斗栱對鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱抗震性能的影響分析

薛建陽，馬林林，董金爽，高衛(wèi)欣

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

近些年，傳統(tǒng)文化得到了越來越廣泛的重視和宣傳，因而在各大古城出現(xiàn)了一種新型的建筑形式——仿古建筑。仿古建筑作為傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代技術(shù)的載體，繼承了中國傳統(tǒng)建筑文化，體現(xiàn)了中國傳統(tǒng)古建筑的精髓。

仿古建筑是對中國傳統(tǒng)古建筑的傳承與發(fā)展，其充分利用現(xiàn)代建筑材料展現(xiàn)了與中國傳統(tǒng)古建筑極為相似的外部造型，其力學(xué)性能既不同于中國傳統(tǒng)古建筑，也與現(xiàn)代普通建筑有顯著區(qū)別。鋼結(jié)構(gòu)因施工簡便、變形能力強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保及可重復(fù)使用成為了仿古建筑的主流材料之一。到目前為止，國外對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究主要為普通柱和節(jié)點(diǎn)[1-3]，而對仿古建筑研究還未曾有相關(guān)報(bào)道，國內(nèi)已有學(xué)者對仿古建筑進(jìn)行相關(guān)研究，薛建陽等[4-6]對仿古建筑鋼結(jié)構(gòu)雙梁-柱節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理進(jìn)行了研究，謝啟芳等[7-8]在對仿古建筑梁-柱節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了此類構(gòu)件的抗剪承載力公式，而國內(nèi)學(xué)者對鋼結(jié)構(gòu)檐柱的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。如圖1所示，仿古建筑帶斗栱檐柱由下部圓鋼管柱、斗栱體系及上部方鋼管柱焊接而成。斗栱作為仿古建筑區(qū)別普通建筑的標(biāo)志性構(gòu)件，不僅使仿古建筑具有很好的觀賞性，同時也改變了檐柱的力學(xué)特性。但因缺乏此類構(gòu)件的設(shè)計(jì)規(guī)范，且不能完全按《營造法式》進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此針對此類構(gòu)件的研究刻不容緩。

鑒于此，設(shè)計(jì)了8個1∶1.5的鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱，并對其進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析斗栱對檐柱滯回特性、剛度退化、延性等力學(xué)性能的影響。

圖1 普陀山佛學(xué)院觀音殿Fig.1 Guanyin Hall of Mount Putuo Buddhist College

1 試驗(yàn)概況

以某殿堂式仿古建筑為原型，依據(jù)古建筑相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)了8個1∶1.5的鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱試件；其中EC1-1、EC1-2、EC2-1、EC2-2為帶斗栱檐柱，EC3-1、EC3-2、EC4-1、EC4-2為不帶斗栱檐柱。帶斗栱檐柱和不帶斗栱檐柱除有無斗栱體系外，其材料、尺寸及制作工藝均相同。設(shè)計(jì)參數(shù)為方鋼管柱軸壓力系數(shù)和長細(xì)比，各試件均采用Q235B鋼，試件基本尺寸和細(xì)部構(gòu)造見圖2，其各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1中。

試驗(yàn)加載裝置如圖3所示，首先在柱頂施加豎向力(對于帶斗栱檐柱需在斗栱上施加配重)，再施加柱端水平反復(fù)荷載，以此模擬檐柱的實(shí)際受力狀況。

加載制度為荷載-位移混合控制。屈服前，按荷載控制，以10 kN為增量遞增且循環(huán)1次，屈服后采用位移控制，按屈服位移的倍數(shù)遞增且循環(huán)3次，直至不適于繼續(xù)加載的變形時，停止加載。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞特征對比分析

2.1 加載破壞過程

(1) EC1、EC3系列試件破壞過程對比分析

試件EC1-1在Δ=-58 mm時，櫨斗焊縫開裂；在Δ=-160 mm時，方鋼管柱根部翼緣發(fā)生局部屈曲，之后此處熱影響區(qū)母材開始開裂；而試件EC3-1直至試驗(yàn)結(jié)束，未出現(xiàn)局部屈曲及開裂。

(e) EC 1和EC 3系列

(f) EC 2和EC 4系列

(g) EC1和EC3系列試件照片

(h) EC2和EC4系列試件照片

1.反力墻；2.反力鋼架；3.反力梁；4.作動器；5.1 000 kN千斤頂；6.地梁；7.試件；8.配重

圖3 試驗(yàn)加載裝置圖
Fig.3 Test set-up

試件EC1-2在Δ=-50 mm時，櫨斗焊縫開裂，在Δ=130 mm時，方鋼管柱根部發(fā)生屈曲；而試件EC3-2在Δ=30 mm時，方鋼管柱根部發(fā)生屈曲。

(2) EC2、EC4系列試件破壞過程對比分析

試件EC2-1在Δ=-30 mm時，櫨斗焊縫開裂；在Δ=50 mm時，方鋼管柱根部開始發(fā)生屈曲，之后此處母材開始開裂；而試件EC4-1在P=70 kN時，方鋼管柱根部母材開裂，在Δ=90 mm時，根部裂縫貫通。

試件EC2-2在Δ=-20 mm時，櫨斗焊縫開裂，在Δ=45 mm時，方鋼管柱根部發(fā)生屈曲；而試件EC4-2在P=60 kN時，方鋼管柱根部母材逐漸開始開裂，在Δ=80 mm時，其根部裂縫貫通。

各試件的破壞形態(tài)見圖4。

2.2 檐柱破壞機(jī)理分析

因檐柱連接內(nèi)加焊有水平加強(qiáng)環(huán)和豎向加勁肋，其剛度遠(yuǎn)大于檐柱其他部分，除此之外，檐柱其他部分剛度再無明顯突變，致使截面突變處方鋼管柱根部(包括櫨斗)成為試件的薄弱部位。

(1) EC1和EC2系列試件

試件的傳力路徑為：方鋼管柱頂部→斗栱和方鋼管柱→櫨斗和方鋼管柱根部→圓鋼管柱。在方鋼管柱根部，櫨斗和方管柱一起承載著截面應(yīng)力，同時因櫨斗厚寬比較方鋼管柱的小，櫨斗截面的抗彎剛度也較方鋼管柱小，因此櫨斗在截面剪力、軸力和彎矩共同作用下其變形較方鋼管柱根部的大，破壞較早；之后，因櫨斗承載的復(fù)合應(yīng)力相對較小，不利于方鋼管柱根部繼續(xù)受力，所以在加載末期，方鋼管柱根部局部屈曲、此處母材開裂。

(a) EC3-1未出現(xiàn)破壞(b) EC1-1櫨斗開裂(c) EC4-1局部屈曲(d) EC1-2局部屈曲(e) EC4-2母材開裂(f) EC2-1局部屈曲

圖4 破壞形態(tài)
Fig.4 Failure pattern of specimens

(2) EC3和EC4系列試件

試件的傳力路徑為：方鋼管柱頂部→方鋼管柱→方鋼管柱根部→圓鋼管柱。方鋼管柱根部在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)變較大，最終根部母材開裂。

因此，斗栱體系的存在，不僅改變了鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的傳力機(jī)理，也使其破壞形態(tài)產(chǎn)生了明顯差異。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線和骨架曲線

試件主要試驗(yàn)結(jié)果列于表2中，選取試件EC1-2、EC3-2和EC2-2、EC4-2柱端水平荷載-位移滯回曲線及各試件骨架曲線進(jìn)行分析，如圖5所示。

由圖5和表2可知：

(1) 加載初期，荷載隨位移變化基本呈線性增加，幾乎不產(chǎn)生殘余變形；之后，趨于飽滿，體現(xiàn)了優(yōu)越的耗能性能。

(2) 試件EC3-2、EC4-2滯回曲線基本呈對稱分布，而試件EC1-2、EC2-2滯回曲線對稱性較差，主要原因是斗栱的存在使試件EC1-2、EC2-2成為非對稱結(jié)構(gòu)，因此其焊縫布置也不對稱，焊縫改變了施焊處周圍鋼材的材性，試件在對稱的柱端荷載作用下的側(cè)向剛度差異較大，而試件EC3-2、EC 4-2是完全對稱結(jié)構(gòu)，柱端水平荷載也完全對稱，因此其滯回曲線基本對稱。

表2 主要試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results

(3) EC1、EC2系列和EC3、EC4系列相比，后者破壞段不明顯。這是由于在加載后期，帶斗栱檐柱根部方鋼管柱明顯屈曲、焊縫完全開裂，使其承載力急劇下降，試件滯回曲線出現(xiàn)了明顯的下降段；而不帶斗栱檐柱根部方鋼管柱拉裂，其裂縫寬度和長度均較帶斗栱檐柱的不顯著，因此在相鄰各級加載期，不帶斗栱檐柱的承載力未出現(xiàn)大幅度下降，試件骨架曲線下降的幅度較小。

(4) 試件明顯破壞前，EC1和EC2系列的剛度平均值和承載力平均值分別比EC3和EC4系列的大94.2%、27.4%，主要是因?yàn)檎麄€斗栱體系相當(dāng)于一個側(cè)向支撐附加于檐柱之上，使帶斗栱檐柱的抗側(cè)剛度和承載力有了顯著提高。

(5) EC1、EC3系列和EC2、EC4系列相比，后者(長細(xì)比小)的剛度和承載力提高的幅度較大。EC1系列的剛度Ky、Ku平均值分別比EC3系列的大24.1%、90.6%，EC2系列的剛度Ky、Ku平均值分別比EC4系列的大81.4%、180.5%；EC1系列的屈服荷載和極限荷載平均值較EC3系列的大23.5%、18.0%，EC2系列的屈服荷載和極限荷載平均值較EC4系列的大37.9%、29.9%，說明在一定范圍內(nèi)，長細(xì)比愈小，斗栱對鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的剛度和承載能力的貢獻(xiàn)愈大。主要原因是EC2系列方鋼管柱截面尺寸較EC1系列的小，其方鋼管柱壁厚也較小，在斗栱體系厚度一定的情況下，EC2系列試件櫨斗厚度與方鋼管柱厚度的比值較EC1系列試件的大，斗栱系統(tǒng)的存在對鋼結(jié)構(gòu)檐柱抗側(cè)剛度和承載力的提高更顯著。

(a) EC 1-2

(b) EC 3-2

(c) EC 2-2

(d) EC 4-2

(e) EC 1和 EC 3

(f) EC 2和EC 4

3.2 剛度退化

試件剛度退化[9]曲線如圖6所示。由圖可知，各試件剛度均有一定程度的退化，其退化規(guī)律相似，即在檐柱剛屈服后，剛度衰減較明顯，之后，趨于平緩。

(a) EC 1-1和EC 3-1

(b) EC 1-2和EC 3-2

(c) EC 2-1和EC 4-1

(d) EC 2-2和EC 4-2

由圖6可知：

(1) 對比EC1系列和EC3系列試件可知，正向加載時，EC1-1、EC3-1和EC1-2、EC3-2的剛度退化曲線幾乎重合，負(fù)向加載時，EC1-1、EC3-1和EC1-2、EC3-2的剛度退化曲線基本平行，主要是由在櫨斗厚寬比較小時，斗栱體系使帶斗栱檐柱成為非對稱結(jié)構(gòu)，焊縫的不對稱布置使斗栱對帶斗栱檐柱正向剛度的提高較小而對其負(fù)向剛度的提高較大造成的。

(2) 對比EC2系列和EC4系列試件可知，試件破壞前，EC2-1、EC4-1和EC2-2、EC4-2的剛度退化曲線基本平行，這是因?yàn)樵跈径泛駥挶容^大時，斗栱對帶斗栱檐柱抗側(cè)剛度有顯著提高。

(3) EC2和EC4系列試件剛度退化較EC1和EC3系列試件明顯，表明長細(xì)比對鋼結(jié)構(gòu)檐柱剛度退化起著主導(dǎo)作用。

(4) EC1和EC2系列試件剛度退化較EC3和EC4系列試件明顯，由此可見，斗栱對鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的剛度退化有一定影響，使帶斗栱檐柱的剛度退化更顯著。

3.3 強(qiáng)度退化

各試件強(qiáng)度退化[10]曲線如圖7所示。

(a) EC1和EC3系列(b) EC2和EC4系列

圖7 強(qiáng)度退化曲線
Fig.7 Curves of strength degradation

分析可得，塑性階段初期，EC1、EC2系列和EC3、EC4系列試件的同級承載力退化趨勢基本相似，退化程度不明顯，說明斗栱的存在對鋼結(jié)構(gòu)檐柱塑性階段初期的承載力退化影響不明顯；試件完全進(jìn)入塑性階段后，各組試件的強(qiáng)度退化程度差異較大，主要是因?yàn)槎窎淼拇嬖谑归苤钠茐男螒B(tài)發(fā)生了改變，并對其承載力有顯著的影響，進(jìn)而影響了其強(qiáng)度退化的程度。EC2系列和EC4系列試件強(qiáng)度退化較EC1系列和EC3系列試件明顯，EC1系列試件強(qiáng)度退化較EC3系列試件明顯，試件EC2系列和EC4系列相比兩者的強(qiáng)度退化相當(dāng)，說明隨著長細(xì)比的增大，斗栱的存在對鋼結(jié)構(gòu)檐柱強(qiáng)度退化的影響越不明顯。

3.4 延性與耗能性能

各試件的延性可通過位移延性系數(shù)μ=Δm/Δy來描述[11]，利用試驗(yàn)結(jié)果算得μ值列于表3中，各試件的μ值隨試件軸壓力系數(shù)變化的分布圖如圖8所示，μ介于3.0～5.1，平均值為4.3，表明仿古建筑鋼結(jié)構(gòu)檐柱屈服后承受變形的潛能大，在試件完全破壞之前，鋼材的塑性已充分發(fā)展。EC1系列與EC3系列相比，其延性系數(shù)的平均值基本相等，EC2系列與EC4系列相比，后者的延性系數(shù)增大26.4%，說明斗栱的存在對鋼結(jié)構(gòu)檐柱的延性有一定減弱作用，且隨著櫨斗厚度與方鋼管柱厚度比值的增大，斗栱對鋼結(jié)構(gòu)檐柱延性的削弱作用不斷增強(qiáng)。

表3 耗能指標(biāo)Tab.3 Index of dissipation

圖8 試件延性與軸壓力系數(shù)的變化曲線Fig.8 Distributions of displacement ductility

試件在各特征點(diǎn)處的耗能指標(biāo)he—等效黏滯阻尼系數(shù)已列于表3中，各試件的耗能指標(biāo)隨位移變化的關(guān)系曲線如圖9所示。

(a) EC1和EC3系列(b) EC2和EC4系列

圖9 試件耗能指標(biāo)與位移的變化曲線
Fig.9 Curves of energy dissipation

由圖9和表3可知，進(jìn)入位移控制階段，隨著試驗(yàn)的繼續(xù)，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱(EC3-1試件除外)的耗能指標(biāo)增大。對比EC1、EC2系列和EC3、EC4系列試件可知，屈服荷載時，EC1、EC2系列較EC3、EC4系列耗能指標(biāo)大，表明此時EC1、EC2系列耗能性能較EC3、EC4系列的好，主要是因?yàn)镋C1、EC2系列斗栱處首先屈服，有利于檐柱屈服時的塑性發(fā)展；之后，EC1、EC2系列試件較EC3、EC4系列試件(EC3-1除外)耗能指標(biāo)小，是由帶斗栱檐柱在塑性階段后期方鋼管柱根部焊縫開裂及明顯屈曲，使滯回環(huán)包圍的面積急劇減少造成的，可知斗栱的存在對鋼結(jié)構(gòu)檐柱的耗能能力有一定的影響。

4 有限元分析

4.1 有限元模型結(jié)構(gòu)建立

利用ABAQUS分析軟件建立與試驗(yàn)尺寸相同的有限元模型結(jié)構(gòu)，采用雙線性強(qiáng)化本構(gòu)模型結(jié)構(gòu)。有限元模型結(jié)構(gòu)的材性指標(biāo)由試驗(yàn)前制作的標(biāo)準(zhǔn)試樣通過材性試驗(yàn)獲得；選取S4R殼單元。為便于分析，整個有限元模型結(jié)構(gòu)由幾個部分通過Tie連接而成，詳見圖10。

(a) EC1系列模型結(jié)構(gòu)(b) EC3系列模型結(jié)構(gòu)(c) EC2系列模型結(jié)構(gòu)(d) EC4系列模型結(jié)構(gòu)

圖10 試件三維有限元模型結(jié)構(gòu)
Fig.10 Finite element models

4.2 分析結(jié)果對比

為驗(yàn)證所建立模型結(jié)構(gòu)的合理性和準(zhǔn)確性，對各模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，各模型結(jié)構(gòu)采用和試驗(yàn)一致的邊界條件及加載方式。各模型結(jié)構(gòu)在峰值點(diǎn)處的主要分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對比情況列于表4中。

4.3 櫨斗厚寬比對鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱力學(xué)性能的影響分析

在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，改變櫨斗厚寬比t/b，研究其對檐柱力學(xué)性能的影響。

模型結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見圖11和表5，試件承載能力隨櫨斗厚寬比變化的關(guān)系曲線如圖12所示，由此可知：櫨斗厚寬比的變化對試件位移延性的影響相對較小，而對試件剛度和極限承載能力的影響相對較大，即當(dāng)櫨斗厚寬比的增大時，在不明顯降低鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱延性的前提下，斗栱可明顯提高檐柱的剛度和承載能力。

(1) 櫨斗厚寬比越大，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱承載能力越大。與EC1-0試件相比，寬厚比分別為0.007、0.011、0.015、0.020、0.024時極限荷載分別增大32.9%、37.0%、87.7%、95.9%、100%，增幅依次是

表4 主要試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果對比Tab.4 Comparison of test results and FEA results

圖11 不同t/b時的荷載位移曲線Fig.11 P-Δ curves of different Lu Dou thickness

表5 不同t/b模型計(jì)算結(jié)果Tab.5 Results of models with different width-thickness ratio

圖12 t/b對檐柱承載力的影響Fig.12 Influence of width-thickness ratio on P-t/b curves

4.1%、50.7%、8.2%、4.1%，增幅先增大后減小，說明櫨斗厚寬比越大，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的極限承載能力也越大。櫨斗厚寬比越大，櫨斗對鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的剛度貢獻(xiàn)越大。試件在特征點(diǎn)處的剛度Ky分別增大17.6%、18.8%、29.5%、33.6%、36.3%，增幅依次是1.2%、10.7%、4.1%、2.7%，增幅先增大后減??；試件在特征點(diǎn)處的剛度Ku分別增大32.7%、36.9%、87.5%、95.7%、99.8%，增幅依次是4.2%、50.6%、8.2%、4.1%，增幅先增大后減小；說明隨櫨斗厚寬比的增大，試件在特征點(diǎn)處剛度越來愈大。綜上所述，櫨斗厚寬比大于0.015時，隨厚寬比的增大，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱剛度和承載力增幅減小，厚寬比介于0.011～0.015時，當(dāng)寬厚比增大時，試件剛度和承載力的增幅最大。

(3)t/b越大，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱剛度越大，其位移延性有一定程度的降低。與EC1-0試件相比，寬厚比分別為0.007、0.011、0.015、0.020、0.024時試件位移延性系數(shù)分別減小0、4.7%、25.4%、26.8%、28.1%，表明在不明顯降低鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱延性的前提下，斗栱可明顯提高檐柱的剛度和承載能力。

5 結(jié) 論

通過8個縮尺比為1∶1.5的鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的試驗(yàn)研究及有限元分析結(jié)果，可得以下結(jié)論：

(1) 斗栱作為鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑中的標(biāo)志性構(gòu)件，不僅改變了鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的傳力途徑及其破壞形態(tài)，同時起到很好的裝飾性作用。

(2) 在不明顯降低(平均降低8.5%)鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱延性的基礎(chǔ)上，斗栱使檐柱的剛度和承載能力分別提高了41.8%和79.8%。

(3) 隨著長細(xì)比的減小，斗栱對檐柱剛度退化及強(qiáng)度衰減的影響變大。試件破壞時，EC1系列的剛度與初始剛度的比值、承載力降低系數(shù)較EC3系列的分別減小8.5%、9.9%，而EC2系列的剛度與初始剛度的比值、承載力降低系數(shù)較EC4系列的分別減小10.7%、12.5%。

(4) 櫨斗厚寬比由0增大到0.024時，模型結(jié)構(gòu)在極限點(diǎn)處的剛度和承載力分別增大100.0%和99.8%，其位移延性下降28.1%。