鋼貨架結(jié)構(gòu)抗震性能研究現(xiàn)狀戴柳絲2，趙憲忠U（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)。試驗(yàn)考慮了兩種加載方式種是ECCS提供的加載方式，另一種是考慮豎向托盤荷載作用的不對稱的反復(fù)加載方式。試驗(yàn)中，通過施加不同的豎向荷載來模擬托盤恒載的作用，其中豎向荷載取0%，25%，50%，66%和75%的節(jié)點(diǎn)屈服荷載。試驗(yàn)結(jié)果表明，不加豎向荷載與施加豎向荷載，得出節(jié)點(diǎn)的抗震性能有很大的差別。
施加豎向荷載后，由于節(jié)點(diǎn)塑性變形的積累，在主要的受力方向（Hogging）存在滑移現(xiàn)象，并且滑移隨著豎向恒載的增大而增大，然而與一般的懸臂梁試驗(yàn)結(jié)果相比滯回環(huán)的捏攏效應(yīng)沒有那么明顯。兩種試驗(yàn)結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn)，不同的加載制度得出的鋼貨架梁柱連接節(jié)點(diǎn)滯回特性存在明顯的差異，而考慮豎向貨載的試驗(yàn)方法更能準(zhǔn)確地模擬節(jié)點(diǎn)在地震作用下的受力狀態(tài)，故在以后的節(jié)點(diǎn)反復(fù)試驗(yàn)中應(yīng)適當(dāng)考慮豎向貨載對節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響。
對比懸臂梁試驗(yàn)113和門架試驗(yàn)M得出的節(jié)點(diǎn)滯回曲線，雖然兩者的滯回環(huán)都表現(xiàn)出了明顯的捏攏效應(yīng)，但門架試驗(yàn)由于考慮了實(shí)際情況中存在的豎向貨荷，節(jié)點(diǎn)不會表現(xiàn)出明顯的滑移。因此，目前多采用的擬靜力反復(fù)加載的懸臂梁試驗(yàn)結(jié)果能否正確反應(yīng)節(jié)點(diǎn)的滯回特性還有待進(jìn)一步的研究，后續(xù)的研究應(yīng)綜合考慮各影響參數(shù)得出適用于貨架結(jié)構(gòu)整體抗震分析的梁柱連接節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型。
2.2理論分析由于掛齒式梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、形式多樣，理論分析的難度比較大，目前還沒有形成統(tǒng)一的理論分析方法，用于確定掛齒式梁柱節(jié)點(diǎn)的性能。同濟(jì)大學(xué)對鋼貨架結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一系列的研究，并且嘗試將組件法引入掛齒式節(jié)點(diǎn)的分析。采用組件法分析掛齒式梁柱連接節(jié)點(diǎn)的初始剛度時(shí)，著重考慮了5個(gè)等效子彈簧，其中5個(gè)等效子彈簧所代表的組件變形為：掛齒彎曲變形，立柱孔壁承壓變形，立柱孔壁彎曲變形，掛片端板彎剪變形和立柱腹板剪切變形；掛齒式梁柱連接節(jié)點(diǎn)破壞模式根據(jù)立柱和掛片的相對厚度可分為掛齒根部斷裂和立柱孔壁開裂，依據(jù)兩種破壞模式分別進(jìn)行彎矩承載力的理論分析。通過上述方法求得掛齒式梁柱節(jié)點(diǎn)的初始剛度與承載力，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，得出了比較滿意的結(jié)果。但是，由于掛齒式梁柱連接節(jié)點(diǎn)的破壞屬于斷裂破壞，后續(xù)的研究可以將工程斷裂理論引入理論分析和數(shù)值模擬中，以便于準(zhǔn)確的分析節(jié)點(diǎn)的初始剛度，彎矩承載力和抗震特性。
3鋼貨架結(jié)構(gòu)抗震性能3.1試驗(yàn)研究鋼貨架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究主要有以下三種方法：原位試驗(yàn)、擬靜力試驗(yàn)和振動臺試驗(yàn)。表2匯總了近年來國內(nèi)外學(xué)者對鋼貨架結(jié)構(gòu)整體動力試驗(yàn)研究。
表2國內(nèi)外鋼貨架結(jié)構(gòu)整體動力試驗(yàn)研究匯總時(shí)間測試方法原位試驗(yàn)擬靜力試驗(yàn)（4），動力試驗(yàn)（2）振動臺試驗(yàn)（4）振動臺試驗(yàn)+實(shí)際貨物荷載（5）振動臺試驗(yàn)（4）+螺栓連接梁柱節(jié)點(diǎn)振動臺試驗(yàn)+基底隔振（2）振動臺試驗(yàn)（2）+無螺栓teardrop梁柱節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)（2），振動臺試驗(yàn)（6）振動臺試驗(yàn)+基地隔震（11）原位試驗(yàn)是指在微小的擾動或者環(huán)境振動下測試鋼貨架結(jié)構(gòu)的一般動力特性，例如頻率、振型和阻尼KrawinklerM等試驗(yàn)結(jié)果表明，規(guī)范中給出估算結(jié)構(gòu)基本周期的經(jīng)驗(yàn)公式不適用于鋼貨架結(jié)構(gòu)。罕遇地震作用下，由于結(jié)構(gòu)剛度降低，基本周期至少增加20%.在**地震加速度取0.01?~0.02g時(shí)，測得結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.02?~0.03.罕遇地震作用下，考慮到貨物碰撞滑移消耗大量能量，貨架結(jié)構(gòu)阻尼比至少增加2倍。在自由振動測試結(jié)構(gòu)阻尼的過程中發(fā)現(xiàn)，由于掛齒和立柱開孔處的摩擦消耗大量的能量，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為庫倫摩擦耗能特性，振動幅值呈現(xiàn)線性衰減。
原位試驗(yàn)只能測得貨架結(jié)構(gòu)的基本動力特征，要測定動荷載下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)則需要采用擬靜力試驗(yàn)和振動臺試驗(yàn)。近年來，鋼貨架結(jié)構(gòu)的動力試驗(yàn)也主要集中于這兩種試驗(yàn)。
擬靜力試驗(yàn)是指在豎向貨載作用下，在平行于巷道或/和垂直于巷道方向分別施加反復(fù)作用的水平力模擬地震作用以測試整體結(jié)構(gòu)、構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)抗震性能的試驗(yàn)方法。對結(jié)構(gòu)施加反復(fù)作用的擬靜力水平荷載測試結(jié)構(gòu)的抗震性能。KrawinklerM分別沿兩個(gè)方向開展了整體結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)，水平反復(fù)荷載施加于貨架結(jié)構(gòu)的頂層。結(jié)果表明，整體結(jié)構(gòu)P~8曲線反應(yīng)的滯回特征，與高剪應(yīng)力下鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的滯回特性類似，呈現(xiàn)出明顯的捏攏效應(yīng)。反復(fù)加載條件下，在加載端達(dá)到較小的水平位移時(shí)，橫梁與掛片端板連接處的焊縫就發(fā)生了開裂，隨后結(jié)構(gòu)沿巷道方向的延性就與立柱的軸壓比密切相關(guān)。小軸壓比（豎向貨載較?。l件下，整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了較好的延性，試驗(yàn)后期在底層中柱梁柱連接節(jié)點(diǎn)周圍產(chǎn)生塑性鉸。試驗(yàn)結(jié)果（P~8曲線）指出，鋼貨架結(jié)構(gòu)平行于巷道方向半剛性連接框架的延性和耗能特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于垂直于巷道方向的支撐框架。I.RosinH等人在擬靜力試驗(yàn)中，對結(jié)構(gòu)施加了三角形分布的水平荷載。試驗(yàn)結(jié)果同樣表明，垂直于巷道方向，結(jié)構(gòu)整體剛度較平行于巷道方向大，但延性差，破壞模式是結(jié)構(gòu)的整體倒塌伴隨著開孔立柱的屈曲。平行于巷道方向，結(jié)構(gòu)的剛度伴隨著節(jié)點(diǎn)塑性變形的累積和層間位移的增加而逐漸降低，破壞模式是P~S效應(yīng)不斷累積導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的倒塌，表現(xiàn)出較好的延性。
1980年，Chenetal.M**對鋼貨架結(jié)構(gòu)開展了振動臺試驗(yàn)。除了駛?cè)胧截浖茉谘叵锏婪较虻谝粚拥男备箺U發(fā)生了嚴(yán)重的屈曲，其余鋼貨架結(jié)構(gòu)在小震下都表現(xiàn)出良好的抗震性能。2001年，F(xiàn)iliatraultM對5種雙向托盤橫梁式貨架結(jié)構(gòu)在正常貨載狀態(tài)下進(jìn)行振動臺試驗(yàn)，得出當(dāng)輸入的**地面加速度不超過0.42g時(shí)，結(jié)構(gòu)不發(fā)生明顯的破壞。以上試驗(yàn)均表明沿巷道方向的延性和耗能能力遠(yuǎn)好于垂直于巷道方向。
Castiglioni17針對典型的2跨3層托盤橫梁式鋼貨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了6組振動臺試驗(yàn)。試驗(yàn)采用混凝土塊模擬貨物荷載，對比研究了橫梁尺寸、貨物滑移以及基底隔震對于鋼貨架沿巷道方向抗震性能的影響。試驗(yàn)得出，沿巷道方向較垂直于巷道方向有更好的延性。在沿巷道方向，允許貨物滑移和基底隔震裝置均有效改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。另外，試驗(yàn)中還注意到結(jié)構(gòu)的破壞*初都是發(fā)生在螺栓連接或者焊接位置處，故結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造對整體結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)有很大的影響。2004年，F(xiàn)iliatrault0針對具有4種不同類型螺栓梁柱連接節(jié)點(diǎn)的2跨3層鋼貨架結(jié)構(gòu)沿平行于巷道方向進(jìn)行了模擬振動臺試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，梁柱連接節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動剛度是影響整體結(jié)構(gòu)在沿巷道方向抗震性能的重要因素，梁柱連接節(jié)點(diǎn)的實(shí)測初始轉(zhuǎn)動剛度是目前設(shè)計(jì)值的2~3倍。此外，隨著地震動加速度幅值的增大，節(jié)點(diǎn)剛度呈現(xiàn)線性減小的趨勢，但當(dāng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)到未變形的狀態(tài)時(shí)梁柱節(jié)點(diǎn)也恢復(fù)到初始剛度值，因此結(jié)構(gòu)在沿巷道方向表現(xiàn)出較好的延性，結(jié)構(gòu)**層間位移可達(dá)到0.07h而不發(fā)生倒塌。此外，F(xiàn)iliatrault63采用相同的研究方法對2種無螺栓teardrop梁柱連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了振動臺試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與之前一致。Filiatrault18進(jìn)一步的振動臺試驗(yàn)結(jié)果表明在垂直于巷道方向設(shè)置基底隔震裝置可以有效提高鋼貨架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。
3.2整體結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì)貨架結(jié)構(gòu)整體抗震分析可分解為沿巷道方向的和垂直于巷道方向。上述試驗(yàn)結(jié)果表明：沿巷道方向，貨架結(jié)構(gòu)的抗震性能主要受到梁柱連接節(jié)點(diǎn)的影響。垂直于巷道方向，貨架結(jié)構(gòu)抗震性能主要與支撐的連接和布置相關(guān)。目前鋼貨架結(jié)構(gòu)抗震分析主要有以下兩種方法：線性動力分析和非線性動力分析。線性動力分析中，梁柱連接節(jié)點(diǎn)由線性轉(zhuǎn)動彈簧模擬；非線性動力分析中要采用合適的恢復(fù)力模型考慮梁柱連接節(jié)點(diǎn)在動力作用下的非線性。
2003年，DannyH.Chan采用非線性有限元法分兩階段進(jìn)行鋼貨架結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力分析：第階段線采用彈性分析結(jié)構(gòu)的自振特性得出前30階自振頻率和對應(yīng)的模態(tài)用于下一階段的分析；第二階段采用反應(yīng)譜分析方法，得出結(jié)構(gòu)在地震作用下的應(yīng)力和應(yīng)變。2007年，Herv6Deg6e和VincentDeno提出了FineLg法對鋼貨架進(jìn)行地震作用下的非線性時(shí)程分析，分析了托盤的滑動及節(jié)點(diǎn)非線性（包括柱腳節(jié)點(diǎn)和梁柱連接節(jié)點(diǎn)）對結(jié)構(gòu)動力特性的影響，并與試驗(yàn)結(jié)果吻合。2008年，K.M.BaoriaE9采用非線性有限元法對鋼貨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震作用下的非線性分析，著重分析了立柱截面類型、立柱厚度和梁柱連接節(jié)點(diǎn)剛度對整體結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響。在設(shè)計(jì)中常用的地震分析方法有底部剪力法和振型分解法，但為了深入了解結(jié)構(gòu)的抗震性能，需要進(jìn)行非線性時(shí)程分析，但該方法從計(jì)算模型的簡化、恢復(fù)力模型的確定、地震波的選用，直至計(jì)算結(jié)果的分析和后處理都需要進(jìn)行大量工作。隨后，K.M.BaoriaM提出了采用擬靜力的push-wer分析方法代替彈塑性時(shí)程分析，并準(zhǔn)確估計(jì)了結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體位移、底部剪力和塑性鉸的形成。而后，K.M.BaoriaM又提出了一種簡化的數(shù)值分析方法代替有限元模擬精確計(jì)算出結(jié)構(gòu)的自振頻率和模態(tài)。
4結(jié)論與一般的鋼結(jié)構(gòu)不同，鋼貨架結(jié)構(gòu)在抗震分析中需要綜合考慮開孔立柱、掛齒式梁柱連接節(jié)點(diǎn)、托盤與橫梁之間的動力摩擦系數(shù)、破壞模式與受力狀態(tài)等因素的影響。為了滿足貨架的使用要求，常見的鋼貨架結(jié)構(gòu)沿巷道方向的抗側(cè)剛度主要由梁柱連接節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)提供，貨架結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)的動力特性對整體結(jié)構(gòu)的抗震分析有著重要的影響，還需進(jìn)一步對其抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)和理論的精確分析。目前，各國規(guī)范提出的用于測試鋼貨架結(jié)構(gòu)梁柱連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)方法獲得的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線存在一定的差異，需要制定統(tǒng)一的節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)方法。此外，節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造對節(jié)點(diǎn)的初始剛度、承載力和破壞模式等都有著顯著影響，亟需提出適用于鋼貨架結(jié)構(gòu)整體抗震分析的梁柱連接節(jié)點(diǎn)的恢復(fù)力模型。我國對鋼貨架結(jié)構(gòu)的研究還主要集中于靜力分析，尚未開展鋼貨架結(jié)構(gòu)的整體動力試驗(yàn)研究和抗震性能分析，整體鋼貨架結(jié)構(gòu)模擬地震反應(yīng)的擬靜力試驗(yàn)和振動臺試驗(yàn)數(shù)據(jù)亟待完善。在數(shù)值計(jì)算方面，各種鋼貨架結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性時(shí)程分析方法有待深入研究，進(jìn)而提出簡化的動力計(jì)算方法以提高貨架結(jié)構(gòu)抗震分析的精度和效率。
