新型可更换钢连梁设计及其静力性能研究*

侯俊涛，金晓飞，王化杰，钱宏亮，崔婧瑞，于永澄，范 峰

(1.哈尔滨工业大学(威海)海洋工程学院，山东 威海 264200； 2.中国建筑一局(集团)有限公司，北京 100161；3.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

0 引言

剪力墙结构和框架-剪力墙结构是目前高层结构中最常用的结构形式，而连梁则是这些结构中最为重要的耗能构件，但是传统的一体式钢筋混凝土连梁由于耗能能力、变形能力都相对较差，尤其是震后修复困难，难以满足震后功能可恢复的要求。为减轻建筑功能受地震影响，减小结构在地震作用下损坏后的修复难度和成本，学者们提出了用钢连梁替代钢筋混凝土连梁。相较于钢筋混凝土连梁，钢连梁具有更好的耗能能力和便于拆卸安装的特点，更加符合震后快速修复的需求,因此用可更换的钢连梁来代替钢筋混凝土连梁逐渐成为了该类结构的技术研究热点[1-2]。国内外学者对其性能进行了各种研究并设计了许多形式的钢连梁。Mc Daniel等[3]在2003年对损伤后的工字钢梁试件进行研究并分析了其可更换性能；Fortney等[4]在 2007年做了可更换“保险丝”钢连梁的试验，使连梁破坏集中于跨中削弱段，易于替换；Lyons等[5]发明了一种连梁黏弹性连接阻尼器，在小震作用下效果明显，易于更换；毛晨曦等发明了一种新型形状记忆合金阻尼器，并将该阻尼器应用在连梁上，构成可更换连梁，经过试验发现：安装阻尼器的连梁能够将变形集中于跨中阻尼器，大大减小了连梁的损伤[6-7]；纪晓东等[8-9]在2015年提出了一种三段式新型可更换钢连梁，该可更换钢连梁由两侧的主梁段与中间的可更换梁段组成。经过试验发现：可更换钢连梁的承载力较高，塑性变形能力和滞回耗能能力均较好，具有较好的抗震性能。

但是上述研究中，钢连梁的设计和连接更换都没有考虑结构震后变形导致的非消能梁段间轴向长度缩短，实际情况中连梁轴向长度的缩短会大大增加可更换钢连梁的更换难度，如图1所示，L1>L2。因此本文设计了一种轴向长度可调的新型可更换钢连梁(以下简称新型钢连梁)，解决轴向长度变化所带来的钢连梁更换难题。并对这种新型钢连梁进行了精细化有限元建模，分析其在静力作用下的力学性能，掌握新型钢连梁的刚度、承载力等关键力学指标，并研究了连梁与中间连接件不同连接长度和不同中间连接件截面特性对其力学性能的影响，为新型钢连梁的进一步应用提供了理论支持。

图1 可更换连梁变形前后对比

1 新型钢连梁的设计与安装方法

1.1 新型钢连梁

新型钢连梁构造如图2所示，主要由两侧的非消能梁段和中间的消能梁段组成，非消能梁段采用工字钢梁，消能梁段采用空心圆管式钢梁。两个消能梁段都有螺栓孔，通过中间消能梁长度调节连接件(下称中间连接件)实现连接和轴向长度调整；消能梁和非消能梁则通过端板、高强螺栓以及剪力键连接，该节点除了具有传统可更换钢连梁的耗能和传力优点外，还具有连梁长度可调、震后残余角容差大、施工安装更加方便、震后修复更加快速等优点。

图2 新型钢连梁构造

1.2 新型连接梁设计

1)消能梁段钢连梁的设计

为了更好地评价新型钢连梁的性能特点，以课题组前期研究的工字钢连梁几何特性为依据，按照薄壁圆管与工字钢抗弯截面模量相等的原则设计本文所研究新型钢连梁的尺寸。课题组前期研究的钢连梁消能梁段采用Q235钢，尺寸如图3所示[10]；最终确定新型钢连梁消能梁段选用Q235钢；外层圆管直径400mm，壁厚14mm，长度220mm，屈服剪力为1 197kN。消能梁段如图4所示。

图3 前期研究工字消能梁尺寸

图4 消能梁段示意

2)非消能梁段钢连梁设计

对于非消能梁段，本文中新型钢连梁采用与课题组前期研究钢连梁相同的结构形式[10]，尺寸如图5所示。采用Q345钢，屈服剪力为2 981kN，非消能梁段屈服剪力高于消能梁段，满足设计要求。非消能梁段如图6所示。

图5 前期研究工字非消能梁尺寸

图6 非消能梁段示意

3)中间连接件设计

中间连接件如图7所示，主要起连接新型钢连梁消能梁段，调节轴向长度以便震后更换的作用。中间连接件截面采用正六边，以方便施加扭矩调节连接螺栓长度，正六边形厚度定为60mm。根据规范[11]规定的螺纹尺寸对中间连接件螺纹进行设计，如图8所示，连接件一侧螺栓长度设计为70mm，螺纹细部如图9所示。

图7 连接件示意

图8 螺纹示意

图9 螺纹细部

1.3 安装方法

新型钢连梁的施工过程主要可以分为以下几个步骤(见图10)。

图10 施工步骤

1)步骤1 按照设计长度将中间连接件与消能梁段通过螺栓连接，拧紧。

2)步骤2 将连接好的消能梁段提升到对应高度与非消能梁段进行定位。

3)步骤3 转动中间连接件，调整消能梁段轴向长度到非消能梁段间距，卡紧消能梁与非消能梁并对好螺栓孔位。

4)步骤4 将消能梁段端板和非消能梁段端板通过高强螺栓以及剪力键连接。

2 有限元模型建立及分析方案

使用ABAQUS软件对新型钢连梁进行建模，并根据美国规范AISC 341—10，对基础方案进行模拟，确定其静力性能。

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2.1 有限元建模

1)材料本构设置

有限元模型材料除对薄壁圆管和中间连接件处采用Q235钢外，其余部件均采用Q345钢，螺栓均为10.9级M27摩擦型高强螺栓。

模型采用理想弹塑性模型，使用Mises屈服准则，关键材料参数如表1所示。

2)接触设置

在ABAQUS中设置刚度相对较大的面作为主动面，另一个作为从动面，且从动面网格划分更细一些。接触面法向定义为“硬接触”，切向定义为“库伦摩擦”，摩擦系数取0.20，使模拟结果更符合实际情况。

3)边界条件

将连梁一端完全固定，另一端限制x，z方向位移与x，y，z方向转角，并在位移端将截面耦合到RF-1点，采用位移控制加载，强迫梁端位移75mm(即剪切角0.05rad)。

4)单元选取与网格划分

为使模型的计算结果更加精确，本文建立的模型采用三维六面体实体单元。对螺栓部分，中间连接件螺纹部分以及消能梁段的螺纹部分对网格进行加密处理；非消能梁段因其较为规则且被认为不进入塑性阶段，所以网格划分适当放宽。

2.2 分析方案

表2 新型钢连梁有限元模拟分析方案

3 钢连梁静力性能模拟分析

3.1 L50B30模拟结果

L50B30的剪力-剪切角曲线如图11所示，可以看出，在加载初期即剪切角在0.004 8rad之前，剪力与剪切角线性关系基本保持良好，初始刚度约为243 333kN/rad，但当剪切角达到0.004 8rad，剪力达到1 168kN后，新型钢连梁开始屈服，刚度开始下降，最终极限剪力为1 355kN。

图11 L50B30剪力-剪切角曲线

图12为L50B30的应力云图，可以看出，新型钢连梁整体受力性能良好，L50B30的破坏模式主要为消能梁段薄壁圆管屈曲破坏，中间连接件变形较小，连接部位螺纹可以保持弹性，能满足震后连梁易于拆卸的设计目的。

图12 L50B30的应力云图

3.2 新型钢连梁连接长度影响分析

对比方案组1的剪力-剪切角曲线如图13所示，通过减小中间连接件螺栓的连接长度以研究新型钢连梁连接长度对其静力性能的影响。可以看出，随着中间连接件螺栓连接长度的减小，在连接长度从50mm减小到40mm时新型钢连梁的刚度、屈服剪力以及极限剪力并没有明显变化，但是在连接长度减小到30mm时，其刚度、屈服剪力与极限剪力骤降，在剪切角达到0.015 3rad后新型钢连梁不能继续承载，发生破坏，极限剪力为1 100kN。

图13 对比方案组1各模型剪力-剪切角曲线

图14为L30B30的应力云图，可以看出，此时新型钢连梁的破坏模式较L50B30发生了明显变化，由耗能梁段薄壁圆管屈曲破坏变为中间连接件螺栓拔出破坏，其在耗能梁段薄壁屈曲前中间连接件螺栓已经发生拔出，因此极限剪力大大下降并且刚度骤然减小，尚未达到设计的极限剪切角便已经发生破坏，不能满足震后易于拆卸的设计要求，因此对于算例方案，为了保证连接位置不发生破坏，其连接长度应至少满足40mm。

图14 L30B30的应力云图

3.3 中间连接件截面特性影响分析

对比方案组2的剪力-剪切角曲线如图15所示，通过减小中间连接件的管壁厚度以研究不同中间连接件截面特性对新型钢连梁静力性能的影响。可以看出，中间连接件管壁厚度在≥17mm时，新型钢连梁静力性能并没有随管壁厚度的改变而改变；在中间连接件管壁厚度减小到16mm后，随着中间连接件管壁厚度的减小，钢梁的屈服剪力逐渐下降，不过极限剪力基本没有变化。中间连接件管壁厚度减小到16mm时，其初始刚度为237 608kN/rad，屈服剪切角为0.004 6rad，屈服剪力1 093kN。

图15 对比方案组2各模型剪力-剪切角曲线

图16为L50B16的应力云图，可以看出，此时新型钢连梁的破坏模式较L50B30发生了明显变化，破坏模式以耗能梁段屈曲以及中间连接件螺栓拔出为主。这主要是因为随着中间连接件管壁厚度的降低，中间连接件的刚度和承载力也在逐渐降低，当中间连接件壁厚接近和低于消能梁钢管部件厚度时，其破坏模式将由消能梁段薄壁圆管破坏转变为二者协同破坏。因此中间连接件管壁厚度减小到16mm以后，其屈服剪力开始逐渐下降，中间连接件也将发生破坏，影响震后连梁的拆卸，所以对于算例方案，为了保证中间连接件不发生破坏，其中间连接件管壁厚度应至少满足17mm。

图16 L50B16的应力云图

4 结语

本文对轴向长度可调的新型可更换钢连梁进行了设计及性能研究，主要结论如下。

1)提出了一种新型轴向长度可调的可更换钢连梁方案及其施工方法，有效解决了现有钢连梁震后轴向距离变化所造成的更换困难问题。

2)建立了新型钢连梁的精细化有限元模型，并对典型方案进行了设计和分析，结果表明，其破坏模式主要为消能梁段薄壁圆管屈曲破坏，可以满足震后连梁易于拆卸的设计目的，其初始刚度为243 333kN/rad、屈服剪力为1 168kN、屈服转角为0.004 8rad、极限剪力为1 355kN，为掌握新型钢连梁的力学性能提供了依据。

3)新型钢连梁的连接长度参数分析表明，当连接长度小于40mm后，其刚度、屈服剪力、屈服转角与极限剪力明显降低，破坏模式也由消能梁段薄壁圆管破坏转变为中间连接件螺栓拔出破坏，因此为了保证连梁的拆卸更换，其连接长度设计应至少满足40mm。

4)中间连接件截面特性参数分析表明，当中间连接件壁厚为17mm及以上时，连接件管壁厚度的改变对新型钢连梁静力性能没有影响，当厚度小于17mm时，其刚度、屈服剪力、屈服转角均随着厚度的降低而逐渐减少，破坏模式也由消能梁段薄壁圆管破坏转变为中间连接件与消能梁段薄壁圆管二者协同破坏，因此为了保证连梁的顺利拆卸更换，其中间连接件壁厚设计应至少满足17mm。