鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑帶斗栱檐柱延性及剛度分析

薛建陽，浩飛虎，馬林林

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

古建筑木結(jié)構(gòu)是中國古建筑的特有形式，集古代文化、技術(shù)于一體，仿古建筑延續(xù)了古建筑木結(jié)構(gòu)獨到的文化與民族特色，不但保留了古建筑雄偉壯觀的建筑形式，同時，通過結(jié)合現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)，使得仿古建筑既能展現(xiàn)古建筑獨有的魅力，又具有良好的耐久性和安全性.因此，研究仿古建筑對中國傳統(tǒng)文化的發(fā)揚具有重要的意義.[1-2].

仿古建筑的受力與現(xiàn)代建筑有所不同，國內(nèi)學(xué)者對其結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的受力性能進行了相關(guān)的試驗研究.謝啟芳[3]等通過對傳統(tǒng)風(fēng)格建筑鋼筋混凝土梁—柱節(jié)點做擬靜力荷載試驗，研究了其耗能性能、剛度退化規(guī)律以及延性性能，結(jié)果表明：節(jié)點核心區(qū)的配箍率對其剛度變化影響不大，但可提高其延性性能.漆成[4]通過對仿古建筑不同軸壓比和節(jié)點形式的試件進行低周反復(fù)荷載試驗，觀察了節(jié)點的破壞形態(tài)及特征，分析了仿古建筑節(jié)點的滯回性能、剛度退化規(guī)律和延性性能.周升[5]對鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑雙梁柱進行水平低周反復(fù)加載試驗，研究了其節(jié)點的滯回性能，結(jié)果表明其剛度退化主要是由于節(jié)點焊縫的破壞和柱壁屈曲引起的.目前國內(nèi)學(xué)者對仿古建筑梁柱節(jié)點的研究內(nèi)容較多，而對于仿古建筑帶斗檐柱的耗能性能研究較少.

1 試驗概述及延性分析

1.1 試件設(shè)計及測試方案

試驗初始階段，先進行預(yù)加載.試驗過程第一階段以荷載控制，每次循環(huán)增加10 kN，直到試件開始進入塑形變形時，加載進入第二階段，改用位移控制加載.試驗通過在試件相應(yīng)位置布置位移計和應(yīng)變片來獲得試件的變形規(guī)律及應(yīng)力分布，如圖1所示.

圖1 試件測試裝置(單位：mm)Fig.1 Test device for test piece (Unit: mm)

1.2 試件應(yīng)變分析

由試驗數(shù)據(jù)可知，各試件應(yīng)變分布及變化規(guī)律基本一致，以試件GY1-1的荷載-應(yīng)變曲線為例進行說明.試件GY1-1櫨斗翼緣及腹板的應(yīng)變片分別是圖1(a)中的1、2點和3、4、5點，由此可得櫨斗翼緣(應(yīng)變片1)和腹板(應(yīng)變片5)的荷載-應(yīng)變曲線，如圖2(a)、(b)所示.由圖2(a)、(b)可知，隨著加載的進行，櫨斗和翼緣的荷載-應(yīng)變曲線整體呈矩形變化.櫨斗逐漸進入塑性變形階段，應(yīng)變增長逐漸放緩.和腹板相比，翼緣處應(yīng)變較大，櫨斗翼緣和腹板處的最大應(yīng)變值均超過了板材的屈服應(yīng)變值，櫨斗屈服.

試件GY1-1矩形鋼管柱端部翼緣和腹板應(yīng)變片分別是圖1(a)中的6、7點和8、9、10點，由此可得矩形鋼管柱端部翼緣(應(yīng)變片6)和腹板(應(yīng)變片10)的應(yīng)變變化規(guī)律見圖2(c)、(d).由圖2(c)、(d)可知，隨著加載的進行，矩形鋼管柱端部一直處于彈性變形階段，未出現(xiàn)明顯的屈服點.

圖2 節(jié)點區(qū)荷載-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of node area

各試件的破壞形態(tài)如圖3所示，其中：試件GY1-1，GY2-2側(cè)向變形過大；試件GY2-2方鋼管底部屈曲破壞；試件GY2-1方鋼管柱底部母材拉裂破壞.分析原因，主要有兩點：(1)試件加載過程中，柱端位移對試件的整體變形會產(chǎn)生撓曲二階效應(yīng).軸壓比較小時撓曲二階效應(yīng)影響較小，在水平荷載作用下，方鋼管柱底部兩側(cè)腹板與翼緣連接處的應(yīng)力未達到極限應(yīng)力，不足以使得試件達到破壞.反之，在水平荷載作用下，方鋼管柱底部母材連接處拉應(yīng)力會超過了材料的屈服應(yīng)力，方鋼管底部連接區(qū)母材屈服最后開裂.(2)通過量測試件各部位的應(yīng)變可知，矩形鋼管柱根部應(yīng)變值較大.方鋼管柱底部兩側(cè)腹板和翼緣連接處水平豎直向焊縫較多，材性較差，多條焊縫連接處應(yīng)力集中明顯.

1.3 試件荷載-位移滯回曲線分析

試件的柱端荷載-位移滯回曲線如圖4所示.根據(jù)圖4可知：(1)試件加載初期，整體變形處于彈性階段，滯回環(huán)不夠飽滿，各試件沒有明顯的耗能性能和剛度退化.(2)當(dāng)試件進入屈服階段，滯回環(huán)面積逐漸增大，形狀呈紡錘形，試件有明顯的剛度退化.

圖4 柱端滯回曲線Fig.4 Column end hysteresis curve

1.4 試件延性分析

通過計算各試件的位移延性系數(shù)(見表1)并分析可知：(1)各試件延性系數(shù)普遍較高，其平均值在3.0～5.0之間，表明試件具有良好的塑性變形能力.通過對比可知，正向和反向延性系數(shù)差異較大.分析原因主要是因為兩個方向的剛度不同，致使試件在兩個方向發(fā)生屈服時，正向位移大于反向位移，正向延性系數(shù)大于反向延性系數(shù).(2)通過對比可知，相同長細(xì)比的試件，其軸壓比增大，屈服位移和破壞位移則有所下降，兩個方向的延性系數(shù)均有所降低；軸壓比相同時，長細(xì)比的增大對試件延性的提高具有很大影響.

表1 試件位移延性系數(shù)表

分析原因可知，軸壓比不變時，長細(xì)比增大導(dǎo)致試件剛度下降，試件屈服后，側(cè)向位移增大.因柱端荷載產(chǎn)生的截面應(yīng)變較大，因此，試件達到屈服和破壞時荷載減小，水平位移增大.通過表1可以得知，兩個試件的屈服位移比值相差僅一倍左右，兩者的破壞位移比值相差3倍以上，因此，試件GY1的延性高于試件GY2的延性.

2 試件的剛度及其退化規(guī)律分析

2.1 試件彈性變形階段的剛度分析

定義試件開始加載時的剛度和轉(zhuǎn)角分別為K0和θ0，其值列于表2.

表2 初始剛度K0實測值

注：規(guī)定正向為推力方向，反向為拉力方向.

由表2可知，試件初始加載時，GY2與GY1初始剛度基本對稱.GY2類型試件的初始實測剛度平均值為GY1類型的2.52倍；試件GY1-2的初始剛度實測值為試件GY1-1的1.34倍，試件GY2-1的初始剛度實測值為試件GY2-2的1.24倍，說明隨著長細(xì)比的增大，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑帶斗檐柱的初始剛度顯著減小.除此之外，試件正、反向剛度不對稱，差異較大.分析原因主要是試件在加載平面外為非對稱結(jié)構(gòu)，且各部分通過焊縫構(gòu)成，焊縫的存在使試件兩側(cè)焊接部位內(nèi)力傳遞差異性較大[10-11].

2.2 試件屈服時的剛度分析

試件屈服時，其剛度實測值Ky與轉(zhuǎn)角θy見表3.由表3可知：

(1)GY2類型試件屈服時，其剛度平均值大小為GY1類型的3.0倍；GY1-2試件屈服時，其實測值剛度為試件GY1-1的1.09倍，而試件GY2-1的實測值剛度是試件GY2-2的1.04倍.

(2)GY1類型試件屈服時，其剛度實測平均值為初始值的0.67倍，GY2類型試件的剛度實測平均值為初始值的0.79倍，這說明在試件在達到屈服之前，由于荷載的增加，變形也在逐漸增大，剛度開始折減，由于兩種類型試件剛度長細(xì)比差別較大，故其剛度退化速率明顯不同.

表3 屈服剛度Ky的實測值

表4 試件加載達到極限荷載時剛度Ku實測值

2.3 試件達到極限荷載時的剛度分析

試件加載達到極限荷載時，其剛度實測值Ku與柱轉(zhuǎn)角θu見表4.由表4可知：

(1)試件加載達到極限荷載時，GY2類型試件的剛度實測平均值為GY1類型的3.34倍；試件GY1-2的剛度實測值為試件GY1-1的1.01倍，而試件GY2-2的剛度實測值為試件GY2-1的1.30倍.

(2)試件加載達到極限荷載時，GY1類型試件的剛度實測值為初始值的0.29倍，GY2類型試件的剛度實測值為初始值的0.38倍.說明此時GY1類型試件鋼材的累計變形量較大，鋼材的殘余應(yīng)變也較大，材料強度達到充分發(fā)揮，隨著柱端水平位移的增大，試件剛度明顯降低；而GY2類型試件剛度顯著降低則是因方鋼管柱根部翼緣發(fā)生屈曲造成的.

2.4 試件破壞時的剛度分析

試件破壞時，其剛度實測值Kd與轉(zhuǎn)角θd見表5.由表5可知：

(1)試件破壞時，GY2類型試件的剛度實測平均值為GY1類型的3.98倍；試件GY1-2的剛度實測值為試件GY1-1的1.05倍，試件GY2-1是GY2-2的剛度實測值的1.28倍.此時各試件的轉(zhuǎn)角均大于文獻[11]中規(guī)定的位移角限值，說明試件具有較好的變形性能.

(2)試件破壞時，GY1類型試件的剛度實測平均值為初始值的0.15倍，GY2類型試件的剛度實測平均值為初始值的0.24倍，此時GY1類型試件材料強度隨著柱端水平位移的增大而降低，時間的剛度實測值較低；而GY2類型試件則是由方鋼管柱根部翼緣與內(nèi)隔板連接處焊縫開裂及根部熱影響區(qū)母材拉裂造成的.

表5 試件破壞時剛度Kd的實測值

2.5 各試件剛度退化規(guī)律分析

各試件在不同柱端位移下，割線剛度隨位移等級ξ的變化規(guī)律如圖5所示，其中位移等級為試件位移與屈服位移的比值.

各試件的剛度退化曲線如圖6所示.由圖6可知:

圖5 割線剛度變化Fig.5 Secant stiffness variation

圖6 試件的剛度退化曲線Fig.6 Curves of stiffness degradation

(1)各試件的剛度退化曲線基本對稱，這是因為仿古建筑鋼結(jié)構(gòu)帶斗檐柱在加載平面內(nèi)為對稱構(gòu)件且連接區(qū)的焊縫呈對稱分布.

(2)通過比較，GY2類型的試件剛度退化速率要大于GY1類型的試件，分析原因，這主要是因為軸壓比一致時，長細(xì)比增大導(dǎo)致試件剛度下降，試件屈服后，側(cè)向位移增大.因此，試件達到屈服和破壞時荷載減小，水平位移增大.GY2類型的試件長細(xì)比較小，檐柱端部發(fā)生小位移之后，連接區(qū)焊縫較早地發(fā)生了破壞，試件的延性和剛度降低.

(3)長細(xì)比相同，軸壓比不同的試件，其剛度退化曲線規(guī)律基本一致.軸壓比相同，長細(xì)比不同的試件，其剛度退化曲線差異較大.這主要是因為軸壓比較大的試件，當(dāng)長細(xì)比一致時，試件達到屈服后柱端位移較小，荷載特征值較小.軸壓比較小的試件，試件達到屈服后，柱端位移較大，荷載特征值較大.

3 結(jié)論

(2)試件在加載平面內(nèi)和平面外的具有不同的受力性能，試件加載平面外受力性能較差，由于焊縫的存在使的試件平面外焊接部位內(nèi)力傳遞較差，試件兩個方向剛度差異性較大.試件在加載平面內(nèi)對稱性較好，正反向的往復(fù)加載使得試件剛度退化曲線在兩個方向具有相似性.

(3)與軸壓比相比較，長細(xì)比是影響試件剛度的決定因素.隨著長細(xì)比的降低，試件的屈服荷載和極限荷載增大，試件柱端部位位移減小，剛度退化迅速，延性降低.反之，試件屈服荷載和極限荷載降低，試件柱端部位位移增大，剛度退化放緩，延性增大.