仿古建筑鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)枋-柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能研究

公衍茹, 董金爽,, 隋 ?, 黃 斌, 楊 亮, 李龍建

(1. 海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 海南 海口 570228;2. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055;3. 中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司海口分公司, 海南 海口 570208)

0 引言

仿古建筑是指外形與古木結(jié)構(gòu)基本形制相似,采用非木材料建造的新型結(jié)構(gòu)形式,是在城市建設(shè)發(fā)展與對(duì)傳統(tǒng)建筑文化繼承的過(guò)程中形成的一種新型建筑形式[1-2]。在眾多城市尤其是以傳統(tǒng)文化作為旅游基石的城市建造了許多的仿古建筑(圖1)。

圖1 仿古建筑工程實(shí)例Fig.1 Project case of antique buildings

針對(duì)仿古建筑,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究,主要包括結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[3-4]及建筑形制[5-7],而其力學(xué)性能的相關(guān)研究則相對(duì)較少,且未有專(zhuān)門(mén)針對(duì)仿古建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用規(guī)范。薛建陽(yáng)等[8-11]對(duì)不同建筑材料的仿古建筑節(jié)點(diǎn)構(gòu)件及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)及理論研究。李煜等[12]對(duì)山區(qū)地形條件下塔式仿古建筑的風(fēng)壓與風(fēng)場(chǎng)繞流進(jìn)行了研究,結(jié)果表明仿古建筑表面凹凸錯(cuò)落使風(fēng)壓沿其高度具有明顯的差異性。陶倍林等[13]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)給出了單層歇山建筑的抗震設(shè)計(jì)建議。張耀等[14]進(jìn)行的梭柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)顯示其具有良好的力學(xué)性能。謝啟芳等[15]開(kāi)展的傳統(tǒng)風(fēng)格建筑混凝土結(jié)構(gòu)梁-柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明其抗震性能低于現(xiàn)代建筑。為確保傳統(tǒng)風(fēng)格建筑的推廣應(yīng)用,必須采取有效措施提升其抗震性能。黏滯阻尼器因其高效的減震效果被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程結(jié)構(gòu)中,如楊健等[16]以某高層住宅消能減震結(jié)構(gòu)為例,研究了最優(yōu)的阻尼器布置方案;朱曉瑩等[17]通過(guò)對(duì)一幢高層建筑設(shè)置阻尼器,取得了良好的減震效果。

仿古建筑形制仿自古木結(jié)構(gòu),其梁稱(chēng)闌額,截面高寬比約為1.5,與傳統(tǒng)梁-柱節(jié)點(diǎn)相比,節(jié)點(diǎn)域范圍較大。實(shí)際工程中,仿古建筑的柱為變截面構(gòu)件,上柱多采用方柱,下柱采用圓形截面,導(dǎo)致仿古建筑梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)特性與常規(guī)節(jié)點(diǎn)相比差異較大(圖2)。

圖2 仿古建筑節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖Fig.2 Structure diagram of the joint in antique buildings

鑒于此,本文擬采用快速往復(fù)正弦波加載制度對(duì)3個(gè)仿古建筑鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的枋-柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)加載,研究其加載全過(guò)程中的破壞形態(tài)及力學(xué)性能,以期為后續(xù)仿古建筑相關(guān)理論研究及工程應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)點(diǎn)制作

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)制作3個(gè)試件,其中AL-1為未設(shè)置黏滯型阻尼器的試件,AL-2與AL-3在梁-柱連接處兩側(cè)各安裝一根黏滯型阻尼器。

表1 鋼材力學(xué)性能指標(biāo)Table 1 Mechanical property indexes of the steel

圖3 試件詳細(xì)尺寸及具體構(gòu)造示意圖 (單位:mm) Fig.3 Detailed dimension and specific structure diagram of the specimens (Unit:mm)

1.2 加載方案

加載裝置如圖4所示。試驗(yàn)全程包括兩個(gè)步驟:(1) 由千斤頂施加豎向軸心荷載,荷載值在加載結(jié)束前保持恒定;(2)將MTS (Mechanical Testing& Simulation)加載設(shè)備設(shè)置在上柱側(cè)端,施加水平快速往復(fù)荷載。試驗(yàn)采用位移控制的加載制度,并對(duì)試件施加快速往復(fù)作用,軸向荷載不能繼續(xù)保持定值或荷載降至峰值荷載85%以下時(shí),試驗(yàn)結(jié)束。

圖4 試驗(yàn)加載裝置圖Fig.4 Diagram of test loading device

通過(guò)改變正弦波的振幅及頻率實(shí)現(xiàn)不同工況的快速往復(fù)加載,加載頻率通過(guò)每個(gè)工況的最大加速度計(jì)算確定。同時(shí),為了考慮不同位移幅值下試件的受力性能,幅值逐步增大。試驗(yàn)加載工況見(jiàn)表2及圖5,每工況均循環(huán)10次。圖5中每工況間隔為各工況加載完畢后試驗(yàn)現(xiàn)象觀察時(shí)間。

表2 試驗(yàn)加載工況參數(shù)指標(biāo)Table 2 Parameters of each working condition for test

圖5 試驗(yàn)工況示意圖Fig.5 Schematic diagram of working conditions for test

1.3 黏滯阻尼器選型

試驗(yàn)采用速度型黏滯阻尼器,其基本參數(shù)如表3所列。黏滯阻尼器兩端通過(guò)特殊裝置與試件以鉸接形式連接(圖6),其中試件AL-2在梁-柱位置處安裝FL-1型號(hào)阻尼器,AL-3在梁-柱位置處安裝FL-2型號(hào)阻尼器。

表3 黏滯阻尼器參數(shù)Table 3 Parameters of viscous dampers

圖6 試驗(yàn)用黏滯阻尼器與試件連接圖Fig.6 Connection diagram of the viscous damper and specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過(guò)程及破壞機(jī)制

對(duì)各試件加載全過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析,可將試件從開(kāi)始加載至結(jié)束劃分為三個(gè)階段,分別為未開(kāi)裂階段、開(kāi)裂后彈性階段及破壞階段。各試件加載結(jié)束時(shí)的破壞特征如圖7所示。

圖7 各試件破壞形態(tài)Fig.7 Failure modes of specimens

試件AL-1未附設(shè)黏滯阻尼器,加載至工況10時(shí),其最大荷載已低于整個(gè)加載過(guò)程中峰值荷載的85%,且施加在試件上柱的軸向荷載低于開(kāi)始加載時(shí)設(shè)定的荷載值,試驗(yàn)結(jié)束。AL-1雖未進(jìn)行工況11及12的加載,但該試件整個(gè)加載過(guò)程仍是完整的,可對(duì)其進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能分析并與其他試件進(jìn)行對(duì)比分析。

各試件破壞性體及破壞機(jī)制列于表4。對(duì)于試件AL-1,當(dāng)其在未開(kāi)裂階段時(shí),滯回環(huán)加載曲線及卸載曲線基本重合,無(wú)顯著殘余變形;開(kāi)裂后彈性階段,闌額與柱交接處幾乎形成貫通裂縫,有向核心區(qū)延伸的趨勢(shì),殘余變形較顯著;破壞階段時(shí),闌額與柱連接處混凝土被壓碎,部分縱筋外露,核心域有“X”狀的交叉裂縫,試件變成可變體系,不適宜繼續(xù)加載。由試驗(yàn)現(xiàn)象可知,試件AL-1的破壞類(lèi)型為彎剪型破壞。對(duì)于試件AL-2及AL-3,其破壞形態(tài)大致相同:在未開(kāi)裂階段,荷載與位移斜率幾乎不變,構(gòu)件彈性特性表現(xiàn)顯著;在開(kāi)裂后彈性階段,闌額與柱連接處裂縫逐漸延伸貫通,剛度及強(qiáng)度有顯著退化,卸載后有顯著殘余變形,加載時(shí)阻尼器可與試件協(xié)同工作;破壞階段時(shí),連接處貫通裂縫形成,上下柱連接處混凝土被壓碎,形成凹陷,鋼筋外露,核心區(qū)有少量交叉裂縫,由于有阻尼器作為支撐,試件仍能繼續(xù)承受荷載。經(jīng)分析,試件AL-2及AL-3的破壞類(lèi)型為彎剪型破壞。

表4 試件破壞性體及破壞機(jī)制Table 4 Failure mode and failure mechanism of each specimen

對(duì)各試件破壞形態(tài)及破壞機(jī)制進(jìn)行對(duì)比可知:

(1) 未設(shè)置黏滯阻尼器的仿古建筑枋-柱節(jié)點(diǎn)試件破壞為可變體系;因黏滯阻尼器既可提供一定的剛度,又可與試件協(xié)同受力,設(shè)置了黏滯阻尼器的試件破壞時(shí)仍為幾何不變體系。

(2) 黏滯阻尼器在一定程度上提高了節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性,尤其是承載能力得到了較大提升,變形性能得到有效改善。

2.2 恢復(fù)力特征曲線

取各試件每級(jí)工況第一圈加載時(shí)的荷載-位移曲線,繪制得到其恢復(fù)力特征曲線(圖8)。通過(guò)對(duì)各試件恢復(fù)力特征曲線分析可知:

(1) 未開(kāi)裂前,各試件加載與卸載曲線基本重合,荷載與位移基本滿足線性函數(shù)的關(guān)系;試件開(kāi)裂后進(jìn)入屈服階段,加載曲線與卸載曲線逐漸分離,曲線圍成的面積逐漸增大,荷載與位移不再保持線性關(guān)系,卸載后殘余變形顯著。

(2) 隨著加載振幅的不斷增大,各試件恢復(fù)力特征曲線的非線性特性更加顯著,曲線的形狀由最初的弓形逐漸過(guò)渡到反“S”形;卸載至0,不可恢復(fù)變形值逐漸增大。與對(duì)比試件AL-1相比,各工況下試件AL-2、AL-3荷載-位移形成的滯回環(huán)包圍面積隨著控制位移的增大而逐漸增大。

(3) 試件AL-2、AL-3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同,但附設(shè)的阻尼器型號(hào)不同。整體上,兩者滯回曲線形狀相似,但包圍的面積及峰值荷載有一定差異,表明不同型號(hào)的阻尼器對(duì)試件力學(xué)特性的影響不同。

2.3 荷載-位移骨架曲線

由試件恢復(fù)力特征曲線得到各試件骨架曲線如圖9所示。由圖9可知:

圖9 骨架曲線Fig.9 Skeleton curves

(1) 根據(jù)各試件骨架曲線的特征,可將其劃分為三個(gè)階段,分別為彈性階段、屈服階段及破壞階段。彈性階段包括試件開(kāi)裂前的彈性階段及變形較小的開(kāi)裂后彈性階段,該階段內(nèi)各試件骨架曲線大致重合,表明小變形及彈性階段內(nèi),試件剛度主要由其自身屬性決定,設(shè)置阻尼器對(duì)其剛度提升基本無(wú)影響。屈服后,各試件表現(xiàn)差異化,但變化趨勢(shì)基本相同,均有平緩的下降段,說(shuō)明即使是在破壞階段,試件仍具有一定的承載能力。

(2) 與其他兩個(gè)試件相比,試件AL-1的承載力較低,表明設(shè)置阻尼器可提高枋-柱節(jié)點(diǎn)的承載能力。圖9中試件AL-2、AL-3達(dá)到峰值荷載后的曲線更為平緩,試件破壞時(shí)的變形更大,抗倒塌能力得到提升。由于阻尼器型號(hào)不同,試件AL-2、AL-3承載力及延性提升程度不同,因此實(shí)際工程中應(yīng)綜合考慮阻尼器型號(hào),通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),選擇最優(yōu)參數(shù)。

2.4 承載力及延性性能

仿古建筑枋-柱節(jié)點(diǎn)受力過(guò)程中關(guān)鍵特征荷載值及位移值如圖10所示。其中,屈服荷載Py按能量等值法[19]確定。

圖10 試件特征值對(duì)比圖Fig.10 Comparison between the characteristic values of specimens

采用層間位移角θ及位移延性系數(shù)Δ表征仿古建筑枋-柱節(jié)點(diǎn)的延性性能[20]。各試件延性性能計(jì)算結(jié)果列于表5,每個(gè)試件對(duì)應(yīng)兩行數(shù)據(jù)表示試件正負(fù)向加載試驗(yàn)結(jié)果。圖10為各試件荷載及位移特征值直方對(duì)比圖。

表5 試件延性性能計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of the ductility performance of specimens

由表5及圖10分析可知:

(1) 峰值荷載由大到小依次為AL-2、AL-3、AL-1,相比于AL-1,試件AL-2、AL-3的峰值荷載平均值分別提高了15.9%、29.1%。相比于AL-1、AL-3,試件AL-2屈服荷載平均值分別提高了15.6%、33.6%。這表明在雀替位置處設(shè)置黏滯阻尼器對(duì)提升仿古建筑節(jié)點(diǎn)承載力的效果顯著,而不同類(lèi)型的阻尼器對(duì)節(jié)點(diǎn)承載能力的改善程度并不相同。

(2) 延性系數(shù)由大到小依次為AL-3、AL-2、AL-1,表明阻尼器可提升構(gòu)件的抗倒塌能力及變形能力。相比于AL-1,試件AL-2及AL-3的延性系數(shù)分別提高了1.6%、4.8%。承載能力最大的為AL-2,延性系數(shù)最大的為AL-3,表明實(shí)際工程中選擇阻尼器時(shí),不僅應(yīng)考慮仿古建筑結(jié)構(gòu)某單一性能的改善,而應(yīng)綜合全面地選擇相應(yīng)的阻尼器參數(shù)。

(3) 試件AL-2、AL-3的塑性層間位移角平均值較AL-1分別降低了17.1%、14.6%,各試件的塑性層間位移角在1/45～1/32,滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)建筑結(jié)構(gòu)塑性層間位移角的規(guī)定,表明設(shè)置黏滯阻尼器的仿古建筑節(jié)點(diǎn)的變形性能得到了有效提升。

(4) 從圖10可知,設(shè)置阻尼器后,AL-2及AL-3的承載力均有不同程度的提高,但開(kāi)裂荷載提升幅度較小,相比于AL-1,試件AL-2及AL-3開(kāi)裂荷載平均值分別提高6.4%、13.5%,說(shuō)明黏滯阻尼器在小控制位移下對(duì)試件力學(xué)性能的影響較小,其更適合在高烈度地區(qū)使用。

2.5 剛度退化

采用割線剛度反映仿古建筑枋-柱節(jié)點(diǎn)試件剛度退化現(xiàn)象,第i級(jí)工況的割線剛度Ki:

(1)

式中:Pi,max為第i級(jí)工況下的峰值荷載;Δi為Pi,max對(duì)應(yīng)的位移值。

各試件初始剛度[21]及各特征點(diǎn)剛度計(jì)算結(jié)果列于表6,表中各剛度值均為正負(fù)向計(jì)算結(jié)果的平均值。圖11為各試件剛度直方對(duì)比圖。定義剛度退化系數(shù)ηK為第i級(jí)工況下第一次循環(huán)時(shí)的剛度與第一工況下第一次循環(huán)時(shí)的剛度比值,計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

表6 試件特征點(diǎn)剛度計(jì)算結(jié)果(單位:kN/mm) Table 6 Stiffness calculation results of the characteristic points of specimens (Unit:kN/mm)

圖11 試件各階段剛度對(duì)比圖Fig.11 Comparison between stiffness of specimens in different stages

圖12 各試件剛度退化曲線Fig.12 Stiffness degradation curve of each specimen

由表6、圖11、圖12分析可知:仿古建筑枋-柱節(jié)點(diǎn)存在顯著的剛度退化現(xiàn)象,主要是由于隨著加載振幅增大,試件進(jìn)入彈塑性及塑性階段,產(chǎn)生塑性變形,卸載后有一定的殘余變形,并伴隨著一系列的試件破壞,如混凝土壓碎退出工作、保護(hù)層剝落、鋼筋外露,以及混凝土與鋼筋間的黏結(jié)力破壞等損傷累積。

同級(jí)工況下,未設(shè)置阻尼器的試件剛度退化更為顯著,說(shuō)明附設(shè)黏滯阻尼器對(duì)仿古建筑剛度產(chǎn)生了較大影響;設(shè)置阻尼器后節(jié)點(diǎn)剛度退化緩慢,整體上呈先快后慢的趨勢(shì)。對(duì)比AL-2、AL-3,兩者初始剛度退化曲線大致重合,隨控制位移增大,剛度退化曲線大致平行。

3 結(jié)論與設(shè)計(jì)建議

3.1 結(jié)論

(1) 采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的仿古建筑枋-柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能優(yōu)良,滯回性能得到提升,試件破壞類(lèi)型為彎剪型。

(2) 在節(jié)點(diǎn)雀替處設(shè)置黏滯阻尼器對(duì)仿古建筑枋-柱節(jié)點(diǎn)承載能力及變形能力的改善效果顯著,且試件達(dá)到峰值荷載后的骨架曲線下降段相比未設(shè)置黏滯阻尼器的試件更為平緩。

(3) 各試件剛度退化曲線呈現(xiàn)先快后慢的發(fā)展規(guī)律,設(shè)置黏滯阻尼器可顯著延緩仿古建筑節(jié)點(diǎn)試件的剛度退化速率。

3.2 設(shè)計(jì)建議

(1) 仿古建筑多為大屋蓋建筑結(jié)構(gòu)形式,屋蓋集中了結(jié)構(gòu)大部分自重,上柱截面尺寸較小,實(shí)際工程中可采用組合結(jié)構(gòu)以降低上柱軸壓比。

(2) 可通過(guò)在枋、柱連接部位設(shè)置黏滯阻尼器來(lái)提升結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,但阻尼器的參數(shù)應(yīng)通過(guò)優(yōu)化,結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用最終確定。