种低损伤连接方式,能够以较小的破坏来实现较大的转动(图4),并且在梁的下翼缘底部安装环形弹簧以提高节点的自复位能力,减少节点强度退化。Dowden等[30]在自复位钢板剪力墙的梁柱节点采用了预应力拉索和摩擦耗能装置组合型连接,摩擦耗能装置采用两种形式:一种是节点以梁的上翼缘为转动点;另一种是以梁的上下翼缘都作为转动中心。作者通过地震模拟振动台试验研究表明,两种方式都能够实现良好的自复位性能。前一种方式实质上消除了梁柱节点张开过程中框架的扩张效应。

基于预应力拉索与摩擦耗能节点的组合形成的自复位钢框架,国内学者的主要研究包括北京建筑大学的张艳霞等[31]在梁的腹板设置摩擦阻尼器,沿梁的水平方向设置预应力钢绞线提供自复位力,对此自复位钢框架结构进行了比较详细的抗震性能研究。研究表明,相比同等条件下的传统钢框架结构,自复位钢框架能够有效减轻结构的震后残余变形和基底剪力。河北工程大学的史三元等[32]将两片槽钢焊接在柱子翼缘,并且两片槽钢与梁的腹板通过高强螺栓形成腹板摩擦耗能节点,水平布置的预应力拉索提供自复位,研究表明该节点抗震性能良好。同济大学的孙飞飞等[33]对转动型阻尼器及转动型耗能节点研究现状进行了详细归纳和总结,并指出了未来的发展方向。

图4 滑动铰接节点[29]Fig.4 Sliding Hinging Joint[29]

2.3 基于高强预应力拉索的自复位耗能支撑

基于高强预应力拉索提供自复位力的耗能支撑及其结构研究方面,Christopoulos等[34]提出了一种自复位耗能支撑(图5),在内、外钢管之间安装摩擦耗能元件,通过预应力筋提供自复位力。哈尔滨工业大学的刘璐等[35]的研究表明,自复位防屈曲支撑钢框架的最大位移和残余位移角均小于防屈曲支撑钢框架。河北工程大学的谭燕秋等[36]通过结构在罕遇地震下的分析表明,自复位防屈曲支撑钢框架在顶点位移、层间位移角和残余变形等方面均小于防屈曲支撑钢框架和钢框架。南京工业大学的池沛等[37]提出了一种新型自复位耗能拉索支撑,数值分析表明支撑具有良好的自复位能力。苏州科技大学的方有珍等[38]对新型卷边PEC柱-钢梁部分自复位连接的抗震性能进行了深入研究,表明该连接较好地实现了自复位功效。

图5 自复位耗能支撑[34]Fig.5 Embodiment of SCED system[34]

3 国内外研究动态综合分析

总体而言,基于高强预应力提供自复位力的钢框架在国内外的研究和应用较多,但已有研究指出[9-10],为获得足够初始刚度而对钢绞线施加较大的初始预应力会在一定程度上使钢梁或钢柱的设计截面尺寸增大,并在摇摆过程中可能造成节点压力过大,产生局部屈曲而丧失自复位性能。

强震后可恢复功能结构已经成为国际地震工程领域研究的重要方向,以摇摆/自复位结构和耗能装置相结合的可恢复功能抗震结构体系为实现结构强震后快速恢复其正常使用功能提供了有效途径。展望未来,还需进一步加强自复位钢框架结构体系的研发,改进其整体和细部构造设计,优化其整体和细部受力性能;研发和应用耗能性能强而损伤较小的消能装置,实现震后无须修复即可继续正常使用。

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