可更换耗能连梁研究综述

(广州大学土木工程学院 广东 广州 510006)

随着现代经济的迅速发展，高层建筑发展十分迅速。因建筑物门窗等开洞的需要，在剪力墙片上开洞后形成连梁。连梁是剪力墙结构中的重要构件，是剪力墙抗震体系的第一道防线。在小震作用下连梁可以保证建筑物的整体刚度，在大震时连梁先于墙肢屈服并通过塑性变形耗散部分地震能量以减少剪力墙的破坏。实际工程当中连梁的跨高比一般比较小，在水平荷载下会产生很大的剪切变形容易产生斜裂缝，导致剪切破坏，延性较差。

针对上述这个问题，增强连梁的耗能成为当今工程界急需研究解决的问题。为此，国内外学者做了大量相关的连梁方面的研究，提出了一系列的耗能连梁并且成功应用于实际工程中。但是这些形式的耗能连梁自身也存在着优缺点和适用条件。

一、国内外可更换耗能连梁的形式

(一)截面削弱型可更换连梁。截面削弱型可更换连梁指的是对连梁的某部分截面进行削弱，使连梁的耗能集中在该部分，削弱的部分与其余部位通过高强螺栓和钢板相连接，震后对削弱的部分进行更换。一般主要应用于钢连梁或型钢混凝土连梁，把一根工字钢连梁分成三部分，削弱中间腹板的厚度，该部分与其余两部分之间通过连接板和螺栓相连接。研究人员的研究表明，该可更换连梁除了能够获得和钢连梁类似的优良性能外，还能够把破坏部位主要集中在削弱部位，且该部位也易于更换。

(二)附加摩擦阻尼耗能部件的可更换连梁。韩国的Chung等研究人员提出了在钢连梁的中部附加一个摩擦阻尼器，通过摩擦阻尼器的耗能来增强连梁的耗能能力。阻尼器具有优良的耗能能力和足够的强度刚度，使连梁在小震时能够保持弹性；在中大震中先于墙肢和连梁的其余部分率先进入耗能状态耗散地震能量。分析表明摩擦阻尼器耗能能力较强，不仅顶层的位移时程反应变小，滞回曲线非常饱满，而且能够更加有效地减小结构的损伤。

(三)钢筋混凝土中部开缝阻尼器的可更换连梁。日本清水建设技术研究所开发了在钢筋混凝土连梁的中部开缝设置连梁阻尼器，连梁阻尼器为一块由低屈服点钢板制作的矩形剪切板，与预埋在连梁中的钢板相连接。试验表明该阻尼器具备非常稳定的滞回反应，阻尼器的承载力在剪切角达到1/20时尚未衰减，能够附加的等效阻尼比为20%～30%。宽厚比为15时，可以避免平面外屈曲。目前为止，日本已经有许多建筑物采用了该形式。

(四)附加复合阻尼耗能部件的可更换连梁。韩国首尔大学研究开发了一种应用在连梁上的复合阻尼耗能部件，该耗能部件由高阻尼橡胶材料和两个U型钢板阻尼器并联在一起。优点是U型钢板阻尼器屈服之前能量主要由高阻尼橡胶材料耗散，U型钢板提供足够的刚度，屈服之后能够耗散大量能量。研究表明装该阻尼部件的结构试件破坏较小且够把塑性变形集中在阻尼器，增大了整个结构的耗能能力。此外安装耗能部件的试件的加速度反应显著减小，但位移反应大于安装传统连梁的结构，安装耗能部件的结构破坏较轻。

(五)附加低屈服钢板阻尼器的可更换连梁。哈尔滨工业大学滕军等研制一种连梁阻尼器，其构造形式是在低屈服点钢板上开一列或多列长条形孔。试验表明，该连梁阻尼器滞回环饱满，耗能效果较好，但会发生平面外失稳变形。

(六)可更换的保险丝耗能连梁。2011年吕西林等提出了应用于可更换连梁的三种保险丝(可称之为保险丝)，分别是一段腹板开有菱形孔的普通工字型钢保险丝、由腹板和翼缘组成的箱型截面内部灌铅的双层腹板的工字型钢保险丝和钢管内部灌铅的平行钢管保险丝。这三种保险丝都可以设置在连梁的跨中形成剪切屈服型可更换连梁。研究表明三种保险丝的滞回环均非常饱满，延性较好，承载力较高，抗疲劳性能较好，能够满足可更换连梁的要求。带有可更换连梁的结构试件能够将连梁的破坏位置集中在连梁保险丝上，确保了连梁与墙肢连接部分免遭破坏，而且试验后可以方便地对损坏的可更换连梁保险丝进行更换。

(七)SMA耗能连梁。中国地震局开发了一种应用在可更换连梁上的新型形状记忆合金阻尼器，利用形状记忆合金(即SMA)在奥氏体状态下具有良好的超弹性变形性能和滞回性能耗散地震能量。其构造为在连梁的中部开缝，利用剪力墙墙体弯曲时连梁间主要产生相对竖向变形使SMA丝受拉变形耗散能量。研究结果表明附加SMA阻尼器后结构的地震反应能够有效减小，并且SMA阻尼器的残余变形很小。

(八)钢桁架连梁。广西大学邓志恒等提出一种新型钢桁架连梁。钢桁架连梁由热轧型钢或焊接型钢组成，受力机理简单清晰，便于设计成延性弯曲破坏连梁；在支撑处可以设置阻尼控制装置可以更有效地实现耗能减震。而且可以很方便的更换维修。中间空腹位置还可以放置管道，充分利用空间。试验分析结果表明，该连梁体系具有较高的承载力和良好的延性，荷载-位移滞回曲线饱满如，等效黏滞阻尼系数远大于传统的钢筋砼连梁，具有较好的耗能能力，同时也具有易修复可更换的优点。

(九)附加金属阻尼耗能部件的可更换连梁。中国地震局工程力学研究所王涛提出一种采用叠层三角形开孔钢板的连梁金属阻尼器。试验表明，带有可更换金属阻尼器连梁的剪力墙结构较普通钢筋砼连梁剪力墙结构强度稍低，但是等效阻尼比达到普通结构的1.3～2.2倍，而且造价低廉，连接方便，能广泛应用。

(十)可更换钢连梁。钢连梁段具有较大的刚度和承载力，屈服时也具有很大的变形能力和稳定的滞回耗能能力，且可以借鉴偏心支撑消能梁段的设计方法，加工制作也较其他阻尼器或耗能部件简便。清华大学的纪晓东等提出的一种可更换钢连梁，它由两端与墙肢连接的工字钢非消能梁段和跨中的可更换消能梁段组成，梁段间通过端板和高强螺栓连接。通过合理设计非消能梁段与消能梁段的承载力，使得强震作用下可更换消能梁段剪切屈服、耗散地震能量，非消能梁段保持弹性工作状态。

二、连梁耗能对比分析

本文主要分析新型式的可更换耗能连梁，以荷载-位移滞回曲线为基础，对比分析各种新型耗能连梁的耗能性能。滞回曲线可以反映结构在反复受力过程中的变形、刚度退化及能量消耗等特点，若滞回曲线形状愈饱满，表明构件消耗地震能量的能力愈强，抗震性能愈佳。

三、结语

本文介绍了可更换耗能连梁概念，对国内外可更换连梁的研究与应用进行较为系统的归纳和总结。由上文可以看出，各新型可更换的耗能连梁的等效粘滞阻尼系数都不低且滞回曲线均比较饱满。其中附加摩擦阻尼器的可更换连梁、可更换钢连梁和可更换保险丝连梁的耗能性能尤为突出，有很大的发展前景。