傳統風格建筑鋼-混凝土組合梁-柱節點動力循環荷載試驗研究

董金爽， 隋 ， 薛建陽， 曹寶珠

(1.海南大學土木建筑工程學院，海口 570228；2.西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055)

傳統風格建筑作為一種對古建筑文化具有良好傳承的建筑形式，尤其是在歷史文化名城得到了廣泛的推廣與應用，是傳統建筑文化與地域特色完美結合的最直觀的傳承載體和表現形式。

傳統風格建筑仿自古建筑，因此傳統風格建筑繼承了古建筑獨特的營造特點及復雜的受力機制。當前對傳統風格建筑的研究多集中在其藝術性[1-3]、施工技術方面[4-6]，對其抗震性能方面的研究較少且起步較晚。薛建陽等[7-10]及隋龑等[11]均開展了不同結構類型傳統風格建筑試驗研究及數值模擬分析，取得了一系列的研究成果；文獻[12]的研究成果及中國臺灣武昌宮結構柱發生的壓潰式破壞震害結果均表明：傳統風格建筑混凝土結構的梁-柱節點的抗震性能不滿足現行規范的要求。

外圍檐柱采用雙梁-柱構造形式是傳統風格建筑的一個顯著特點。目前，中外對普通框架梁-柱節點研究較全面，而對傳統風格建筑混凝土雙梁-柱節點研究基本為空白，且現行規范也未有相關規定。由于缺乏理論支持和經驗積累，進行傳統風格建筑雙梁-柱節點的設計時，只能依據常規節點的相關規范和規程，因此亟待開展此類節點的研究工作。

為研究外圍檐柱采用雙梁-柱構造形式對其抗震性能的影響，試驗共設計2個典型傳統風格建筑梁-柱節點試件，采用輸入正弦波荷載的形式對試件進行快速動力加載，以期獲得雙梁-柱節點的破壞形態及力學性能。

1 試驗概況

1.1 試件設計

典型傳統風格建筑混凝土雙梁-柱節點構造形式如圖1所示。雙梁-柱節點與常規梁-柱節點相比，不但節點域范圍增大，其受力特點和變形特征也與常規梁-柱節點顯著不同。

按清工部《工程做法則例》[7]中“材份制”規定，采用1∶2.6的縮尺比，設計了2個傳統風格建筑鋼-混凝土組合梁-柱節點，包括1個典型雙梁-柱節點SJ、1個單梁-柱節點對比試件DJ。試件詳圖如圖2所示。各試件設計軸壓比均為0.25。

采用C40商業細石混凝土，實測其立方體抗壓強度平均值fcu= 55.2 MPa。鋼材采用Q235B，其性能指標見表1。

圖1 傳統風格建筑雙梁-柱節點

表1 鋼材材性指標

注：fy為屈服強度；εy為屈服應變；fu為極限強度；Es為彈性模量。

1.2 加載制度

采用圖3所示的加載裝置。首先由液壓千斤頂施加豎向軸心荷載至軸壓設計值并保持恒定；此后由機械測試與仿真(mechanical testing & simulation, MTS)電液伺服加載系統按圖4所示加載制度施加水平荷載，每工況循環10次。

采用傳統的擬靜力加載方式獲得的試驗結果是用靜力方法求得結構在靜力荷載作用時的效果，加載速率很低，在一定程度上不能反映動力荷載作用下結構的破壞特征和破壞模式。

圖2 試件幾何尺寸及截面配筋形式

本試驗采用荷載形式為正弦波的動力加載制度，以改變正弦波的輸入振幅及頻率而獲得不同加載條件下試件的力學性能。試驗加載制度見表2。試驗加載制度示意圖如圖4所示。

1為反力墻；2為500 kN作動器；3為反力架；4為反力梁；5為100 kN千斤頂；6為試件；7為高強螺桿；8為基礎反力梁

圖4 試驗用加載制度示意圖

表2 試驗用加載制度

注：a為加速度；s為控制位移；f為頻率。

2 主要試驗結果及分析

2.1 恢復力特征曲線

取各試件各工況下第一圈滯回曲線疊加，得其恢復力特征曲線，如圖5所示。

由圖5可知：

(1)加載初期(控制位移≤15 mm)，各試件恢復力特征曲線包圍的面積均較小，荷載與控制位移基本呈線性關系，剛度及強度衰減不顯著。

(2)隨著控制位移的不斷增大(27 mm≤控制位移≤53 mm)，各試件恢復力特征曲線包圍的面積逐漸增大，荷載與控制位移逐漸由線性關系過渡到非線性關系，剛度及強度衰減較顯著，卸載至零，存在殘余變形。試驗過程中試件均有不同程度的混凝土壓碎剝落。

(3)加載后期(65 mm≤控制位移≤88 mm)，各試件恢復力特征曲線達到峰值荷載后開始呈下降趨勢，總體上單梁節點緩于雙梁節點，但后者的承載能力較高。分析其原因是由于雙梁節點由于下梁的存在導致后期上下梁變形不協調，內力分布不均勻導致。

(4) 各試件恢復力特征曲線出現“捏縮”現象的主要原因是由于試驗采用的加載制度所導致，試驗過程中，每一循環加載時作動器都從中間位置起步，并在中間位置結束，此時，作動器的荷載及采集到的的位移下降至零。

總體上，雙梁-柱節點的承載力較高，且外圍檐柱的雙梁-柱構造措施在傳統風格建筑中是封閉式的，較高的承載能力及具有良好整體性能的雙梁-柱構造形式對于傳統風格建筑與圈梁對于砌體結構的作用效果具有異曲同工之妙。

P為柱頂水平荷載；Δ為相應的柱頂水平位移

2.2 骨架曲線

各試件的骨架曲線如圖6所示。

由圖6可知：

(1)傳統風格建筑雙梁-柱節點的承載力明顯高于單梁-柱節點試件，說明傳統風格建筑外圍檐柱的雙枋-柱構造，具有明顯的類似砌體結構中圈梁的作用效果，可顯著提高傳統風格建筑的整體性能，將建筑物內部結構緊緊的包圍在雙梁-柱聯系的柱網之中，提升建筑結構的整體性能及抗震性能，確保在地震作用下結構墻倒屋不塌。

圖6 骨架曲線Δ-P

(2) 加載初期，兩試件骨架曲線初始剛度較為接近，說明在彈性階段雙梁節點的下梁對尚未發揮作用；隨著控制位移的不斷增加，雙梁節點中下梁逐漸發揮作用，試件的剛度顯著增大，且明顯高于單梁節點，從而確保傳統風格建筑整體具有較大的側向剛度。

2.3 承載能力及延性分析

由“Park法”[13]確定的各試件特征點值列于表3。位移延性系數表達式為μ=Δm/Δy，其中Δm、Δy分別為破壞位移、屈服位移。

由表3及表4可知：

表3 試件特征點荷載及位移

注：Pcr為開裂荷載，kN；Δcr為開裂位移，mm。其他以此類推。

表4 各試件延性系統

(1)雙梁節點與單梁節點開裂特征點值相差較小，說明雙梁節點的下梁對其抗裂性能影響不顯著；與單梁節點相比，雙梁節點屈服位移、屈服荷載、峰值位移及峰值荷載分別提高35.7%、26.%、47.1%及29.0%，由此再次表明雙梁-柱構造形式位于傳統風格建筑外圍的合理性，既增加了結構的整體性，有提高了結構的承載力及剛度。

(2)雙梁節點的延性性能低于單梁節點，兩者相差16.7%，這是由于雙梁-柱構造形式中的下梁在受荷后期由于變形不協調，內力分布不均勻，達到極限承載力后，承載力下降較快所導致。因此，在實際工程中應加強外圍檐柱雙梁構造形式的延性性能，如布置黏滯阻尼器等。

2.4 剛度分析

各試件剛度退化曲線如圖7示所。圖8給出了各試件加載全過程中剛度隨控制位移變化情況。

圖7 試件剛度退化曲線

定義第一級加載時正、負向割線剛度的平均值為試件初始剛度值，各特征點剛度值分別為試件各特征點正、負向剛度平均值，計算結果見表5，圖9給出了各試件的剛度對比直方圖。

由圖7、圖8、圖9及表5可知：

(1) 總體上，各試件的剛度呈逐漸降低的趨勢，且剛度降低趨勢線大致為線性關系。控制位移不變時，各試件剛度隨循環次數的增加而逐漸降低，表明試件在加載過程中剛度逐漸退化。

圖8 試件剛度變化曲線

表5 試件各階段剛度值

圖9 試件各階段剛度對比圖

(2) 隨著控制位移的不斷增大，各試件剛度逐漸降低。加載初期，剛度退化速率較快，之后，退化速率減緩。這是由于加載后期，試件破壞較嚴重，損傷累積幾乎達最大值，試件剛度退化不再明顯，較緩慢。試件剛度退化根本原因是試件累積損傷不斷增加導致試件結構性能不斷降低。

(3) 與單梁-柱試件相比，雙梁-柱試件的剛度在各特征點均較大，說明居于外圍檐柱的雙梁-柱構造形式具有較大的側向剛度，從而確保結構具有良好的整體性能。

為對試件各剛度變化進行進一步的分析，采用初始剛度Ke、硬化剛度Ks和負剛度Kn分別描述各階段剛度變化規律[14]。硬化剛度、負剛度均與初始剛度成比例，分別用式(1)和式(2)表示：

Ks=αsKe

(1)

Kn=αnKe

(2)

式中：αs為Ks與Ke的比例系數；αn為Kn與Ke的比例系數。

根據式(1)、式(2)，各試件αs、αn計算值見表6。

由表6可知，采用鋼-混凝土組合結構的傳統風格建筑梁-柱節點的硬化剛度比例系數要高于鋼結構和鋼筋混凝土結構[14]，說明該類型傳統風格建筑屈服后強度提升的空間較大。雙梁-柱試件的αn大于單梁試件的，說明當荷載超過結構最大承載力后，雙梁試件性能要優于單梁節點。

表6 各試件剛度比例系數

2.5 強度分析

采用同級加載位移的第i次循環中的承載力Fi與該級位移下第1次循環的承載力F1的比值λi=Fi/F1定量表示承載力降低程度。

圖10為各試件的承載力降低曲線圖。圖11為各試件同級加載位移下最后一次循環中承載力Pi與第1次循環的承載力P1的比值δi。

圖10 試件承載力降低曲線

圖11 試件承載力變化曲線

各試件達到極限承載力后，隨著水平荷載和循環次數的增加，試件的承載力有明顯的衰減現象，且總體上呈加快的趨勢。這主要是由于在動力荷載的循環作用下試件損傷累積不斷增大，從而導致各試件的承載力迅速下降，衰減速率加快。

3 結論與建議

3.1 結論

通過對兩個傳統風格建筑鋼-混凝土組合梁-柱節點動力循環荷載試驗，可得以下主要結論。

(1)采用鋼-混凝土組合結構的傳統風格建筑的抗震性能得到較大程度的提升；傳統風格建筑雙梁-柱節點的承載能力及抗震性能均優于單梁-柱節點，在實際工程中，雙梁-柱構造形式可顯著提升結構的整體性和抗震性能，其與圈梁的作用類似。

(2) 總體上，各試件的剛度退化呈現先快后慢的趨勢，且退化曲線大致平行。雙梁節點的側向剛度顯著大于單梁節點，且強度衰減慢于單梁節點。

(3) 由于傳統風格建筑梁-柱節點改變了古建筑木結構半剛性的連接方式，雙梁-柱構造形式為剛性連接，下梁的存在導致結構變形不協調，對其力學性能有一定的影響，設計時可采取必要加強的措施。

3.2 設計建議

(1) 由于傳統風格建筑大屋蓋的營造特點，建議實際工程中對于殿堂式的傳統風格建筑可采用鋼-混凝土組合結構形式。

(2) 由于傳統風格建筑雙梁-柱構造形式上下梁不協調導致其延性性能較差，可通過在節點處布置粘滯阻尼器等形式提升其力學性能。