連梁保險(xiǎn)絲抗震性能試驗(yàn)研究

連梁保險(xiǎn)絲抗震性能試驗(yàn)研究

連梁是連接四肢刀結(jié)構(gòu)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(huì)出現(xiàn)脆弱的切割破壞。許多科學(xué)家過(guò)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(shù)實(shí)際上可以提高連梁的抗疲勞動(dòng)性能，提高連梁的伸長(zhǎng)率。然而，這些方法的共同缺點(diǎn)是，施工困難，地震后很難修復(fù)。近年來(lái),國(guó)外廣泛使用鋼連梁或組合連梁來(lái)代替鋼筋混凝土連梁組成混合聯(lián)肢剪力墻結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)在40~70層的結(jié)構(gòu)中被廣泛使用,優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)成彎曲屈服構(gòu)件或剪切屈服構(gòu)件.研究表明,設(shè)計(jì)成剪切屈服構(gòu)件抗震性能更好,耗能性能和延性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通的鋼筋混凝土連梁.總之,無(wú)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(gè)缺點(diǎn),地震受損后修復(fù)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(gè)保險(xiǎn)絲,通過(guò)讓保險(xiǎn)絲破壞耗能來(lái)保護(hù)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(guò)相關(guān)的概念.這方面的研究最早是由辛辛那提大學(xué)的Fortney等開(kāi)展的,他們把一根工字鋼梁分成3個(gè)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(guò)連接板和螺栓相連接.Dankook大學(xué)的Chung等研究人員提出了在鋼連梁的中部附加一個(gè)摩擦阻尼器,通過(guò)摩擦阻尼器的耗能來(lái)增強(qiáng)連梁的耗能能力.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的滕軍等提出了一種連梁阻尼器.廣西大學(xué)的鄧志恒等提出了一種鋼桁架連梁.結(jié)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(xiǎn)絲構(gòu)件.組合連梁相對(duì)鋼連梁具有更大的剛度和更低的造價(jià),同樣易于與保險(xiǎn)絲相連接,并且目前的計(jì)算理論也比較成熟.鑒于保險(xiǎn)絲對(duì)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(gòu)造形式的保險(xiǎn)絲,分別對(duì)這3種保險(xiǎn)絲進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn),通過(guò)滯回特性、強(qiáng)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(xiǎn)絲的抗震性能.13剪切屈服型保險(xiǎn)絲為了增強(qiáng)可更換連梁的耗能能力,提出了3種不同類型的保險(xiǎn)絲,分別介紹如下:(1)普通工字型鋼,腹板開(kāi)有菱形孔,稱為保險(xiǎn)絲1.腹板開(kāi)菱形孔是為了使腹板能夠大部分屈服耗能,增強(qiáng)保險(xiǎn)絲的耗能能力,合理的屈服順序是最弱的截面先屈服,通過(guò)材料的強(qiáng)度硬化,達(dá)到腹板大部屈服的目的.這類保險(xiǎn)絲一般設(shè)計(jì)為剪切屈服耗能構(gòu)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(xiǎn)絲2.這種保險(xiǎn)絲類似于由工字型鋼和鉛剪切耗能器復(fù)合而成的構(gòu)件.雙層腹板和翼緣組成的空腔內(nèi)灌鉛有兩個(gè)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(xiǎn)絲也通常設(shè)計(jì)成剪切屈服耗能構(gòu)件.(3)兩根平行鋼管,每根鋼管內(nèi)部灌鉛,稱為保險(xiǎn)絲3.兩根平行設(shè)置的鋼管之間沒(méi)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(xiǎn)絲可以設(shè)計(jì)成彎曲屈服和剪切屈服混合型耗能構(gòu)件,可以通過(guò)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(xiǎn)絲均采用Q235鋼制作,3種保險(xiǎn)絲的設(shè)計(jì)圖和加工成型后的照片分別如圖1~3所示.端板上開(kāi)有4個(gè)螺孔用來(lái)與連梁的預(yù)埋型鋼相連接,損壞后便于拆卸更換.2試驗(yàn)裝置與加載采用平行四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)試件進(jìn)行剪切試驗(yàn).將保險(xiǎn)絲豎立起來(lái),其上端板通過(guò)轉(zhuǎn)換板與平行四連桿機(jī)構(gòu)的上部橫梁相連接,下端板通過(guò)轉(zhuǎn)換板與平行四連桿機(jī)構(gòu)的固定梁連接.利用63t的SCHENCK液壓作動(dòng)器對(duì)上部橫梁實(shí)施拉壓荷載,具體加載裝置如圖4所示.由于四連桿機(jī)構(gòu)的剛度非常大,能夠使保險(xiǎn)絲主要產(chǎn)生剪切變形,在這里忽略保險(xiǎn)絲的軸向變形.一共布置了4個(gè)位移計(jì),分別在底梁和加載梁上布置了2個(gè)水平位移計(jì),用來(lái)測(cè)量底座的滑移量和加載梁的水平位移.在與保險(xiǎn)絲連接的上下兩塊端板上布置了2個(gè)水平位移計(jì),用來(lái)測(cè)量保險(xiǎn)絲的剪切變形.數(shù)據(jù)通過(guò)江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH3817動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)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(shí)每次加載1mm位移,每級(jí)位移循環(huán)3圈測(cè)試保險(xiǎn)絲的荷載保持能力(加載時(shí)程如圖5所示).確定試件的疲勞特性時(shí)采用等位移幅值多周循環(huán)加載,考察試件對(duì)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(yàn)研究一共對(duì)51個(gè)保險(xiǎn)絲做了性能試驗(yàn),每種保險(xiǎn)絲有17個(gè)試件,其中14個(gè)試件進(jìn)行低周反復(fù)性能試驗(yàn)研究,3個(gè)試件進(jìn)行疲勞性能研究.每種保險(xiǎn)絲選取一個(gè)典型試驗(yàn)結(jié)果予以介紹.3.1保險(xiǎn)絲裂縫產(chǎn)生原因分析為了比較3種保險(xiǎn)絲的破壞機(jī)理,鑒于3種保險(xiǎn)絲的跨度都一樣,試驗(yàn)現(xiàn)象描述時(shí)以保險(xiǎn)絲的剪切位移角來(lái)進(jìn)行描述.保險(xiǎn)絲1的試驗(yàn)現(xiàn)象如表1所示,破壞照片如圖6和7所示.保險(xiǎn)絲2的主要試驗(yàn)現(xiàn)象如表2所示,為了便于描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,假定保險(xiǎn)絲的腹板加勁肋把腹板分成3個(gè)部分,分別稱為上區(qū)格,中區(qū)格和下區(qū)格.保險(xiǎn)絲2的初始開(kāi)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(yàn)現(xiàn)象上分析,保險(xiǎn)絲2屈曲較早,原因是保險(xiǎn)絲2的腹板厚度較薄,較早發(fā)生輕微屈曲是正常的.保險(xiǎn)絲1的裂縫雖然產(chǎn)生的時(shí)間比保險(xiǎn)絲2晚一點(diǎn),但保險(xiǎn)絲1的裂縫發(fā)展較快.保險(xiǎn)絲3的裂縫產(chǎn)生得最晚,但保險(xiǎn)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(lái)看,保險(xiǎn)絲2的裂縫發(fā)展速度最慢,保險(xiǎn)絲3的裂縫發(fā)展最快,保險(xiǎn)絲1的發(fā)展速度居中.從裂縫產(chǎn)生的原因分析,保險(xiǎn)絲1是由于小孔的尺寸較小,且加工打磨不夠光滑導(dǎo)致小孔處應(yīng)力集中,從而最開(kāi)始在小孔處產(chǎn)生裂紋.保險(xiǎn)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(yīng)力影響較大,導(dǎo)致裂縫基本都產(chǎn)生在腹板與加勁肋的焊縫處.保險(xiǎn)絲3的裂縫最先在根部產(chǎn)生,原因是根部的彎矩最大,應(yīng)力最大,而且根部受焊接殘余應(yīng)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(duì)不同保險(xiǎn)絲采用相應(yīng)的措施.比如保險(xiǎn)絲1可以進(jìn)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(yīng)力集中影響;保險(xiǎn)絲2可以增大腹板的厚度,精心設(shè)計(jì)和考慮焊接順序和焊接方法,可以推遲焊縫處的腹板開(kāi)裂時(shí)間;保險(xiǎn)絲3可以在根部進(jìn)行一些加強(qiáng)措施,并減小焊縫處的應(yīng)力集中.3.2種保險(xiǎn)絲的延性分析為了更好地比較3種保險(xiǎn)絲的滯回性能,滯回曲線的橫坐標(biāo)采用剪切位移角,縱坐標(biāo)采用實(shí)測(cè)的水平荷載,分別得到3個(gè)試件的滯回曲線和骨架曲線,如圖12,13和14所示.觀察保險(xiǎn)絲1的滯回曲線,可以發(fā)現(xiàn)保險(xiǎn)絲1的滯回曲線非常穩(wěn)定飽滿,其發(fā)展過(guò)程可以明顯地分成兩個(gè)階段,劃分的界限就是腹板開(kāi)裂前和腹板開(kāi)裂后.腹板開(kāi)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(kāi)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(xiǎn)絲1達(dá)到峰值荷載時(shí)的剪切角為3.41%,而保險(xiǎn)絲1的腹板開(kāi)裂剪切角為3.55%,即保險(xiǎn)絲達(dá)到峰值荷載后不久,腹板開(kāi)始出現(xiàn)裂縫,承載力開(kāi)始下降,在剪切角為4.19%時(shí)承載力下降到峰值荷載的85%.在承載力下降的過(guò)程中骨架曲線上有一個(gè)明顯的拐點(diǎn),即當(dāng)剪切角達(dá)到4.74%時(shí),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(shí)腹板已基本開(kāi)裂,腹板承擔(dān)的荷載減小.當(dāng)剪切角達(dá)到8.3%時(shí),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(xiǎn)絲2的滯回曲線非常穩(wěn)定飽滿,其屈服平臺(tái)很長(zhǎng),下降段的斜率也很平緩.滯回曲線的形狀變化過(guò)程有點(diǎn)類似于保險(xiǎn)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(shí)達(dá)到屈服,剪切角為5.98%時(shí)達(dá)到了峰值剪力,剪切位移角為7.82%時(shí)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(dá)到9.37%時(shí),承載力下降到了64%,如圖13b所示,在保險(xiǎn)絲的屈服平臺(tái)上有一個(gè)小凹坑,原因是剪切角達(dá)到3.86%附近時(shí),由于腹板中間區(qū)格屈曲比較嚴(yán)重,降低了承載力,但很快隨著屈曲后腹板強(qiáng)度的增大,剪切角為5.98%時(shí)保險(xiǎn)絲才達(dá)到了峰值剪力.3種保險(xiǎn)絲的骨架曲線總結(jié)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?yàn)?種保險(xiǎn)絲的長(zhǎng)度相同,延性系數(shù)取極限剪切角與屈服剪切角之比.結(jié)合3種保險(xiǎn)絲的滯回曲線和表4總結(jié)的結(jié)果可知,保險(xiǎn)絲3屈服最早,承載力最低,甚至不到保險(xiǎn)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(xiǎn)絲1,但其變形一旦超過(guò)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(lái)看,保險(xiǎn)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(jìn)一步評(píng)估3種保險(xiǎn)絲的抗震性能,作出3種保險(xiǎn)絲的正則化剪力-剪切角骨架曲線,如圖15所示.縱坐標(biāo)軸為每種保險(xiǎn)絲的剪力V除以其屈服剪力Vy,橫坐標(biāo)軸為剪切角γ除以屈服剪切角γy.3.3強(qiáng)度退化率.本次試驗(yàn),每級(jí)加載循環(huán)3次,為了充分考察保險(xiǎn)絲的荷載保持能力,取每級(jí)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(lái)計(jì)算強(qiáng)度退化率.在反復(fù)荷載作用下,隨著側(cè)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(xiǎn)絲的強(qiáng)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(xiǎn)絲1和2的剛度相差不多,剛度退化過(guò)程也相似,都是開(kāi)始退化較快,后期逐漸變緩,曲線比較光滑,沒(méi)有大的剛度突變.保險(xiǎn)絲3的剛度雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于保險(xiǎn)絲1和2,但其剛度退化非常平緩.3.4剪切角對(duì)能耗能力的影響等效黏滯阻尼系數(shù)he經(jīng)常被用來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的耗能性能,其計(jì)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(jì)算的黏滯阻尼系數(shù)如圖19所示,當(dāng)剪切角小于3.5%時(shí),保險(xiǎn)絲1的耗能能力最好,保險(xiǎn)絲2居中,保險(xiǎn)絲3較差.當(dāng)剪切角大于3.5%之后,保險(xiǎn)絲1的腹板開(kāi)裂,耗能能力開(kāi)始迅速下降,直到腹板完全開(kāi)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(xiǎn)絲2在剪切角達(dá)到3.9%時(shí),等效黏滯阻尼系數(shù)開(kāi)始下降,因?yàn)榇藭r(shí)保險(xiǎn)絲中間區(qū)格的腹板屈曲已經(jīng)比較嚴(yán)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(xiǎn)絲3的等效黏滯阻尼系數(shù)雖然開(kāi)始階段較小,但當(dāng)剪切角達(dá)到3.5%時(shí),保險(xiǎn)絲3的阻尼系數(shù)還在繼續(xù)增大,并逐漸超過(guò)了保險(xiǎn)絲1和2,在剪切角為4.3%時(shí)最大黏滯阻尼系數(shù)達(dá)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(lái)看,保險(xiǎn)絲2的耗能能力最穩(wěn)定,保險(xiǎn)絲1的耗能能力雖然開(kāi)始較強(qiáng),但開(kāi)裂后下降很快,雖然保險(xiǎn)絲3的最大黏滯阻尼系數(shù)大于保險(xiǎn)絲1和2,但其過(guò)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(shí),保險(xiǎn)絲在60圈后的承載力和抗疲勞性能測(cè)試鑒于保險(xiǎn)絲在地震作用下要經(jīng)歷多次反復(fù)變形,因此需要考察保險(xiǎn)絲的抗疲勞性能.每種保險(xiǎn)絲取3個(gè),分別進(jìn)行3mm位移工況、6mm位移工況和9mm位移工況的疲勞試驗(yàn).3,6和9mm位移分別表示作動(dòng)器的位移,實(shí)際的保險(xiǎn)絲的相對(duì)位移比作動(dòng)器的位移要小.3種位移工況下,保險(xiǎn)絲的剪切角分別達(dá)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(xiǎn)絲承載力基本沒(méi)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(xiǎn)絲循環(huán)加載了60圈后,承載力基本沒(méi)有下滑,表明保險(xiǎn)絲在剪切角為1%時(shí),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(xiǎn)絲1在循環(huán)了45圈的時(shí)候,承載力下降到了峰值荷載的85%.保險(xiǎn)絲2除了第一圈因?yàn)榧虞d裝置間隙引起曲線有偏移外,經(jīng)過(guò)60圈循環(huán)后承載力僅下降了不到3%,表明保險(xiǎn)絲2的抗疲勞性能非常好.保險(xiǎn)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(xiǎn)絲3的抗疲勞性能雖不及保險(xiǎn)絲2,但強(qiáng)于保險(xiǎn)絲1.如圖20c,21c和22c所示,保險(xiǎn)絲1在9mm位移工況下,強(qiáng)度退化較快,經(jīng)歷了15個(gè)循環(huán)后承載力就下降到了峰值荷載的85%.保險(xiǎn)絲2在經(jīng)歷了60次循環(huán)后承載力才下降了不到15%.對(duì)保險(xiǎn)絲3而言,9mm的位移工況下,保險(xiǎn)絲的剪切角已達(dá)到了4.2%,與峰值點(diǎn)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(xiǎn)絲2的表現(xiàn)最好,保險(xiǎn)絲3好于保險(xiǎn)絲1.4鋼管殘余應(yīng)力的消除(1)從各方面的性能比較來(lái)看,保險(xiǎn)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(qiáng),而且耗能能力強(qiáng),強(qiáng)度退化小,抗疲勞性能強(qiáng),非常適合在可更換連梁中使用.(2)保險(xiǎn)絲1在開(kāi)裂前的性能非常好,不僅剛度和強(qiáng)度與保險(xiǎn)絲2類似,而且在剪切位移角小于3.5%時(shí)其耗能性能最好,但是腹板開(kāi)裂后其各方面性能下降較多.這表明在保險(xiǎn)絲的腹板開(kāi)菱形孔確實(shí)能夠擴(kuò)大腹板的屈服面積,增強(qiáng)保險(xiǎn)絲的耗能能力,但要適當(dāng)增大孔洞的夾角并采取有效措施減小開(kāi)孔處的應(yīng)力集中.(3)保險(xiǎn)絲3的承載力和剛度都遠(yuǎn)小于保險(xiǎn)絲1和2,其絕對(duì)的剪切變形能力雖弱于保險(xiǎn)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(xiǎn)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(dá)到4.9%,而且過(guò)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(yīng)力較大和焊接殘余應(yīng)力引起的,建議適當(dāng)加強(qiáng)鋼管根部的強(qiáng)度,并采取有效措施減小焊接殘余應(yīng)力的影響.(4)上述3種可更換連梁保險(xiǎn)絲各有特點(diǎn),實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)型式、不同的連梁跨度進(jìn)行優(yōu)選,以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì).例如保險(xiǎn)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(shí)耗能能力較強(qiáng)的特點(diǎn);保險(xiǎn)絲2的綜合性能最優(yōu),因此適用范圍較廣;保險(xiǎn)絲3可應(yīng)用于跨高比較大的可更換連梁,并可以設(shè)計(jì)成彎曲屈服型保險(xiǎn)絲.保險(xiǎn)絲3的主要試驗(yàn)現(xiàn)象如表3所示,其初始的開(kāi)裂狀態(tài)和最終的破壞狀態(tài)分別如圖10和11所示.保險(xiǎn)絲3的滯回曲線形狀與前兩種保險(xiǎn)絲不同,始終類似于一個(gè)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(gè)非常明顯的屈服點(diǎn),屈服之前的骨架曲線類似于直線.在剪切角為0.73%時(shí)達(dá)到屈服,屈服平臺(tái)較長(zhǎng),剪切角為4.35%時(shí)達(dá)到峰值荷載,但在剪切角達(dá)到4.90%時(shí)就發(fā)生了破壞.從圖15可以看出,保險(xiǎn)絲1和保險(xiǎn)絲2的骨架曲線在屈服之前基本重合,證明這2個(gè)