仿古建筑鋼結(jié)構(gòu)單梁-柱和雙梁-柱節(jié)點動力加載試驗研究

薛建陽 馬林林 楊焜 吳占景 隋龑

摘要：為研究仿古建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點在地震作用下的破壞模式和抗震性能，依據(jù)古建筑的形制和仿古建筑工程實例設(shè)計制作了1個單梁一柱節(jié)點試件和1個雙梁一柱節(jié)點試件，并通過控制柱端位移和正弦波加載頻率對試件進行了動力加載試驗。觀察了節(jié)點的破壞過程，對其滯回特性、延性、耗能能力、強度和剛度退化規(guī)律進行了分析。結(jié)果表明：節(jié)點梁端塑性鉸區(qū)在加載過程中變形顯著，試件破壞始于其梁端塑性鉸區(qū)上、下翼緣的母材撕裂;試件滯回曲線呈梭形且較為飽滿;試件破壞時的等效黏滯阻尼系數(shù)均在0.2以上，表明兩類試件均具有良好的耗能性能，但雙梁一柱節(jié)點的剛度、承載力要明顯大于單梁一柱節(jié)點。單梁一柱節(jié)點和雙梁一柱節(jié)點的延性系數(shù)分別為1.81和1.92，試件在動力加載過程中的變形發(fā)展較快，但延性不高，強度和剛度退化速度較快。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)抗震;抗震性能;仿古建筑;單梁一柱;雙梁一柱

中圖分類號：TU352.11;TU391文獻標志碼：A 文章編號：1004-4523（2020）05-1044-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.05.019

1概述

中國古建筑造型獨特，體現(xiàn)了極高的文化和藝術(shù)價值。為繼承和弘揚傳統(tǒng)文化，使用現(xiàn)代建筑材料和建造工藝而仿造古建筑外形特征的仿古建筑應(yīng)運而生，其中采用鋼結(jié)構(gòu)的仿古建筑因其具有材質(zhì)均勻、輕質(zhì)高強、承載能力高且施工周期短的特點，因而得到了廣泛應(yīng)用。

古建筑中，枋可分為金枋、額枋、檐枋等。額枋是清式叫法，一般僅有一根，與檐柱構(gòu)成單梁一柱節(jié)點（如圖1（a）所示）。在較大的建筑物中，也常兩根并用，上面的稱之為大額枋（闌額），下面的稱之為小額枋（由額），其與檐柱構(gòu)成雙梁一柱節(jié)點（圖1（b））。

根據(jù)古建筑的形制建造而成的仿古建筑梁一柱節(jié)點相比常規(guī)節(jié)點而言，具有諸多特殊構(gòu)件和構(gòu)造要求;同時又因為采用了現(xiàn)代建筑材料、工藝以及相應(yīng)的連接方式，其受力機理又明顯不同于古建筑中的榫卯節(jié)點。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點進行了相關(guān)研究，Kim和Hwang對鋼箱梁一圓柱節(jié)點進行了非線性有限元分析，提出了一種節(jié)點橫隔板的設(shè)計方法。石永久等對帶端板框架節(jié)點的受力性能進行了分析，結(jié)果表明平齊式端板節(jié)點的承載力和剛度降低近50%，且滯回曲線出現(xiàn)明顯劣化。宋振森等和Tsai通過對鋼結(jié)構(gòu)梁一柱節(jié)點的試驗研究，得出全焊連接節(jié)點具有較好的抗震性能。Uang等對4個框架抗彎節(jié)點進行了靜力、動力破壞試驗，發(fā)現(xiàn)動力加載的試件性能低于靜力加載試件。上述研究成果大多基于靜力加載試驗，柱截面非變截面，同時均為單梁一柱節(jié)點，對雙梁一柱節(jié)點的動力試驗研究較少。薛建陽等、謝啟芳等分別對混凝土、鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑雙梁一柱節(jié)點進行了擬靜力試驗，初步獲得了雙梁一柱節(jié)點的破壞模式和抗震性能。地震作用是一種動力荷載，動力加載的試驗結(jié)果更接近于真實地震作用時的情況，然而目前鮮有仿古建筑梁一柱節(jié)點動力加載試驗研究的相關(guān)報道。

為了比較兩種不同形式的仿古建筑鋼結(jié)構(gòu)中節(jié)點在實際動力加載下的抗震性能，設(shè)計制作了1個單梁柱節(jié)點和1個雙梁柱節(jié)點。采用動力加載制度進行加載，對比分析了節(jié)點的破壞模式以及抗震性能，為仿古建筑鋼結(jié)構(gòu)的理論研究和工程設(shè)計提供參考。

2試驗概況

2.1試件設(shè)計

本次試驗共有2個試件，其中單梁柱節(jié)點編號為DLZ-1，雙梁柱節(jié)點編號為SLZ-1。試件尺寸參考了西安某景區(qū)實際工程，按照宋《營造法式》材份制進行換算而最終確定，受實驗室條件限制，模型比例取1/2.6，所用鋼材均為Q235B，梁柱連接均采用全焊接剛性連接。

試驗單元選自水平荷載作用下梁一柱反彎點之問的部分，試件的基本參數(shù)如表1所示。試件的下柱為圓鋼管柱，由無縫鋼管焊接而成。為便于安置斗棋，上柱采用方鋼管柱，梁均為箱型截面，方鋼管柱和箱型梁均由鋼板拼裝焊接而成。各部件問的連接方式均為焊接，并嚴格按照文獻中的相關(guān)規(guī)定制作而成，焊接的具體工藝及參數(shù)如圖2所示。方鋼管柱及箱型梁均由鋼板通過焊腳高度為6mm的角焊縫連接而成，箱型梁與圓鋼管柱問采用焊腳高度為6mm周圍施焊的角焊縫，加勁肋通過焊腳高度為6mm的雙面角焊縫與方鋼管柱和圓鋼管柱連接。節(jié)點各部分分別制作完成后進行拼裝焊接工作，方鋼管柱與圓鋼管柱之問焊接水平隔板和豎向加勁肋。試件幾何尺寸及詳細構(gòu)造如圖2所示。由圖2可知，仿古建筑梁一柱節(jié)點中，柱為變截面柱，雙梁一柱節(jié)點因雙梁的存在節(jié)點區(qū)明顯增大，其構(gòu)造和設(shè)計與常規(guī)節(jié)點顯著不同。

本次試件的材性試驗結(jié)果如表2所示。

2.2試驗裝置和加載方案

2.2.1試驗裝置

試驗中，由千斤頂對方鋼管柱頂施加豎向軸壓力至設(shè)計值并保持恒定，水平動荷載由500kN作動器施加，作動器量程為±250mm。

根據(jù)該型節(jié)點在實際結(jié)構(gòu)中的約束條件和受力情況，設(shè)計了本次試驗試件的加載約束裝置。其梁端由拉桿約束，圓鋼管柱底由固定鉸支座約束;并在柱端豎直方向施加軸壓力，水平方向施加水平荷載。兩試件的加載裝置基本一致，但在雙梁一柱節(jié)點加載試驗中，需要通過設(shè)置雙梁連接器來保證闌額和由額的端部僅發(fā)生水平方向的錯動。試件的加載裝置如圖3所示，雙梁連接器圖如圖4所示。

2.2.2加載制度

地震為一種動力作用，可以看作不同頻率的正弦波的集合，對于正弦波，一旦確定了其峰值位移和峰值加速度，與其對應(yīng)的頻率也就確定了，故試驗采用了以頻率為變量的正弦波形式的動力加載方式。根據(jù)抗震規(guī)范中層問位移角限值的規(guī)定，設(shè)計了對應(yīng)不同地震烈度的層問位移角，并換算得到了各工況對應(yīng)的柱頂控制位移。同時為考慮加載加速度對試件受力的影響，根據(jù)文獻[16]中各地震烈度對應(yīng)的水平向地震動峰值加速度范圍，確定了各工況與地震烈度相對應(yīng)的峰值加速度，并根據(jù)峰值加速度和控制位移得到了各工況的正弦波加載頻率。文獻[16]中不同地震烈度對應(yīng)的水平峰值加速度范圍如表3所示，其加載制度如表4和圖5所示，各工況循環(huán)加載5圈，直至柱端水平荷載降為峰值荷載的85%。

因試件變形主要集中在梁端塑性鉸區(qū)，因此將全部8個應(yīng)變片均布置在梁端塑性鉸區(qū)及節(jié)點核心區(qū)。DLZ-1試件和SLZ-1試件的測點布置圖如圖6所示。柱頂位移由MTS973加載系統(tǒng)自動采集。

3試件破壞過程及破壞模式

3.1試件破壞過程描述

在工況1-8加載階段，試件各測點處應(yīng)變值都未超過材性試驗中的屈服應(yīng)變值εy。由采集儀獲得的柱端荷載一位移曲線基本呈直線增長，表明試件基本在彈性階段。在工況9時，2個試件均達到屈服。此時DLZ-1試件推拉方向的最大荷載分別為37.48，-31.52kN，相應(yīng)的位移為26.58，-23.22mm，而SLZ-1試件推拉方向的最大荷載分別為51.39，-52.17kN，相應(yīng)的位移為26.18，-24.70mm。

試件在動力加載過程中做往復(fù)運動。在柱端達到最大位移時，柱身傾斜，梁自兩端起拱，且東、西兩側(cè)梁的起拱方向相反。隨著柱端水平位移的逐漸增長，節(jié)點核心區(qū)梁端塑性鉸區(qū)的屈曲變形愈發(fā)顯著。在工況13時，DLZ-1試件節(jié)點核心區(qū)東側(cè)梁端翼緣焊縫出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象。在工況14時，DLZ-1試件節(jié)點核心區(qū)兩側(cè)梁端腹板出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，SLZ-1試件節(jié)點核心區(qū)西側(cè)上梁端翼緣局部屈曲處母材拉裂且開始向腹板發(fā)展，之后，其他各梁梁端翼緣及腹板相繼出現(xiàn)母材撕裂。在工況17時，SLZ-1試件各母材裂縫長度和寬度亦持續(xù)增長，直至最終梁端翼緣母材完全撕裂，試驗結(jié)束。

各試件的破壞形態(tài)如圖7—8所示。

3.2試件破壞模式分析

（1）試件均由梁端塑性鉸區(qū)開始破壞：本次試驗試件的設(shè)計原則是“強柱弱梁”，因此變形主要集中在梁端塑性鉸區(qū)，即梁身距柱外表面5-10cm的區(qū)域內(nèi)。屈服后梁上、下翼緣和腹板均出現(xiàn)了明顯的屈曲變形;隨著柱端控制位移的不斷加大，導(dǎo)致塑性鉸區(qū)母材發(fā)生撕裂并不斷向腹板延伸，而整個加載過程中柱及節(jié)點核心區(qū)并無可見變化。

（2）試件梁、柱之問的連接全部采用坡口熔透焊。DLZ-1試件的破壞是由于東、西兩側(cè)闌額在上翼緣與柱連接處出現(xiàn)焊縫破壞并發(fā)生斜向約45。的母材撕裂。SLZ-1試件則是在梁端塑性鉸區(qū)梁翼緣及腹板相應(yīng)位置出現(xiàn)母材撕裂，而后母材裂縫在循環(huán)荷載作用下張開閉合，一方面導(dǎo)致裂縫處的縱向焊縫產(chǎn)生一定程度的破壞;另一方面，翼緣的裂縫同時不斷向其中部延伸，腹板的裂縫也沿豎直方向向腹板中部發(fā)展，在最終破壞時，梁翼緣母材徹底崩裂，裂縫貫穿。

4主要試驗結(jié)果及分析

4.1應(yīng)變分析

因試件節(jié)點區(qū)應(yīng)變分布具有一定的相似性，故以SLZ-1試件節(jié)點區(qū)的應(yīng)變進行說明。選取梁端塑性鉸區(qū)的1，2，3，5號應(yīng)變片以及方鋼管柱上的7號應(yīng)變片和節(jié)點核心區(qū)的8號應(yīng)變片進行分析，圖9給出了各應(yīng)變片在工況1-10的荷載一應(yīng)變曲線，可知：

（1）SLZ-1試件上的1，2，3，5號應(yīng)變片在工況8時的最大應(yīng)變分別為812uE，824uE，564uE，672uE，這說明試件在工況8以前均處于彈性工作階段;在工況9時，其最大應(yīng)變分別為1608uE，1848uE，1564uE，1428uE，梁端塑性鉸區(qū)已經(jīng)屈服，試件進入彈塑性工作階段。同時可以發(fā)現(xiàn)，雙梁一柱節(jié)點的闌額根部塑性鉸區(qū)的應(yīng)變相比由額同位置處大;單梁一柱節(jié)點試件和雙梁一柱節(jié)點試件梁端塑性鉸區(qū)的應(yīng)變值相差不大，但是在相同工況時，雙梁一柱節(jié)點試件的承載能力明顯高于單梁一柱節(jié)點試件。

（2）試件方鋼管柱和節(jié)點核心區(qū)的應(yīng)變值在工況9時均在250uε以下，且在整個加載過程中始終沒有達到屈服，這說明SLZ-1試件的柱及節(jié)點核心區(qū)一直處于彈性工作狀態(tài)，符合“強柱弱梁”的抗震設(shè)計要求。

（3）2號、8號測點荷載一應(yīng)變曲線變化趨勢與其余測點有一定差異，主要原因是加載初期，各測點應(yīng)變隨柱端水平荷載的增加呈線性增長，當(dāng)荷載較大時，2號、8號應(yīng)變片損壞，應(yīng)變片數(shù)據(jù)發(fā)生漂移而表現(xiàn)出無規(guī)律性。

4.2柱端P-A滯回曲線

各試件滯回曲線如圖10所示，其中P為柱頂水平荷載，△為對應(yīng)的柱頂水平位移。試件滯回曲線為鋸齒狀，主要原因是在快速加載過程中MTS液壓伺服作動器受動力所限，其油缸在送油及回油過程中，不能一直保持穩(wěn)定速率而有輕微跳動，致使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的試件的滯回曲線呈現(xiàn)一定的鋸齒狀（波動），但總體而言，其滯回曲線的形狀仍能客觀地反映試件的力學(xué)特征。

由圖10可知：

（1）試件在梁端塑性鉸區(qū)尚未屈服時，其滯回曲線呈線性增長，耗能能力小，卸載后幾乎無殘余變形。

（2）隨著工況的增加，試件的滯回曲線開始變得飽滿，說明仿古建筑梁一柱節(jié)點具有優(yōu)越的耗能性能，此時，卸載后其滯回曲線產(chǎn)生明顯的殘余變形;滯回曲線的初始斜率逐漸減小，這表明隨著梁端塑性鉸區(qū)的塑性變形以及裂縫的出現(xiàn)和持續(xù)開展，節(jié)點剛度在不斷退化。

（3）對比兩個試件的滯回曲線可知，雙梁一柱節(jié)點試件的滯回環(huán)面積和極限荷載明顯比單梁一柱節(jié)點的大。

（4）在動力荷載作用下，柱端荷載一位移滯回曲線在最大承載力之后下降較快，梁端塑性鉸區(qū)的出現(xiàn)裂縫，試件強度衰減和剛度退化較為顯著。

（5）在加載后期，同一工況下的5圈滯回曲線并不重合，同級加載，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，柱端荷載逐漸減小。主要是由此階段梁端塑性鉸區(qū)變形明顯，循環(huán)加載后產(chǎn)生了較大的累積損傷。

4.3柱端P-A骨架曲線

各試件骨架曲線如圖11所示，由圖可知：

（1）在屈服工況前，骨架曲線基本呈線性，表明試件處在彈性狀態(tài)。屈服后，表現(xiàn)出明顯的非線性，試件剛度急劇下降。荷載一位移曲線在極限點之后，有明顯的下降趨勢，主要原因是梁端塑性鉸區(qū)母材和焊縫拉裂。

（2）雙梁一柱節(jié)點試件的割線剛度和承載力明顯大于單梁一柱節(jié)點試件，主要是因為雙梁使節(jié)點的剛度顯著提高，節(jié)點受力后由雙梁承載，其承載力提高較明顯。

（3）在極限點之后，節(jié)點梁端塑性鉸區(qū)母材拉裂，之后母材裂縫發(fā)展迅速，承載力迅速下降，對比可知，雙梁一柱節(jié)點試件承載力下降速率要小于單

5結(jié)論

（1）對仿古建筑特有的雙梁一柱節(jié)點進行了動力快速加載試驗，分析了仿古建筑雙梁一柱節(jié)點的破壞形態(tài)，其破壞發(fā)生在梁端塑性鉸區(qū)，最終破壞由梁端塑性鉸區(qū)屈曲變形和母材撕裂所引起。

（2）雙梁一柱節(jié)點和單梁一柱節(jié)點試件的滯回曲線均較為飽滿，表明其具有較好的耗能性能。對比可知，SLZ-1試件的滯回曲線面積較DLZ-1試件的大，其側(cè)移剛度和承載能力也顯著大于DLZ-1試件，表明仿古建筑特有的雙梁一柱節(jié)點的抗震性能優(yōu)于單梁一柱節(jié)點，可為仿古建筑的工程應(yīng)用提供參考。

（3）DLZ-1試件和SLZ-1試件的延性系數(shù)分別為1.81和1.92，小于3.0，表明試件的延性不高，這主要是加載后期，試件的塑性變形和母材裂縫發(fā)展較快，導(dǎo)致試件承載能力迅速下降，變形能力較差。

（4）屈服前，在同一工況下，各試件的試滯回耗能相差不大且均較小;屈服后，同一工況下，雙梁柱節(jié)點試件的滯回耗能要顯著高于單梁柱節(jié)點試件。各試件破壞時的等效黏滯阻尼系數(shù)均在0.2以上，耗能能力較強。