可更換連梁保險(xiǎn)絲抗震性能試驗(yàn)研究

呂西林，陳 云，蔣歡軍

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092）

連梁是聯(lián)肢剪刀墻結(jié)構(gòu)中重要的耗能構(gòu)件.已有研究表明［1］，當(dāng)連梁的跨高比小于2時(shí)，連梁大多發(fā)生脆性剪切破壞.過去很多學(xué)者致力于改善連梁的耗能性能［2－4］，比如配置交叉暗撐，菱形配筋，在連梁中設(shè)縫等多種方法.這些方法和技術(shù)確實(shí)能夠改善連梁的抗震性能，提高連梁的延性.但這些方法的共同缺點(diǎn)是施工難度較大且震后不易修復(fù).

近年來，國(guó)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(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［5］.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)超過了普通的鋼筋混凝土連梁［6－7］.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(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，通過讓保險(xiǎn)絲破壞耗能來保護(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相關(guān)的概念［8］.這方面的研究最早是由辛辛那提大學(xué)的Fortney等開展的［9］，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，通過摩擦阻尼器的耗能來增強(qiáng)連梁的耗能能力［10］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的滕軍等提出了一種連梁阻尼器［11］.廣西大學(xué)的鄧志恒等提出了一種鋼桁架連梁［12］.

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.

1 3種保險(xiǎn)絲的構(gòu)造形式

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，腹板開有菱形孔，稱為保險(xiǎn)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(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.端板上開有4個(gè)螺孔用來與連梁的預(yù)埋型鋼相連接，損壞后便于拆卸更換.

圖1 保險(xiǎn)絲1的尺寸及照片（單位：mm）Fig.1 Size and photo of Fuse 1（unit：mm）

圖2 保險(xiǎn)絲2的尺寸及照片（單位：mm）Fig.2 Size and photo of Fuse 2（unit：mm）

圖3 保險(xiǎn)絲3的尺寸及照片（單位：mm）Fig.3 Size and photo of Fuse 3（unit：mm）

2 加載裝置及加載制度

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，其上端板通過轉(zhuǎn)換板與平行四連桿機(jī)構(gòu)的上部橫梁相連接，下端板通過轉(zhuǎn)換板與平行四連桿機(jī)構(gòu)的固定梁連接.利用63 t 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)，用來測(cè)量保險(xiǎn)絲的剪切變形.數(shù)據(jù)通過江蘇東華測(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.

圖4 加載裝置Fig.4 Test set－up

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1 mm 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.

圖5 加載時(shí)程Fig.5 Loading history

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

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 試驗(yàn)現(xiàn)象

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.

表1 保險(xiǎn)絲1的試驗(yàn)現(xiàn)象Tab.1 Experimental phenomena of Fuse 1

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的初始開裂狀態(tài)和最終的破壞狀態(tài)分別如圖8和9所示.

圖6 保險(xiǎn)絲1的腹板初始開裂Fig.6 Initial crack in web of Fuse 1

圖7 保險(xiǎn)絲1的腹板完全開裂Fig.7 Failure mode of Fuse 1

圖8 保險(xiǎn)絲2的腹板初始開裂Fig.8 Initial crack in web of Fuse 2

表2 保險(xiǎn)絲2的試驗(yàn)現(xiàn)象Tab.2 Experimental phenomena of Fuse 2

保險(xiǎn)絲3的主要試驗(yàn)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.

表3 保險(xiǎn)絲3的試驗(yàn)現(xiàn)象Tab.3 Experimental phenomena of Fuse 3

圖9 保險(xiǎn)絲2的腹板破壞狀態(tài)Fig.9 Failure mode of Fuse 2

圖10 保險(xiǎn)絲3的根部初始開裂Fig.10 Initial crack in web of Fuse 3

圖11 保險(xiǎn)絲3的根部斷裂破壞Fig.11 Failure mode of Fuse 3

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2 mm 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 滯回曲線和骨架曲線

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)展過程可以明顯地分成兩個(gè)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(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，腹板開始出現(xiàn)裂縫，承載力開始下降，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.

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.

圖12 保險(xiǎn)絲1的力－剪切角曲線Fig.12 Shear force－shear angle curves of Fuse 1

圖13 保險(xiǎn)絲2的力－剪切角曲線Fig.13 Shear force－shear angle curves of Fuse 2

圖14 保險(xiǎn)絲3的力－剪切角曲線Fig.14 Shear force－shear angle curves of Fuse 3

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.

表4 3種保險(xiǎn)絲的試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results of 3fuses

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(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.

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)保險(xiǎn)絲在屈服之前的特性很接近，保險(xiǎn)絲3的剛度較小，剛度明顯小于保險(xiǎn)絲1和2.屈服之后隨著荷載繼續(xù)增大，保險(xiǎn)絲1的承載力很快就降到屈服荷載之下，而保險(xiǎn)絲2和保險(xiǎn)絲3屈服之后的荷載保持能力較好，屈服平臺(tái)長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于保險(xiǎn)絲1.保險(xiǎn)絲3過了峰值荷載后很快就破壞了，保險(xiǎn)絲2過了峰值荷載后下降段很平緩，因此保險(xiǎn)絲2的性能更優(yōu)越.

3.3 強(qiáng)度退化及剛度退化

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.

圖15 3種保險(xiǎn)絲的正則化力－剪切角骨架曲線Fig.15 Normalized shear force－shear angle skeleton curves of 3fuses

圖16 強(qiáng)度退化曲線Fig.16 Strength degradation curves

圖17 剛度退化曲線Fig.17 Stiffness degradation curves

從圖16可知，在剪切角小于2.8%時(shí)，3種保險(xiǎn)絲的強(qiáng)度退化都很小，荷載保持能力都很好，盡管保險(xiǎn)絲2和3在剪切位移角為1.0%左右時(shí)，強(qiáng)度有所退化（可能由于加載裝置有間隙等原因造成的非正常情況），但在剪切位移角為1.0%～2.8%這個(gè)階段，強(qiáng)度退化都很小，退化僅為1.0%左右.保險(xiǎn)絲1在剪切位移角達(dá)到3.5%后，強(qiáng)度退化非常嚴(yán)重，退化了11%，原因是此時(shí)保險(xiǎn)絲1的腹板已開始開裂，每一次重復(fù)性的加載循環(huán)都會(huì)促使開裂進(jìn)一步擴(kuò)大，造成強(qiáng)度較大降低.當(dāng)剪切角達(dá)到5.3%時(shí)，腹板已經(jīng)撕裂比較嚴(yán)重，腹板的作用減小，翼緣承擔(dān)荷載的比重上升，因此強(qiáng)度退化減小了.保險(xiǎn)絲2在剪切角為3.3%時(shí)，強(qiáng)度退化了4.4%，原因是此時(shí)保險(xiǎn)絲中間區(qū)格內(nèi)腹板與加勁肋的焊縫位置處腹板輕微開裂導(dǎo)致強(qiáng)度略有退化.但此后隨著腹板的屈曲強(qiáng)化，保險(xiǎn)絲2的強(qiáng)度退化反而減小，直到剪切角達(dá)到7.3%時(shí)，強(qiáng)度退化才超過了5.0%，說明保險(xiǎn)絲2的荷載保持能力極強(qiáng).保險(xiǎn)絲3 在剪切角小于4.9%時(shí)，強(qiáng)度退化都非常小，但當(dāng)剪切角大于4.9%以后，鋼管根部開裂，隨后其強(qiáng)度退化嚴(yán)重，最終退化了8%.總體而言，保險(xiǎn)絲2的強(qiáng)度退化最慢，荷載保持能力最強(qiáng).

從圖17可知，保險(xiǎn)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(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 耗能性能評(píng)價(jià)

等效黏滯阻尼系數(shù)he經(jīng)常被用來評(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.

圖18 等效黏滯阻尼系數(shù)的計(jì)算Fig.18 Calculation of the equivalent viscous damping

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(xiǎn)絲2在剪切角達(dá)到3.9%時(shí)，等效黏滯阻尼系數(shù)開始下降，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的耗能能力雖然開始較強(qiáng)，但開裂后下降很快，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，但其過了峰值荷載后破壞較快，較早地喪失了耗能能力.

圖19 等效黏滯阻尼系數(shù)比較Fig.19 Comparison of the equivalent viscous damping

3.5 疲勞性能評(píng)價(jià)

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3 mm 位移工況、6 mm 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6 mm 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.

圖20 保險(xiǎn)絲1不同位移幅值下的滯回曲線Fig.20 Hysteretic curves of Fuse 1under different displacement amplitudes

圖21 保險(xiǎn)絲2不同位移幅值下的疲勞曲線Fig.21 Hysteretic curves of Fuse 2under different displacement amplitude

圖22 保險(xiǎn)絲3不同位移幅值下的疲勞曲線Fig.22 Hysteretic curves of Fuse 3under different displacement amplitudes

4 結(jié)論及建議

（1）從各方面的性能比較來看，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，但是腹板開裂后其各方面性能下降較多.這表明在保險(xiǎn)絲的腹板開菱形孔確實(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.

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