木結(jié)構(gòu)鼓樓底層邊柱壓扭性能試驗研究

中圖分類號：TU366.2 文獻標(biāo)志碼：A

木結(jié)構(gòu)鼓樓是苗族侗族少數(shù)民族地區(qū)最具特色的建筑之一[]，是當(dāng)?shù)鼐用窬郾娮h事、祭祀慶豐、迎賓送客的場所。它包含著豐富的文化內(nèi)涵，是苗族侗族少數(shù)民族地區(qū)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(fēng)中轟然倒塌[2]，2018 年從江縣一鼓樓在大風(fēng)中垮塌，2024年凱里市暢達廣場對面一座鼓樓也發(fā)生突然倒塌。這些案例表明黔東南的木結(jié)構(gòu)鼓樓垮塌并非偶然現(xiàn)象。經(jīng)調(diào)研還發(fā)現(xiàn)有大量鼓樓出現(xiàn)傾斜，存在安全隱患，如安順市某鼓樓和凱里開發(fā)區(qū)風(fēng)情大道15層鼓樓相繼出現(xiàn)明顯傾斜。

隨著對鼓樓垮塌問題的重視，近年來有關(guān)木結(jié)構(gòu)鼓樓方面的研究也逐漸增多，主要為鼓樓構(gòu)造、柱腳、榫卯節(jié)點力學(xué)性能以及抗震性能的研究。在鼓樓構(gòu)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(jié)構(gòu)技術(shù)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(shù)值模型，通過輸入不同地震波對結(jié)構(gòu)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(guān)鍵節(jié)點的加速度和位移響應(yīng)曲線。蒲爽等[5]以述洞鼓樓為研究對象，基于實地調(diào)研數(shù)據(jù)，分析了平面選型、建筑構(gòu)造特征和抗震構(gòu)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(tài)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(jù)實際鼓樓設(shè)計了不同的木構(gòu)架縮尺模型，通過低周往復(fù)水平荷載試驗與有限元數(shù)值模擬，分析木構(gòu)架的滯回性能、剛度退化、變形等力學(xué)性能，并從能量角度定量分析了木構(gòu)架的耗能機制；采用抽柱法模擬了結(jié)構(gòu)倒塌過程，分析了結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。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(zhǔn)確性。在鼓樓風(fēng)致垮塌方面，陳波等[建立了與垮塌木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、薄弱位置進行了詳細(xì)分析，揭示了鼓樓垮塌機理。

隨著現(xiàn)代建筑的發(fā)展，越來越多的鼓樓在設(shè)計和建造過程中采用了更高的建筑高度和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。同時，許多鼓樓仍然遵循傳統(tǒng)的工藝進行建造，這在一定程度上增加了其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。在這種背景下，鼓樓的結(jié)構(gòu)在受到壓、彎、扭等復(fù)雜受力狀態(tài)時，尤其是邊柱部分受到的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。因此，鼓樓底層柱的壓扭性能對結(jié)構(gòu)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(xì)比下的壓扭性能，以期為鼓樓設(shè)計或修繕提供參考。

1 試驗方案

1.1 試件概況

根據(jù)試驗條件設(shè)計了鼓樓邊柱的縮尺試驗試件。試驗?zāi)局馁|(zhì)為黔東南杉木，試件長度均為2000mm ，直徑為 150，200，250mm ，各試件設(shè)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(jù)SAP2000計算的某15層木結(jié)構(gòu)鼓樓的結(jié)果確定。

式中： u 為軸壓比； N 為構(gòu)件軸力設(shè)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(biāo)準(zhǔn)值[10] 。

1.2 加載方案

試驗在貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(fù)扭矩。正式測試前，對試件進行了預(yù)壓，以盡量消除連接所導(dǎo)致的誤差。試驗測試現(xiàn)場如圖1所示。

1.3 加載制度

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

2 試驗過程及現(xiàn)象

天然木材具有一定的初始缺陷，如木節(jié)、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(fā)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(xiàn)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(gòu)件發(fā)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(fā)出較大的聲響，隨后發(fā)生較大的開裂現(xiàn)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(fā)出細(xì)小的啪聲響；隨著扭轉(zhuǎn)角的增加，開裂現(xiàn)象逐漸加劇，并且出現(xiàn)纖維斷裂現(xiàn)象。這是因為施加了軸壓力和扭矩后，木材內(nèi)部產(chǎn)生了復(fù)雜的應(yīng)力分布，木材纖維之間的相互作用力發(fā)生變化。當(dāng)扭轉(zhuǎn)角增大時，木材內(nèi)部的應(yīng)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(yīng)越劇烈，其破壞程度也越明顯，抗扭承載力也越小。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 滯回曲線分析

試驗數(shù)據(jù)顯示：當(dāng)試件加載至第3級時，試件出現(xiàn)了明顯破壞現(xiàn)象；加載至第4級后，其滯回環(huán)變異性較大。因此，本研究選取前3級加載數(shù)據(jù)進行分析，各試件的扭矩-扭轉(zhuǎn)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(xiàn)出比較飽滿的圓環(huán)形，由此顯示木柱的耗能能力良好。隨著試驗的持續(xù)進行，滯回環(huán)的面積逐漸增大，滯回曲線逐漸呈現(xiàn)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(dǎo)致柱徑越大的試件越容易產(chǎn)生滑移。因此，柱徑大的試件的滯回曲線在加載初期呈現(xiàn)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(shè)備突然終止，故對該構(gòu)件進行了第2次加載，其滯回環(huán)形狀捏攏現(xiàn)象較為明顯。

3.2 承載力分析

試驗加載至第3級時出現(xiàn)明顯破壞，導(dǎo)致后續(xù)加載的測試數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(dāng)試件軸壓力較大時，木材纖維在軸壓應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的復(fù)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(xiàn)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(wěn)定性，其抵抗扭轉(zhuǎn)的能力相對更強。Z2-1與Z1-1相比，其抗扭轉(zhuǎn)承載能力提升有限。這是因為木材自身具有木節(jié)、裂縫等缺陷，當(dāng)Z2-1的缺陷相對更加明顯時，其抗扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角的增加出現(xiàn)緩慢下降的現(xiàn)象，至試件出現(xiàn)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(zhì)纖維之間產(chǎn)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(wěn)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(gòu)件在受力時，附加變形等因素造成其截面上的應(yīng)力分布更加不均勻，這樣更容易產(chǎn)生應(yīng)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(zhuǎn)角曲線所包含的面積來衡量[14]。能量耗散系數(shù) 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(shù)總體呈現(xiàn)先上升后持續(xù)下降的趨勢。試驗加載初期，在木材受到外力作用時，其內(nèi)部的纖維結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形，當(dāng)這種變形超過木材的承受能力時，纖維就會發(fā)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(shù)比較大。當(dāng)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(shù)出現(xiàn)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(shù)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(zhuǎn)應(yīng)力的分擔(dān)就會降低，試件在較低的加載水平下發(fā)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(shù)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(shù)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(dǎo)致其耗能能力明顯下降，此外，其耗能系數(shù)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(yīng)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(jié)論

本文對5個縮尺柱模型進行了低周往復(fù)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(xué)特征，主要結(jié)論如下：1）在低周反復(fù)扭矩荷載作用下，試件的滯回曲線呈比較飽滿的圓環(huán)形，隨著試驗的進行，滯回環(huán)面積逐漸增加，但捏攏現(xiàn)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(shù)隨加載的進行而逐漸降低。軸壓比越大，能量耗散系數(shù)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(xiàn)在以下2個方面：一是僅考慮了壓扭復(fù)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(fù)合狀況），故本文結(jié)論具有一定的局限性；二是試件加載過程中端部出現(xiàn)明顯的晃動現(xiàn)象，這對測試結(jié)果的準(zhǔn)確性會有一定程度的影響。

參考文獻：

[1］唐洪剛．黔東南侗族民居的地域特質(zhì)與現(xiàn)代啟示[D]．重慶：重慶大學(xué)，2007.

[2］張宇翔：黔東南地區(qū)木結(jié)構(gòu)鼓樓結(jié)構(gòu)靜、動力特性分析研究[D]．貴陽：貴州大學(xué)，2021.

[3］蔡凌．侗族鼓樓的建構(gòu)技術(shù)[J]．華中建筑，2004，22（3）：137-141.

[4］周志鵬，陳波，黃勇，等．黔東南地區(qū)侗族木結(jié)構(gòu)鼓樓抗震性能數(shù)值分析[J].林產(chǎn)工業(yè)，2023，60（6）：76-82.

[5］蒲爽，樊浪波，黃川騰，等．侗族獨柱鼓樓構(gòu)造特征及模態(tài)分析：以述洞鼓樓為例[J]．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2020（8）：92-94.

[6]余漢謀，陳波，劉偉，等．侗族木鼓樓底層構(gòu)架擬靜力試驗研究［J/OL]．建筑結(jié)構(gòu)：1-10（2024-03-29）[2024-10-25]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2833.TU.20240329.1359.002.html.

[7]YUHM，CHENB，HUANGY，etal.Experimentalandnumerical investigation on collapse performance of wood-endrum-towers in southwest China[J]. Engineering Fail-ureAnalysis，2024，159：108098.1-108098.16.

[8]LIHM，QIUHX，LUY.Ananalytical model fortheloading capacity of splice-retrofitted slender timber col-umns[J].Engineering Structures，2020，225：111274.1-111274. 14.

[9］陳波，張宇翔，黃勇，等．凱里某木結(jié)構(gòu)鼓樓風(fēng)致垮塌的力學(xué)機理研究［J]．貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，38（2）：73-77.

[10]劉偉．黔東南侗族木鼓樓風(fēng)致結(jié)構(gòu)安全研究分析[D]．貴陽：貴州大學(xué)，2023.

[11]陳波，周志鵬，黃勇，等．壓-扭復(fù)合應(yīng)力作用下杉木極限強度試驗研究[J]．工業(yè)建筑，2023，53（增刊1）：669-671.

[12]阿斯哈，周長東，楊禮贛.復(fù)合加固木柱軸壓特性試驗研究[J].土木工程學(xué)報，2021，54（2）：1-9.

[13]賀俊筱，王娟，楊慶山．搖擺狀態(tài)下古建筑木結(jié)構(gòu)木柱受力性能分析及試驗研究［J]．工程力學(xué)．2017，34（11）：50-58.

[14]中國建筑科學(xué)研究院.建筑抗震試驗規(guī)程：JGJ/T101—2015[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

（責(zé)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