木結構鼓樓底層邊柱壓扭性能試驗研究

中圖分類號：TU366.2 文獻標志碼：A

木結構鼓樓是苗族侗族少數民族地區最具特色的建筑之一[]，是當地居民聚眾議事、祭祀慶豐、迎賓送客的場所。它包含著豐富的文化內涵，是苗族侗族少數民族地區最重要的建筑形式。

近年來，一些鼓樓在惡劣天氣下時有垮塌，如2018年凱里市東出口一座已建成的23層鼓樓在大風中轟然倒塌[2]，2018 年從江縣一鼓樓在大風中垮塌，2024年凱里市暢達廣場對面一座鼓樓也發生突然倒塌。這些案例表明黔東南的木結構鼓樓垮塌并非偶然現象。經調研還發現有大量鼓樓出現傾斜，存在安全隱患，如安順市某鼓樓和凱里開發區風情大道15層鼓樓相繼出現明顯傾斜。

隨著對鼓樓垮塌問題的重視，近年來有關木結構鼓樓方面的研究也逐漸增多，主要為鼓樓構造、柱腳、榫卯節點力學性能以及抗震性能的研究。在鼓樓構造方面，蔡凌將侗族鼓樓建筑劃分為抬梁穿斗混合式與穿斗式兩大類，并分別討論了各類型鼓樓的結構技術和造型特點。在鼓樓的動力特性和抗震性能方面，周志鵬等4選取凱里某鼓樓為研究對象，采用ABAQUS軟件建立了鼓樓數值模型，通過輸入不同地震波對結構進行了多遇地震和罕遇地震作用下的抗震分析，得到了不同工況下各層關鍵節點的加速度和位移響應曲線。蒲爽等[5]以述洞鼓樓為研究對象，基于實地調研數據，分析了平面選型、建筑構造特征和抗震構造特征，并運用SAP2000軟件建立獨柱鼓樓三維有限元模型，完成模態分析，揭示了獨柱鼓樓動力特性。在鼓樓的抗震性能和抗倒塌性能方面，余漢謀等[6-7]依據實際鼓樓設計了不同的木構架縮尺模型，通過低周往復水平荷載試驗與有限元數值模擬，分析木構架的滯回性能、剛度退化、變形等力學性能，并從能量角度定量分析了木構架的耗能機制；采用抽柱法模擬了結構倒塌過程，分析了結構的動力響應。在木柱抗壓加固方面，LI等8提出了鋼護套加固拼接柱軸向抗壓強度理論模型，并通過試驗驗證了理論模型的準確性。在鼓樓風致垮塌方面，陳波等[建立了與垮塌木結構鼓樓實際尺寸高度吻合的有限元模型，通過多工況模擬，對結構的整體穩定、薄弱位置進行了詳細分析，揭示了鼓樓垮塌機理。

隨著現代建筑的發展，越來越多的鼓樓在設計和建造過程中采用了更高的建筑高度和更復雜的結構形式。同時，許多鼓樓仍然遵循傳統的工藝進行建造，這在一定程度上增加了其結構的復雜性。在這種背景下，鼓樓的結構在受到壓、彎、扭等復雜受力狀態時，尤其是邊柱部分受到的力遠遠超過其承載能力，局部的承重木柱可能會由于承載力不足而發生扭轉破壞。因此，鼓樓底層柱的壓扭性能對結構安全有著重要影響。本文對鼓樓底層邊柱開展縮尺實驗，研究其在不同軸壓比、長細比下的壓扭性能，以期為鼓樓設計或修繕提供參考。

1 試驗方案

1.1 試件概況

根據試驗條件設計了鼓樓邊柱的縮尺試驗試件。試驗木柱材質為黔東南杉木，試件長度均為2000mm ，直徑為 150，200，250mm ，各試件設計信息及加載狀況如表1所示。

表1中軸壓比按式（1）進行計算，軸壓力根據SAP2000計算的某15層木結構鼓樓的結果確定。

式中： u 為軸壓比； N 為構件軸力設計值;A為試件截面面積 ;f_c 為試件材料的順紋抗壓強度實測標準值[10] 。

1.2 加載方案

試驗在貴州大學空間結構研究中心實施。試件水平放置，柱底與反力裝置連接，確保提供足夠的抗壓及抗扭轉能力。然后，將特制的連接裝置（鋼制柱帽和鋼伸臂）安裝在柱頂處。其中，在柱帽的頂部放置液壓千斤頂，以便于施加軸向荷載；在2個鋼伸臂的端部安裝作動器，以便于施加往復扭矩。正式測試前，對試件進行了預壓，以盡量消除連接所導致的誤差。試驗測試現場如圖1所示。

1.3 加載制度

木柱采用扭轉角控制的加載方式。相關研究[9-13]表明木柱的屈服轉角為 15^° ，在試驗中按照屈服扭轉角的倍數分級加載，每級往復加載2次。加載制度如圖2所示。

2 試驗過程及現象

天然木材具有一定的初始缺陷，如木節、開裂等。加載前對缺陷進行了觀測記錄。第1級加載時，試件發出了明顯的聲響，外層纖維錯動，隨后木柱縫隙逐漸增大，纖維出現斷裂，如圖3（a）所示；第2級加載時，原有裂縫不斷延伸擴展，如圖3（b）所示；到第3級加載時，木柱構件發出的聲響有所增大，縱向開裂進一步擴展，且有一定的彎曲變形特征，如圖3（c）所示;進入第4級加載后，木柱的端部發出較大的聲響，隨后發生較大的開裂現象，如圖3（d）所示。

總體來看，在試驗初期，木柱隨著加載的進行，一直發出細小的啪聲響；隨著扭轉角的增加，開裂現象逐漸加劇，并且出現纖維斷裂現象。這是因為施加了軸壓力和扭矩后，木材內部產生了復雜的應力分布，木材纖維之間的相互作用力發生變化。當扭轉角增大時，木材內部的應力水平也隨之提高，進而加劇了木材的變形和破壞過程。在不同軸壓比的狀況下，軸壓比越大，試驗反應越劇烈，其破壞程度也越明顯，抗扭承載力也越小。

3 試驗數據分析

3.1 滯回曲線分析

試驗數據顯示：當試件加載至第3級時，試件出現了明顯破壞現象；加載至第4級后，其滯回環變異性較大。因此，本研究選取前3級加載數據進行分析，各試件的扭矩-扭轉角滯回曲線如圖4所示。由圖4可以看出：在試驗初期，施加的扭矩較小，所有試件的滯回曲線均呈現出比較飽滿的圓環形，由此顯示木柱的耗能能力良好。隨著試驗的持續進行，滯回環的面積逐漸增大，滯回曲線逐漸呈現梭形，試件的耗能能力逐漸降低。在不同軸壓力條件下的壓扭試驗中，隨著軸壓比的增大，試件滯回曲線的飽滿程度明顯下降，耗能能力降低。在相同軸壓比的條件下，對比Z1-1、Z2-1和Z3-1滯回曲線，柱徑大的試件在試驗過程中較難約束其兩端，導致柱徑越大的試件越容易產生滑移。因此，柱徑大的試件的滯回曲線在加載初期呈現出較明顯的捏攏特征。值得注意的是，試件Z3-1因其直徑過大，在試驗加載到第2級荷載時設備突然終止，故對該構件進行了第2次加載，其滯回環形狀捏攏現象較為明顯。

3.2 承載力分析

試驗加載至第3級時出現明顯破壞，導致后續加載的測試數據變異性大，且后期各階段最大承載力變化不明顯。因此，試件承載力分析前3級數據，各試件承載力對比如圖5所示。

在不同軸壓比下，承載力隨軸壓比的增加而降低。相比于Z1-1，試件 z1-2、71-3 的承載力分別降低了 9.54% 和 23.42% ，其原因是當試件軸壓力較大時，木材纖維在軸壓應力及扭轉應力的復合作用下更易遭受破壞。

在不同直徑下，承載力隨著試件直徑的增加而增加。與Z1-1相比，試件Z2-1、Z3-1的承載力分別提高了 2.72% 和 38.06% ，承載力變化趨勢呈現非線性變化。在一般情況下，木柱越粗，其承載力越強。這是因為較粗的木柱具有更大的截面積和更好的穩定性，其抵抗扭轉的能力相對更強。Z2-1與Z1-1相比，其抗扭轉承載能力提升有限。這是因為木材自身具有木節、裂縫等缺陷，當Z2-1的缺陷相對更加明顯時，其抗扭轉承載力也會受到影響，故其承載力與Z1-1相差不大。

3.3 剛度退化曲線

試件切線剛度 K_i 的計算公式如下：

式中： P_i?-P_i 分別為第 i 次正、反向峰值點的扭矩： 分別為第 i 次正、反向峰值點的扭轉角。

不同軸壓比和不同直徑的剛度退化曲線如圖6所示。由圖6可知：試驗中每個試件的剛度在加載初期下降速度較快，隨著扭轉角的增加，試件沿著順紋方向開裂后開始屈服，其剛度隨著扭轉角的增加出現緩慢下降的現象，至試件出現明顯破壞時，其平均剛度為初始剛度的 56.7% 。

不同軸壓比下，Z1-1與Z1-2的初始剛度相差不大，而Z1-3的初始剛度明顯偏小。其原因可能是較大的豎向荷載使得木質纖維之間產生了膨脹拉力，纖維與纖維之間的緊密程度降低，纖維的彎曲程度有所增加，故其初始剛度相對較小。加載后期，試件Z1-1的剛度退化最為陡峭，試件Z1-3的剛度退化最為平緩。這是因為較高的軸壓比抑制了試件的破壞，降低了試件的承載力和剛度。

不同直徑下，隨著試件直徑的增大，其剛度退化的變化逐漸趨于平緩，這是因為直徑是影響試件穩定性和剛度的重要因素。直徑較小的試件剛度退化更加明顯，這是因為直徑大的構件在受力時，附加變形等因素造成其截面上的應力分布更加不均勻，這樣更容易產生應力集中和塑性變形，從而其剛度退化速度變快。

3.4 耗能分析

試件的耗能能力以扭矩-扭轉角曲線所包含的面積來衡量[14]。能量耗散系數 E 計算示意如圖7所示，計算公式如下：

式中： S_ABC+S_CDA 為曲線圍起來的陰影面積;S_OBE+S_ODG 為2個三角形的面積。

試件能量耗散對比如圖8所示。圖8顯示：能量耗散系數總體呈現先上升后持續下降的趨勢。試驗加載初期，在木材受到外力作用時，其內部的纖維結構會發生變形，當這種變形超過木材的承受能力時，纖維就會發生斷裂，這個斷裂過程消耗了大量外部能量，因而能量耗散系數比較大。當試件的損傷積累到一定程度后，纖維斷裂無法再消耗大量能量，能量耗散系數出現降低的趨勢。

不同軸壓比下，與試件Z1-1相比，試件Z1-2、Z1-3的能量耗散系數在同等級加載下依次減小。這是因為軸壓比大的試件承受了更大的軸向壓力，對扭轉應力的分擔就會降低，試件在較低的加載水平下發生破壞，從而減少了耗能。

不同直徑下，在第1級別加載時，試件Z2-1的能量耗散系數比試件Z1-1提高了 7.9% ，加載完畢后，試件Z2-1的能量耗散系數比試件Z1-1降低了13.1% 。試件Z3-1由于進行了二次加載，2次損傷累積導致其耗能能力明顯下降，此外，其耗能系數隨加載下降的幅度比較緩慢。這表明：試件直徑越大，參與受力和耗能的材料體積也就越大，更有效地分散軸向壓力，減少局部應力集中，延緩了試件的破壞過程，耗能能力也就相對越高。

4結論

本文對5個縮尺柱模型進行了低周往復荷載試驗，研究其在不同軸壓比、直徑下的壓扭性能，闡明了加載全過程中試件的力學特征，主要結論如下：1）在低周反復扭矩荷載作用下，試件的滯回曲線呈比較飽滿的圓環形，隨著試驗的進行，滯回環面積逐漸增加，但捏攏現象越明顯2）木柱試件的軸壓比越高，其抗扭承載力越小。在相同軸壓比條件下，木柱抗扭承載力隨柱直徑的增加而下降。3）隨著軸壓比的增大，試件初始剛度有所降低，但剛度退化較為緩慢。試件直徑越小，其初始剛度相對越高，剛度退化越緩慢。4）能量耗散系數隨加載的進行而逐漸降低。軸壓比越大，能量耗散系數越小；直徑越小，試件耗能能力相對越強。

本文研究存在一些不足之處，主要體現在以下2個方面：一是僅考慮了壓扭復合加載的情況，而忽略了其他可能的荷載組合（如壓彎剪扭復合狀況），故本文結論具有一定的局限性；二是試件加載過程中端部出現明顯的晃動現象，這對測試結果的準確性會有一定程度的影響。

參考文獻：

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（責任編輯：周曉南）

Experimental Study on the Compression-Torsion Performance of Edge Columns on the Bottom Floor of Wooden Drum Towers

CHE Fangtao，HUANG Yong*，CHEN Bo，ZHOU Li （Collegeof Architecture and UrbanPlanning，Guizhou University，Guiyang 55oo25，China）

Abstract：To investigate the compresion-torsion performance of the edge columns of the wooden drum towers in Southeast Guizhou，typical edge columns of drum towers were selected as the research subjects.Five scaled column models were designed and fabricated for studying their compresion-torsion performance under diferent axial compression ratios and slenderness ratios.Low-cycle loading tests were conducted thus the corresponding failure modes，hysteretic performance，load-bearing capacity，and stiffness degradation were analyzed.The results indicate that under theaction of low-cycle loads，the failure locations of the wooden columns vary，but their failure directions areconsistent，all occuring as diagonal cracking along the grain direction，which matches the actual collapse and failure phenomena of drum towers；the hysteretic curves of the specimens exhibit a relatively full circular shape，and asthe deformation under load increase，the hysteretic loops gradually show a pinching phenomenon，with the area of the hysteretic loops gradualyincreasing；with the increaseof the axial compression ratio，the fulness of the hysteretic curves of thespecimens obviously decrease，the pinching phenomenon become more apparent，and the column stiffness，load-bearing capacity，and energy disipation capacityalldecrease；as the diameter of the specimens increase，the hysteretic loop area tend to be fullr，and theareaof the hystereticloops increase，with anincrease instiffess，load-bearing capacity，andenergy dissipation capacity. This study can provide references for the construction and reinforcement modification of drum towers.

Keywords：wooden drum tower；axial compression ratio；slenderness ratio；compresson-torsion performance; low-cycle loading tests