思特博货架：钢货架结构抗震性能研究现状

钢货架结构抗震性能研究现状戴柳丝.同济大学土木工程防灾国家重点。试验考虑了两种加载方式种是ECCS提供的加载方式，另一种是考虑竖向托盘荷载作用的不对称的反复加载方式。试验中，通过施加不同的竖向荷载来模拟托盘恒载的作用，其中竖向荷载取0%，25%，50%，66%和75%的节点屈服荷载。试验结果表明，不加竖向荷载与施加竖向荷载，得出节点的抗震性能有很大的差别。

　　施加竖向荷载后，由于节点塑性变形的积累，在主要的受力方向（Hogging）存在滑移现象，并且滑移随着竖向恒载的增大而增大，然而与一般的悬臂梁试验结果相比滞回环的捏拢效应没有那么明显。两种试验结果对比后发现，不同的加载制度得出的钢货架梁柱连接节点滞回特性存在明显的差异，而考虑竖向货载的试验方法更能准确地模拟节点在地震作用下的受力状态，故在以后的节点反复试验中应适当考虑竖向货载对节点抗震性能的影响。


　　对比悬臂梁试验113和门架试验M得出的节点滞回曲线，虽然两者的滞回环都表现出了明显的捏拢效应，但门架试验由于考虑了实际情况中存在的竖向货荷，节点不会表现出明显的滑移。因此，目前多采用的拟静力反复加载的悬臂梁试验结果能否正确反应节点的滞回特性还有待进一步的研究，后续的研究应综合考虑各影响参数得出适用于货架结构整体抗震分析的梁柱连接节点的恢复力模型。


　　2.2理论分析由于挂齿式梁柱节点构造复杂、形式多样，理论分析的难度比较大，目前还没有形成统一的理论分析方法，用于确定挂齿式梁柱节点的性能。同济大学对钢货架结构梁柱连接节点进行了一系列的研究，并且尝试将组件法引入挂齿式节点的分析。采用组件法分析挂齿式梁柱连接节点的初始刚度时，着重考虑了5个等效子弹簧，其中5个等效子弹簧所代表的组件变形为：挂齿弯曲变形，立柱孔壁承压变形，立柱孔壁弯曲变形，挂片端板弯剪变形和立柱腹板剪切变形；挂齿式梁柱连接节点破坏模式根据立柱和挂片的相对厚度可分为挂齿根部断裂和立柱孔壁开裂，依据两种破坏模式分别进行弯矩承载力的理论分析。通过上述方法求得挂齿式梁柱节点的初始刚度与承载力，并与试验结果进行了对比，得出了比较满意的结果。但是，由于挂齿式梁柱连接节点的破坏属于断裂破坏，后续的研究可以将工程断裂理论引入理论分析和数值模拟中，以便于准确的分析节点的初始刚度，弯矩承载力和抗震特性。


　　3钢货架结构抗震性能3.1试验研究钢货架结构抗震性能试验研究主要有以下三种方法：原位试验、拟静力试验和振动台试验。表2汇总了近年来国内外学者对钢货架结构整体动力试验研究。


　　表2国内外钢货架结构整体动力试验研究汇总时间测试方法原位试验拟静力试验（4），动力试验（2）振动台试验（4）振动台试验+实际货物荷载（5）振动台试验（4）+螺栓连接梁柱节点振动台试验+基底隔振（2）振动台试验（2）+无螺栓teardrop梁柱节点拟静力试验（2），振动台试验（6）振动台试验+基地隔震（11）原位试验是指在微小的扰动或者环境振动下测试钢货架结构的一般动力特性，例如频率、振型和阻尼KrawinklerM等试验结果表明，规范中给出估算结构基本周期的经验公式不适用于钢货架结构。罕遇地震作用下，由于结构刚度降低，基本周期至少增加20%.在******地震加速度取0.01 ~0.02g时，测得结构的阻尼比为0.02 ~0.03.罕遇地震作用下，考虑到货物碰撞滑移消耗大量能量，货架结构阻尼比至少增加2倍。在自由振动测试结构阻尼的过程中发现，由于挂齿和立柱开孔处的摩擦消耗大量的能量，结构表现为库伦摩擦耗能特性，振动幅值呈现线性衰减。


　　原位试验只能测得货架结构的基本动力特征，要测定动荷载下结构的响应则需要采用拟静力试验和振动台试验。近年来，钢货架结构的动力试验也主要集中于这两种试验。


　　拟静力试验是指在竖向货载作用下，在平行于巷道或/和垂直于巷道方向分别施加反复作用的水平力模拟地震作用以测试整体结构、构件、节点抗震性能的试验方法。对结构施加反复作用的拟静力水平荷载测试结构的抗震性能。KrawinklerM分别沿两个方向开展了整体结构的拟静力试验，水平反复荷载施加于货架结构的顶层。结果表明，整体结构P~8曲线反应的滞回特征，与高剪应力下钢筋混凝土受弯构件的滞回特性类似，呈现出明显的捏拢效应。反复加载条件下，在加载端达到较小的水平位移时，横梁与挂片端板连接处的焊缝就发生了开裂，随后结构沿巷道方向的延性就与立柱的轴压比密切相关。小轴压比（竖向货载较小）条件下，整体结构表现出了较好的延性，试验后期在底层中柱梁柱连接节点周围产生塑性铰。试验结果（P~8曲线）指出，钢货架结构平行于巷道方向半刚性连接框架的延性和耗能特性远远优于垂直于巷道方向的支撑框架。I.RosinH等人在拟静力试验中，对结构施加了三角形分布的水平荷载。试验结果同样表明，垂直于巷道方向，结构整体刚度较平行于巷道方向大，但延性差，破坏模式是结构的整体倒塌伴随着开孔立柱的屈曲。平行于巷道方向，结构的刚度伴随着节点塑性变形的累积和层间位移的增加而逐渐降低，破坏模式是P~S效应不断累积导致整体结构的倒塌，表现出较好的延性。


　　1980年，Chenetal.M首次对钢货架结构开展了振动台试验。除了驶入式货架在沿巷道方向第一层的斜腹杆发生了严重的屈曲，其余钢货架结构在小震下都表现出良好的抗震性能。2001年，FiliatraultM对5种双向托盘横梁式货架结构在正常货载状态下进行振动台试验，得出当输入的******地面加速度不超过0.42g时，结构不发生明显的破坏。以上试验均表明沿巷道方向的延性和耗能能力远好于垂直于巷道方向。


　　Castiglioni17针对典型的2跨3层托盘横梁式钢货架结构进行了6组振动台试验。试验采用混凝土块模拟货物荷载，对比研究了横梁尺寸、货物滑移以及基底隔震对于钢货架沿巷道方向抗震性能的影响。试验得出，沿巷道方向较垂直于巷道方向有更好的延性。在沿巷道方向，允许货物滑移和基底隔震装置均有效改善结构的抗震性能。另外，试验中还注意到结构的破坏最初都是发生在螺栓连接或者焊接位置处，故结构的细部构造对整体结构的动力响应有很大的影响。2004年，Filiatrault0针对具有4种不同类型螺栓梁柱连接节点的2跨3层钢货架结构沿平行于巷道方向进行了模拟振动台试验。试验结果表明，梁柱连接节点的转动刚度是影响整体结构在沿巷道方向抗震性能的重要因素，梁柱连接节点的实测初始转动刚度是目前设计值的2~3倍。此外，随着地震动加速度幅值的增大，节点刚度呈现线性减小的趋势，但当结构恢复到未变形的状态时梁柱节点也恢复到初始刚度值，因此结构在沿巷道方向表现出较好的延性，结构******层间位移可达到0.07h而不发生倒塌。此外，Filiatrault63采用相同的研究方法对2种无螺栓teardrop梁柱连接节点进行了振动台试验，试验结果与之前一致。Filiatrault18进一步的振动台试验结果表明在垂直于巷道方向设置基底隔震装置可以有效提高钢货架结构的整体抗震性能。


　　3.2整体结构抗震分析与设计货架结构整体抗震分析可分解为沿巷道方向的和垂直于巷道方向。上述试验结果表明：沿巷道方向，货架结构的抗震性能主要受到梁柱连接节点的影响。垂直于巷道方向，货架结构抗震性能主要与支撑的连接和布置相关。目前钢货架结构抗震分析主要有以下两种方法：线性动力分析和非线性动力分析。线性动力分析中，梁柱连接节点由线性转动弹簧模拟；非线性动力分析中要采用合适的恢复力模型考虑梁柱连接节点在动力作用下的非线性。


　　2003年，DannyH.Chan采用非线性有限元法分两阶段进行钢货架结构在地震作用下的动力分析：第阶段线采用弹性分析结构的自振特性得出前30阶自振频率和对应的模态用于下一阶段的分析；第二阶段采用反应谱分析方法，得出结构在地震作用下的应力和应变。2007年，Herv6Deg6e和VincentDeno提出了FineLg法对钢货架进行地震作用下的非线性时程分析，分析了托盘的滑动及节点非线性（包括柱脚节点和梁柱连接节点）对结构动力特性的影响，并与试验结果吻合。2008年，K.M.BaoriaE9采用非线性有限元法对钢货架结构进行了地震作用下的非线性分析，着重分析了立柱截面类型、立柱厚度和梁柱连接节点刚度对整体结构动力响应的影响。在设计中常用的地震分析方法有底部剪力法和振型分解法，但为了深入了解结构的抗震性能，需要进行非线性时程分析，但该方法从计算模型的简化、恢复力模型的确定、地震波的选用，直至计算结果的分析和后处理都需要进行大量工作。随后，K.M.BaoriaM提出了采用拟静力的push-wer分析方法代替弹塑性时程分析，并准确估计了结构在地震作用下的整体位移、底部剪力和塑性铰的形成。而后，K.M.BaoriaM又提出了一种简化的数值分析方法代替有限元模拟精确计算出结构的自振频率和模态。

　　4结论与一般的钢结构不同，钢货架结构在抗震分析中需要综合考虑开孔立柱、挂齿式梁柱连接节点、托盘与横梁之间的动力摩擦系数、破坏模式与受力状态等因素的影响。为了满足货架的使用要求，常见的钢货架结构沿巷道方向的抗侧刚度主要由梁柱连接节点和柱脚节点提供，货架结构梁柱连接节点的动力特性对整体结构的抗震分析有着重要的影响，还需进一步对其抗震性能进行试验和理论的精确分析。目前，各国规范提出的用于测试钢货架结构梁柱连接节点的试验方法获得的弯矩-转角曲线存在一定的差异，需要制定统一的节点拟静力试验方法。此外，节点细部构造对节点的初始刚度、承载力和破坏模式等都有着显著影响，亟需提出适用于钢货架结构整体抗震分析的梁柱连接节点的恢复力模型。我国对钢货架结构的研究还主要集中于静力分析，尚未开展钢货架结构的整体动力试验研究和抗震性能分析，整体钢货架结构模拟地震反应的拟静力试验和振动台试验数据亟待完善。在数值计算方面，各种钢货架结构在地震作用下的弹塑性时程分析方法有待深入研究，进而提出简化的动力计算方法以提高货架结构抗震分析的精度和效率。

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