带可更换耗能梁的结构体系研究进展

范文杰

(介休市建筑设计院，山西 介休 032000)

1 概述

地震是一种破坏力较大的自然灾害，发生地震时会对城市和建筑物造成巨大破坏，同时也会给人类的生活带来不便。我国所有地区都在6度及以上，发生地震时将面临严重的震害风险[1-2]。

对于传统的抗震设计理念，主要注重提高结构的抗震性能和保护人们的生命安全，忽略了震后结构的使用功能和可恢复功能。地震过后，损伤严重的构件修复困难或者成本较高，只能重建，既会造成资源的浪费，也会造成巨大损失[3-5]。为了保证地震过后结构功能的快速恢复，具有功能可恢复结构逐渐成为当前研究的热点。在保证安全的情况下，通过更换受损构件，实现结构震后功能的快速恢复，从而减少建筑功能中断的试件和修复的难度[6-8]。

目前，具有可恢复功能的可更换耗能梁主要运用到了剪力墙结构、框架结构以及框架-支撑结构体系中[9-10]。本研究将对不同体系中的可更换耗能梁进行总结，并对这种结构的未来发展前景进行分析与研究。可为今后具有可恢复功能的研究提供一定的理论基础。

2 剪力墙结构中的可更换耗能梁

可更换耗能梁在剪力墙结构中的应用比较广泛。Fortney等[11]针对剪力墙结构首次提出了可更换耗能梁的概念，即用钢连梁代替原来的钢筋混凝土连梁，并将连梁分为中间耗能段和两侧梁段，在地震作用下，塑性变形和损伤能够集中在中间耗能段，并且震后受损的耗能段易于更换。纪晓东针对剪力墙结构进一步发展了可更换钢连梁，如图1所示，该梁由中间耗能段和两侧非耗能段组成，通过研究表明：这种结构具有较好的变形能力和耗能能力，震后能够快速更换受损构件以达到快速恢复结构的使用功能。吕西林等[12]在钢连梁跨中设置耗能构件，并提出三种不同类型的连梁保险丝，结果表明：在地震作用下，可更换连梁保险丝能集中损伤，而两端的连接梁能够始终保持弹性状态。

综上所述，在剪力墙结构中，带可更换耗能梁的结构抗震性能和可更换性能较好，并且震后更换方便，目前，可更换耗能梁在剪力墙结构中的理论研究已经十分成熟，通过研究表明：这种结构在实际工程中有一定的实用价值，有待在实际工程中作进一步的验证。

3 框架结构中的可更换耗能梁

近年来，可更换耗能梁在框架结构中的研究也取得了一定的进步。谢鲁齐等[13-14]提出一种新型可更换耗能钢梁，并将这种耗能钢梁用于装配式混凝土框架中，结果表明：试件的塑性变形仅出现在指定的耗能构件中，震后通过更换耗能构件即可实现结构功能的恢复。

邵铁峰等[15]提出一种可更换钢梁，如图2所示。通过角钢将钢梁中间段与端部连接，角钢主要承受地震作用下产生的损伤，而梁段则保持弹性。结果表明：角钢能够在地震作用下快速更换，并且结构的抗震性能较好。张浩等[16-17]提出了一种在钢框筒裙梁跨中设置可更换耗能梁的结构，如图3所示，通过研究表明：耗能梁段具有稳定的滞回耗能能力，结构的变形能力较好，并且能集中损伤。

综上所述，根据现有成果，可更换耗能梁在框架结构中的研究较少，应用主要集中在可更换梁端设置可更换耗能连接件，震后通过更换受损耗能连接件来恢复结构的使用功能，需对框架结构中的可更换耗能梁做进一步的研究，从而能够更好的运用到实际工程中去。

4 框架-支撑结构中的可更换耗能梁

可更换耗能梁在框架-支撑结构中的应用，主要集中在偏心支撑框架的耗能梁段和支撑上。Mansour[18]等将可更换耗能梁的原理引入到了偏心支撑的耗能梁段中，通过研究表明：这种带可更换耗能梁的结构塑性变形能力较好，延性较高，可更换残余层间位移角较大，当可更换参与位移角为0.005时，能够快速简便的更换受损耗能段。吴徽等[19]将可更换防屈曲支撑用于RC框架中，通过对模型进行了拟静力试验，结果表明：变形与损伤主要集中在防屈曲支撑中，提高了框架结构的延性和抗震性能，并且通过更换受损的防屈曲支撑可迅速恢复结构功能，试件形式如图4所示。吴瑞尧[20]提出一种新型消能梁段，该消能梁段由高强钢外框和软钢腹板组成，两者共同耗能，并且软钢腹板能够快速完成更换。消能梁形式如图5所示。

综上所述，可更换耗能梁在框架-支撑结构中的研究取得了一定的成果，根据现有的研究成果，可更换耗能梁主要运用到了偏心支撑的耗能梁段中，通过偏心支撑构件进行耗能，这种结构具有较好的可更换性和抗震性能，需对这种结构进行进一步的研究，从而设计出更加安全可靠的结构形式。

5 结语

通过对不同结构体系下可更换耗能梁的应用进行分析与研究，结果表明：

1)可更换耗能梁设计简单，传力明确，表现出较好的抗震性能和可更换性能，并且具有稳定的滞回耗能能力。

2)可更换耗能梁在剪力墙结构中的应用较为广泛，地震过后，通过更换受损耗能段即可快速恢复结构的使用功能，而在框架结构和框架-支撑结构中的应用较少，需做进一步的研究。

3)可更换耗能梁能够较好的满足结构的可恢复性，能够为可恢复结构的发展提供一定的理论基础。