第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 耗能可更换连梁在钢筋混凝土框架-剪力墙实际工 程中的应用研究 吕西林，陈聪 （同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092） 摘要：可更换连梁是一种新型结构构件，通过在结构中设置可更换连梁，改变连梁塑性发展机制，将大震下的 破坏集中于连梁中部耗能器而两端连接梁保持弹性状态，震后更换中部耗能器便可快速恢复结构使用功能，符合 可恢复功能结构的思想.
本文用两种软件对一个带有可更换连梁的实际工程进行分析，对比设置可更换连梁前后 原结构与新结构的结构特性及抗震性能变化.
结果表明，设置了可更换连梁的新结构动力特性并无太大改变，小 震作用下结构反应与原结构相差不大，大震作用下钢筋混凝土连梁部分损伤减小，耗能器耗能效果较好.
关键词：可更换：框架：剪力墙：连梁阻尼器 1引言 将结构某部位强度削弱，或在该部位设置延性耗能构件，将削弱部位或耗能构件设置为可更换构件， 并与主体结构通过方便拆卸的装置连接，即为带有可更换构件的结构体系！
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在地震作用下，结构将破坏 集中于可更换构件，通过延性可更换构件发生塑性变形，耗散地震输入能量，保护主体结构不受破坏或只 受微小破坏，地震作用后只需更换耗能构件就可以恢复结构功能.
可更换构件一般设置于结构易发生塑性变形的部位，将此部位截面有意削弱或更换截面形式，或用延 性材料、新型耗能材料替代原材料，或将此部位用耗能阻尼器替换.
可更换构件一般具有耗能能力强、 易于拆卸的特点，它的功能主要有： （1）在较小地震作用下保持一定的刚度和强度，和主体结构共同抵御外界荷载，震后不需更换，保证 结构体系在正常使用状态下的功能完好： （2）在较强地震作用下进入塑性状态或发生较大位移，耗散能量，将破坏集中以保护主体竖向承重结 构基本完好： （3）较强地震过后易于更换.
可更换连梁为可更换构件的一种，通过在连梁中部设置便于更换的耗能装置，实现较强地震作用下的 “保险丝”作用".
本文重点介绍一带有可更换连梁的框架-剪力墙的实际工程结构，对比分析该新型结 构与原本未设置可更换构件的传统结构的耗能特性.
2工程概况 本文工程为陕西省西安市中大国际项目的住宅建筑，该项目共包括五幢住宅，总平面图如图1所示.
结构形式为框架-剪力墙，地上29层，结构高度为95.5m，地下3层，埋深9.6m.
结构抗震设防烈度为8 度（0.2g），设计地震分组第一组，场地类别ⅡI类，场地特征周期0.35s.
在结构2~20层布置可更换连梁，中部采用剪切屈服型金属阻尼器.
可更换连梁的平面布置见图2，各 层平面布置相同，每幢楼一共布置95个，中部耗能器的构造形式及与连梁混凝土部分的连接如图3，可更 基金项目：国家白然科学基全项目（51261120377，51322803) 作者簧介：吕我林（1955）.男，博士，教授
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 换连梁的参数如表1所示.
图4（a)为连梁耗能器在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行的性能试验， 阻尼器在设计位移幅值下往复循环30圈得到的滞回曲线如图4(b)所示，可更换连梁阻尼器滞回效果明显， 设计位移幅值下往复循环30圈后，屈服力几乎没有衰减.
=楼 2=楼 *楼 3年楼 I=楼 -lelell 图1西安中大国际住宅总平面图 预理段 连接板 可更换耗能段 钢筋混凝土连接梁 图2可更换连梁平面布置图 图3可更换连梁示意图 表1可更换连梁参数 连梁耗能 耗能器长 连梁跨度 连接梁高 楼层 耗能器屈 耗能器极 耗能器屈 耗能器极 器型号 度（rm） (x) 度（mm） 服力 限力 服位移 限位移 2-6 d-1 600 1270 950 510 1098 1.12 24 2-6 d-2 600 1270 950 510 918 1.12 24 2-6 d-3 880 1700 950 460 828 1. 82 40.8 2-6 d-4 600 1450 950 370 666 1. 12 24 2-6 d-5 880 1700 950 460 828 1.84 40.8 710 d-1 600 1270 950 510 1098 1. 12 24 710 d-2 600 1270 950 510 918 1. 12 24 7-10 d-3 880 1700 950 460 828 1.82 40.8 7-10 d-4 600 1450 950 370 666 1.12 24 7-10 d-5 880 1700 950 460 828 1.84 40.8 1013 d-1 600 1270 950 510 1098 1.12 24 1013 d-2 600 1270 950 510 918 1. 12 24 1013 d-3 820 1700 950 410 738 1.62 36 1013 d-4 600 1450 950 370 666 1. 12 24
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 10-13 d-5 880 1700 950 460 828 1. 84 40.8 14-20 d-1 600 1270 950 510 990 1. 12 24 1420 d-2 600 1270 950 460 828 1.12 24 1420 d-3 820 1700 950 370 666 1.62 36 14-20 -P 600 1450 950 330 594 1.12 24 14-20 d-5 820 1700 950 370 666 1.62 36 600 00- 200- 5 400- 连梁型抗震耗能 600 20 黄切位移（mm） 0 10 20 (a)性能试验 (b)滞回曲线 图4可更换连梁阻尼器低周反复加载试验 3计算分析 3.1结构整体模型 本文采用ABAQUS软件和NOSACAD软件分别对未设置可更换连梁的传统结构和设置可更换连梁的 新型结构进行抗震性能分析，有限元分析整体模型如图5所示，将嵌固端取为地下层项部.
[a)结构整体模型（ABAQUS) (b）结构整体模型（NOSACAD） 图5结构分析整体模型 ABAQUS软件中，梁柱构件采用二节点三维梁单元B31，剪力墙及楼板构件采用四节点三维壳单元 S4R，墙体及楼板分布钢筋采用双层双向钢筋层定义.
B31单元为纤维单元，材料模型只考虑单轴应力-应 变关系，混凝土材料采用用户子材料，本构模型如图6（a)，钢筋和型钢材料采用理想弹塑性本构模型，如 图6(b).
S4R单元混凝土材料采用混凝土塑性损伤模型，单轴应力-应变关系见图6(c)，并考虑正交方向应 力状态对单轴强度的影响，损伤因子按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）取值，钢筋材料理想 弹塑性本构模型如图6(d).
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 NOSACAD软件中，梁单元采用三线性弹塑性滞回模型，本构关系如图7所示，柱单元采用纤维模型.
效率，刚性楼板假定下结构楼板在NOSACAD软件中未模拟，楼板质量通过导荷施加于梁柱节点.
(a)梁单元混凝土本构模型 (b)壳单元混凝土受压单轴应力-应变曲线 (c）壳单元混凝土受拉单轴应力-应变曲线 （d）型钢和钢筋理想弹型性本构模型 图7梁单元三线性弹塑性模型（NOSACAD） 图6材料本构模型 3.2可更换连梁模型 28 30 耗能结构-向 原结构向 26 24 原结构-向 22 耗能结的向 20 规范限值 18 楼层 16 14 12 10 8 6 4 弹塑性梁单元 2 0.0000 o ↓ 0.0005 0.0010 0.0015 弹塑性桁架单元或轴向阻尼器单元 刚性梁单元 层间位移角 图8整体分析中可更换连梁模拟 图98度小震作用下结构的层间位移角 如图3所示，可更换连梁主要由中部可更换耗能段和两端钢筋混凝土连接梁组成，采用模拟塑性梁相 同的方法将可更换连梁模拟成三段，中部耗能阻尼器用弹塑性桁架单元（ABAQUS中）或轴向阻尼器单元
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 （NOSACAD中）模拟，采用考虑强化的理想弹塑性性能，两端钢筋混凝土连接梁由普通梁单元模拟，可 更换连梁模型如图8所示.
3.3小震作用下结果 原结构为未设连梁阻尼器的传统结构（S-norm），新结构为设置连梁阻尼器的新型耗能结构（S-damp）， 模态分析得到的两个结构周期及对比见表2，其中差值计算为：（耗能结构周期-原结构周期）/原结构周期.
可以看到，两个结构的扭转周期差别较平动周期大，前12阶周期差值最大为10.51%，总体来说周期差别 不大，可见结构设置可更换连梁后整体动力特性无太大变化.
表2结构周期 ABAQUS软件计算结果 NOSACAD软件计算结果 振型号 原结构周期 耗能结构周期 差值 原结构周期 耗能结构周 (s) (s) (s) 期（s） 差值 1（平动） 2. 708706 2. 7315687 0.84% 2. 545440 2. 593430 1. 89% 2（平动） 2. 405523 2. 4802818 3. 11% 2. 368060 2. 450670 3. 49% 3（扭转） 2. 168915 2. 2526581 3. 86% 1. 865070 2. 009830 7. 76% 4（平动） 0. 803923 0. 8083421 0. 55% 0. 697671 0. 725155 3. 94% 5（平动） 0. 675174 0. 6837607 1. 27% 0. 627752 0. 665648 6. 04% 6（扭转） 0. 648803 0. 6650263 2. 50% 0. 621614 0. 644618 3. 70% 7（平动） 0.403275 0. 4052356 0 49% 0. 551248 0. 558273 1. 27% 8（平动） 0. 342501 0. 3444356 0. 56% 0. 480161 0. 488965 1. 83% 9（扭转) 0. 302279 0. 3096646 2. 44% 0. 407455 0. 450268 10. 51% 10（扭转） 0. 256548 0. 2575726 0. 40% 0. 381233 0. 409221 7. 34% 11（扭转） 0. 242066 0.2420721 0.00% 0. 362782 0. 387819 6 90% 12（平动） 0. 217335 0.2181358 0. 37% 0. 344345 0. 353238 2. 58% 采用振型分解反应谱法对结构进行8度小震作用下的分析，原结构及耗能结构的层间位移角如图9所 示.
可以看到，小震作用下设置了可更换连梁的新结构层间位移角与原结构相比变化不大，由于该结构的 可更换连梁均设置在Y向，Y向差值比X向略大.
3.4大震作用下结果 8度大震作用下结构的反应采用时程分析法.
选用3条天然地震加速度时程记录和2条人工合成加速 度时程作为地震动输入，天然地震波选取双向水平分量，将ElCentro波的双向分量按8度规范反应谱通过 小波变换拟合成具有双向分量的人工波1，直接通过规范反应谱拟合成单分量的人工波2.
地震波详细信 息见表3，地震波输入分量与8度大震作用的规范反应谱对比见图10.选取地震波的双向分量，将结构第 一周期处的反应谱值较大的分量作为地震波主向，另一分量作为地震波的次向，按照8度大震作用，将主 向分量的加速度峰值统一为400gal.
双向输入地震波，将结构弱向（Y向）作为主向输入主向分量，另一 平面方向（X向）作为次向输入次向分量，按照1:0.85的比例调整次向分量的加速度峰值.
表3输入地震波详细信息 地震波 事件 测站 日期 持时/s EI Centro Imperial Valley EL CENTRO ARRAY #9 1940/ 05/ 19 40
