連梁保險絲抗震性能試驗研究

連梁保險絲抗震性能試驗研究

連梁是連接四肢刀結構中重要的能耗成分。根據(jù)之前的研究，如果連梁的跨高比小于2，連梁通常會出現(xiàn)脆弱的切割破壞。許多科學家過去致力于提高連梁的能耗能耗，如布局地下支撐、形狀變形加固、接頭間隙等方法。這些方法和技術實際上可以提高連梁的抗疲勞動性能，提高連梁的伸長率。然而，這些方法的共同缺點是，施工困難，地震后很難修復。近年來,國外廣泛使用鋼連梁或組合連梁來代替鋼筋混凝土連梁組成混合聯(lián)肢剪力墻結構,這種結構在40~70層的結構中被廣泛使用,優(yōu)勢突出.與普通的鋼筋混凝土連梁不同,鋼連梁或組合連梁可以設計成彎曲屈服構件或剪切屈服構件.研究表明,設計成剪切屈服構件抗震性能更好,耗能性能和延性都遠遠超過了普通的鋼筋混凝土連梁.總之,無論是普通的鋼筋混凝土連梁還是鋼連梁或組合連梁都具有一個缺點,地震受損后修復或更換比較困難.因此,已有部分研究人員提出在鋼連梁上附加一個保險絲,通過讓保險絲破壞耗能來保護連梁的其余部分和與連梁相連接的墻肢的安全.作者也曾在論文中介紹過相關的概念.這方面的研究最早是由辛辛那提大學的Fortney等開展的,他們把一根工字鋼梁分成3個部分,中間的部分削弱腹板的厚度,該部分與其余兩部分之間通過連接板和螺栓相連接.Dankook大學的Chung等研究人員提出了在鋼連梁的中部附加一個摩擦阻尼器,通過摩擦阻尼器的耗能來增強連梁的耗能能力.哈爾濱工業(yè)大學的滕軍等提出了一種連梁阻尼器.廣西大學的鄧志恒等提出了一種鋼桁架連梁.結合已有的研究成果,作者提出了一種新的可更換連梁,即在組合連梁的跨中安裝保險絲構件.組合連梁相對鋼連梁具有更大的剛度和更低的造價,同樣易于與保險絲相連接,并且目前的計算理論也比較成熟.鑒于保險絲對可更換連梁抗震性能有著重要影響,本文提出了3種不同構造形式的保險絲,分別對這3種保險絲進行低周反復加載試驗,通過滯回特性、強度退化、剛度退化、延性、耗能能力和疲勞性能等方面研究比較這3種保險絲的抗震性能.13剪切屈服型保險絲為了增強可更換連梁的耗能能力,提出了3種不同類型的保險絲,分別介紹如下:(1)普通工字型鋼,腹板開有菱形孔,稱為保險絲1.腹板開菱形孔是為了使腹板能夠大部分屈服耗能,增強保險絲的耗能能力,合理的屈服順序是最弱的截面先屈服,通過材料的強度硬化,達到腹板大部屈服的目的.這類保險絲一般設計為剪切屈服耗能構件.(2)雙層腹板的工字型鋼,腹板和翼緣組成的箱型截面內(nèi)部灌鉛,稱為保險絲2.這種保險絲類似于由工字型鋼和鉛剪切耗能器復合而成的構件.雙層腹板和翼緣組成的空腔內(nèi)灌鉛有兩個目的,其一是鉛的剪切變形能夠耗散一定能量,其二是鉛能夠在一定程度上阻止腹板的屈曲.這類保險絲也通常設計成剪切屈服耗能構件.(3)兩根平行鋼管,每根鋼管內(nèi)部灌鉛,稱為保險絲3.兩根平行設置的鋼管之間沒有腹桿連接,因此兩根鋼管分別抵抗相同的彎矩和剪力.這類保險絲可以設計成彎曲屈服和剪切屈服混合型耗能構件,可以通過鋼管彎曲和鉛的剪切耗能.鉛的作用除了剪切耗能外,還能起到一定阻止鋼管屈曲的作用.上述3種保險絲均采用Q235鋼制作,3種保險絲的設計圖和加工成型后的照片分別如圖1~3所示.端板上開有4個螺孔用來與連梁的預埋型鋼相連接,損壞后便于拆卸更換.2試驗裝置與加載采用平行四連桿機構對試件進行剪切試驗.將保險絲豎立起來,其上端板通過轉換板與平行四連桿機構的上部橫梁相連接,下端板通過轉換板與平行四連桿機構的固定梁連接.利用63t的SCHENCK液壓作動器對上部橫梁實施拉壓荷載,具體加載裝置如圖4所示.由于四連桿機構的剛度非常大,能夠使保險絲主要產(chǎn)生剪切變形,在這里忽略保險絲的軸向變形.一共布置了4個位移計,分別在底梁和加載梁上布置了2個水平位移計,用來測量底座的滑移量和加載梁的水平位移.在與保險絲連接的上下兩塊端板上布置了2個水平位移計,用來測量保險絲的剪切變形.數(shù)據(jù)通過江蘇東華測試技術股份有限公司生產(chǎn)的DH3817動靜態(tài)應變測試系統(tǒng)進行采集.全部采用位移控制加載方式,確定骨架曲線和滯回曲線時每次加載1mm位移,每級位移循環(huán)3圈測試保險絲的荷載保持能力(加載時程如圖5所示).確定試件的疲勞特性時采用等位移幅值多周循環(huán)加載,考察試件對加載循環(huán)幅值的敏感性和循環(huán)周數(shù)的敏感性.3性能試驗研究一共對51個保險絲做了性能試驗,每種保險絲有17個試件,其中14個試件進行低周反復性能試驗研究,3個試件進行疲勞性能研究.每種保險絲選取一個典型試驗結果予以介紹.3.1保險絲裂縫產(chǎn)生原因分析為了比較3種保險絲的破壞機理,鑒于3種保險絲的跨度都一樣,試驗現(xiàn)象描述時以保險絲的剪切位移角來進行描述.保險絲1的試驗現(xiàn)象如表1所示,破壞照片如圖6和7所示.保險絲2的主要試驗現(xiàn)象如表2所示,為了便于描述實驗現(xiàn)象,假定保險絲的腹板加勁肋把腹板分成3個部分,分別稱為上區(qū)格,中區(qū)格和下區(qū)格.保險絲2的初始開裂狀態(tài)和最終的破壞狀態(tài)分別如圖8和9所示.從試驗現(xiàn)象上分析,保險絲2屈曲較早,原因是保險絲2的腹板厚度較薄,較早發(fā)生輕微屈曲是正常的.保險絲1的裂縫雖然產(chǎn)生的時間比保險絲2晚一點,但保險絲1的裂縫發(fā)展較快.保險絲3的裂縫產(chǎn)生得最晚,但保險絲3的裂縫發(fā)展速度最快,裂縫產(chǎn)生后很快就發(fā)生破壞.因此,從裂縫發(fā)展速度來看,保險絲2的裂縫發(fā)展速度最慢,保險絲3的裂縫發(fā)展最快,保險絲1的發(fā)展速度居中.從裂縫產(chǎn)生的原因分析,保險絲1是由于小孔的尺寸較小,且加工打磨不夠光滑導致小孔處應力集中,從而最開始在小孔處產(chǎn)生裂紋.保險絲2的裂紋最先在腹板與加勁肋的焊縫處產(chǎn)生,原因是腹板自身較薄,僅有2mm厚,而且受焊接殘余應力影響較大,導致裂縫基本都產(chǎn)生在腹板與加勁肋的焊縫處.保險絲3的裂縫最先在根部產(chǎn)生,原因是根部的彎矩最大,應力最大,而且根部受焊接殘余應力的影響也最大,因此裂縫最先在根部產(chǎn)生.因此,若要避免裂縫較早地產(chǎn)生,可以針對不同保險絲采用相應的措施.比如保險絲1可以進一步增大小孔的角度,增大倒角的半徑,并且打磨光滑可以有效地減小小孔處的應力集中影響;保險絲2可以增大腹板的厚度,精心設計和考慮焊接順序和焊接方法,可以推遲焊縫處的腹板開裂時間;保險絲3可以在根部進行一些加強措施,并減小焊縫處的應力集中.3.2種保險絲的延性分析為了更好地比較3種保險絲的滯回性能,滯回曲線的橫坐標采用剪切位移角,縱坐標采用實測的水平荷載,分別得到3個試件的滯回曲線和骨架曲線,如圖12,13和14所示.觀察保險絲1的滯回曲線,可以發(fā)現(xiàn)保險絲1的滯回曲線非常穩(wěn)定飽滿,其發(fā)展過程可以明顯地分成兩個階段,劃分的界限就是腹板開裂前和腹板開裂后.腹板開裂前隨著位移的增大,剪力也在顯著增大,滯回曲線形狀類似于斜向放置的平行四邊形,開裂后隨著承載力的不斷下降,滯回曲線類似于水平放置的平行四邊形.如圖12b所示,保險絲1達到峰值荷載時的剪切角為3.41%,而保險絲1的腹板開裂剪切角為3.55%,即保險絲達到峰值荷載后不久,腹板開始出現(xiàn)裂縫,承載力開始下降,在剪切角為4.19%時承載力下降到峰值荷載的85%.在承載力下降的過程中骨架曲線上有一個明顯的拐點,即當剪切角達到4.74%時,剪力下降到了峰值剪力的75%后,承載力下降的速率明顯變小,原因是此時腹板已基本開裂,腹板承擔的荷載減小.當剪切角達到8.3%時,承載力最終下降到峰值剪力的63%,此后承載力下降極其緩慢.保險絲2的滯回曲線非常穩(wěn)定飽滿,其屈服平臺很長,下降段的斜率也很平緩.滯回曲線的形狀變化過程有點類似于保險絲1,但其發(fā)展變化更加平緩,承載力下降更加緩慢.在剪切角為1.28%時達到屈服,剪切角為5.98%時達到了峰值剪力,剪切位移角為7.82%時承載力下降到了峰值剪力的85%,因此荷載下降段非常平緩.最終剪切角達到9.37%時,承載力下降到了64%,如圖13b所示,在保險絲的屈服平臺上有一個小凹坑,原因是剪切角達到3.86%附近時,由于腹板中間區(qū)格屈曲比較嚴重,降低了承載力,但很快隨著屈曲后腹板強度的增大,剪切角為5.98%時保險絲才達到了峰值剪力.3種保險絲的骨架曲線總結如表4所示,延性系數(shù)一般取極限位移與屈服位移之比,在這里因為3種保險絲的長度相同,延性系數(shù)取極限剪切角與屈服剪切角之比.結合3種保險絲的滯回曲線和表4總結的結果可知,保險絲3屈服最早,承載力最低,甚至不到保險絲2的一半,但其延性較好.但是需要指出的是,其延性系數(shù)較大的原因是屈服剪切角很小,按照極限剪切角衡量,其極限剪切角雖然大于保險絲1,但其變形一旦超過極限剪切角,則承載力下降很快,而且峰值剪切角與極限剪切角相差不多.綜合來看,保險絲2的承載力最高,峰值剪切角最大,極限剪切角也最大,延性系數(shù)較高.為了進一步評估3種保險絲的抗震性能,作出3種保險絲的正則化剪力-剪切角骨架曲線,如圖15所示.縱坐標軸為每種保險絲的剪力V除以其屈服剪力Vy,橫坐標軸為剪切角γ除以屈服剪切角γy.3.3強度退化率.本次試驗,每級加載循環(huán)3次,為了充分考察保險絲的荷載保持能力,取每級位移第3次循環(huán)的峰值荷載Vpeak3與第1次循環(huán)的峰值荷載Vpeak1之比來計算強度退化率.在反復荷載作用下,隨著側向荷載的增加,試件的剛度也在不斷退化,這里試件的剛度采用等效割線剛度K.3種保險絲的強度退化曲線和剛度退化曲線分別如圖16和17所示.從圖17可知,保險絲1和2的剛度相差不多,剛度退化過程也相似,都是開始退化較快,后期逐漸變緩,曲線比較光滑,沒有大的剛度突變.保險絲3的剛度雖然遠遠小于保險絲1和2,但其剛度退化非常平緩.3.4剪切角對能耗能力的影響等效黏滯阻尼系數(shù)he經(jīng)常被用來評價結構的耗能性能,其計算方法如公式1和圖18所示.式中:SABC,SCDA,SOBE,SODF分別為ABE,CDA,OBE,ODF所圍的陰影面積.計算的黏滯阻尼系數(shù)如圖19所示,當剪切角小于3.5%時,保險絲1的耗能能力最好,保險絲2居中,保險絲3較差.當剪切角大于3.5%之后,保險絲1的腹板開裂,耗能能力開始迅速下降,直到腹板完全開裂后,耗能能力才基本保持穩(wěn)定,等效黏滯阻尼系數(shù)保持在0.3左右.保險絲2在剪切角達到3.9%時,等效黏滯阻尼系數(shù)開始下降,因為此時保險絲中間區(qū)格的腹板屈曲已經(jīng)比較嚴重,但下降速率緩慢,最終等效黏滯阻尼系數(shù)維持在0.35左右.保險絲3的等效黏滯阻尼系數(shù)雖然開始階段較小,但當剪切角達到3.5%時,保險絲3的阻尼系數(shù)還在繼續(xù)增大,并逐漸超過了保險絲1和2,在剪切角為4.3%時最大黏滯阻尼系數(shù)達到了0.43,但此后由于根部破壞較快,很快就喪失了耗能能力.總體來看,保險絲2的耗能能力最穩(wěn)定,保險絲1的耗能能力雖然開始較強,但開裂后下降很快,雖然保險絲3的最大黏滯阻尼系數(shù)大于保險絲1和2,但其過了峰值荷載后破壞較快,較早地喪失了耗能能力.3.5循環(huán)加載時,保險絲在60圈后的承載力和抗疲勞性能測試鑒于保險絲在地震作用下要經(jīng)歷多次反復變形,因此需要考察保險絲的抗疲勞性能.每種保險絲取3個,分別進行3mm位移工況、6mm位移工況和9mm位移工況的疲勞試驗.3,6和9mm位移分別表示作動器的位移,實際的保險絲的相對位移比作動器的位移要小.3種位移工況下,保險絲的剪切角分別達到1.0%,2.0%和3.5%左右.加載停止的條件是循環(huán)次數(shù)大于60次后保險絲承載力基本沒有下降或者承載力下降到了最大承載力的85%.如圖20a,21a和22a所示,在3mm的位移工況下,3種保險絲循環(huán)加載了60圈后,承載力基本沒有下滑,表明保險絲在剪切角為1%時,抗疲勞性能都很好.如圖20b,21b和22b所示,在6mm的位移工況下,保險絲1在循環(huán)了45圈的時候,承載力下降到了峰值荷載的85%.保險絲2除了第一圈因為加載裝置間隙引起曲線有偏移外,經(jīng)過60圈循環(huán)后承載力僅下降了不到3%,表明保險絲2的抗疲勞性能非常好.保險絲3在經(jīng)歷了60圈循環(huán)后承載力下降了14%左右,表明保險絲3的抗疲勞性能雖不及保險絲2,但強于保險絲1.如圖20c,21c和22c所示,保險絲1在9mm位移工況下,強度退化較快,經(jīng)歷了15個循環(huán)后承載力就下降到了峰值荷載的85%.保險絲2在經(jīng)歷了60次循環(huán)后承載力才下降了不到15%.對保險絲3而言,9mm的位移工況下,保險絲的剪切角已達到了4.2%,與峰值點較為接近,因此承載力退化很快,在經(jīng)歷了20次循環(huán)后承載力便降到了峰值承載力的85%.總之,就抗疲勞性能而言,保險絲2的表現(xiàn)最好,保險絲3好于保險絲1.4鋼管殘余應力的消除(1)從各方面的性能比較來看,保險絲2(雙層腹板內(nèi)灌鉛)的抗震性能最優(yōu),不僅滯回曲線穩(wěn)定飽滿,骨架曲線的下降段平緩,延性系數(shù)大,剪切變形能力強,而且耗能能力強,強度退化小,抗疲勞性能強,非常適合在可更換連梁中使用.(2)保險絲1在開裂前的性能非常好,不僅剛度和強度與保險絲2類似,而且在剪切位移角小于3.5%時其耗能性能最好,但是腹板開裂后其各方面性能下降較多.這表明在保險絲的腹板開菱形孔確實能夠擴大腹板的屈服面積,增強保險絲的耗能能力,但要適當增大孔洞的夾角并采取有效措施減小開孔處的應力集中.(3)保險絲3的承載力和剛度都遠小于保險絲1和2,其絕對的剪切變形能力雖弱于保險絲1和2,但其延性系數(shù)較大,剛度退化最小,等效黏滯阻尼系數(shù)的最大值也高于保險絲1和2,最大的不足就是剪切變形能力較小,最大剪切角能夠達到4.9%,而且過了峰值荷載后破壞較快.根據(jù)其破壞主要是由于根部的應力較大和焊接殘余應力引起的,建議適當加強鋼管根部的強度,并采取有效措施減小焊接殘余應力的影響.(4)上述3種可更換連梁保險絲各有特點,實際應用中可根據(jù)不同的結構型式、不同的連梁跨度進行優(yōu)選,以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢.例如保險絲1可適用于剪切變形較小的連梁,能夠充分發(fā)揮其在剪切變形較小時耗能能力較強的特點;保險絲2的綜合性能最優(yōu),因此適用范圍較廣;保險絲3可應用于跨高比較大的可更換連梁,并可以設計成彎曲屈服型保險絲.保險絲3的主要試驗現(xiàn)象如表3所示,其初始的開裂狀態(tài)和最終的破壞狀態(tài)分別如圖10和11所示.保險絲3的滯回曲線形狀與前兩種保險絲不同,始終類似于一個水平放置的平行四邊形,滯回曲線很飽滿穩(wěn)定.其骨架曲線為典型的二折線型,在骨架曲線上有一個非常明顯的屈服點,屈服之前的骨架曲線類似于直線.在剪切角為0.73%時達到屈服,屈服平臺較長,剪切角為4.35%時達到峰值荷載,但在剪切角達到4.90%時就發(fā)生了破壞.從圖15可以看出,保險絲1和保險絲2的骨架曲線在屈服之前基本重合,證明這2個