梁柱式木框架-支撑体系低周反复试验研究

熊海贝 李冰阳 刘应扬 姚 亚

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

梁柱式木框架-支撑体系低周反复试验研究

熊海贝 李冰阳*刘应扬 姚 亚

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

对4榀不同支撑形式、不同支撑连接节点螺栓数目的单层单跨梁柱式木框架足尺试件进行水平荷载低周反复试验研究，得到了木框架-支撑结构体系的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、有效刚度曲线和耗能等性能。试验结果表明：在木框架抗侧强度和支撑杆件强度保证的前提下，提高支撑连接节点螺栓数目，对提高木框架-支撑结构体系的承载力和抗侧刚度具有良好的效果。最后提出了“强框架弱支撑”的设计思想，建议以螺栓屈服作为第一道防线，节点的塑性发展作为体系耗能的基础，并给出了支撑连接节点的构造措施。

梁柱式木框架结构体系, 框架-支撑体系, 隅撑, 人字撑, 抗侧性能

1 引 言

在梁柱式木结构体系中，由于梁柱、柱脚节点并不能做到完全刚性连接，导致纯梁柱结构体系的抗侧能力有限，不宜单独作为抗侧力体系，而应辅以支撑等抗侧力加强构件。对木框架结构抗侧力体系国内外已经有了一些研究：节点试验方面，文献[1-4]对梁柱式木结构节点的承载力等性能进行了研究；在整体结构试验研究方面，文献[5]对梁柱式木结构纯框架的抗侧力性能进行了试验研究；文献[6,7]对梁柱式木结构框架、轻木剪力墙结构和梁柱与轻型木混合结构进行了单向及往复加载试验研究；文献[8]对分布式隅撑(DKB)加强改造的木框架薄弱层的抗侧力性能进行了试验研究。综合国内外的研究现状，上述研究的重点主要是探讨梁柱式木结构的抗侧力性能以及提高其抗侧力的一些方法研究，但尚无探讨和对比不同支撑形式和螺栓连接性能方面的成果。文献[9]对梁柱框架以及不同支撑和填充墙结构进行了试验研究，指出木框架-人字撑结构，承载力高，抗侧刚度较好，但延性较差；隅撑结构延性好于人字撑结构，但承载力和抗侧刚度还有待提高。

为此，本文针对人字撑、隅撑及其他两种支撑连接方式，对4榀单层单跨梁柱式木框架足尺试件进行的水平荷载试验结果进行分析，研究了人字撑结构、人字撑加强结构、隅撑结构和隅撑加强结构的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、有效刚度曲线和耗能等性能，并通过对比分析给出设计建议。

2 试验概况

2.1 试件设计

本试验相关试件包括隅撑结构(CHB1)、人字撑结构 (CKB1)、隅撑加强结构 (IHB1)和人字撑加强结构 (IKB1)共计4榀足尺试件。试件IKB1，IHB1与试件CKB1，CHB1相比，支撑的加强主要体现在支撑连接节点的螺栓数目的增多，如表1所示。各试件的跨度均为4 110 mm，高度均为2 740 mm，跨高比3∶2，试件材料及规格、梁柱节点构造等详细内容参见文献[9]。

表1 试件类型

Table 1 Specimen types

注：I-支撑连接节点加强；KB-人字撑；HB-隅撑；C-低周反复加载；各连接钢板厚度均为10 mm，开槽宽度为11 mm

2.2 加载装置、量测内容和方法

图1给出了本试验典型的加载装置及测点布置示意图。试验采用作动器对试件进行低周反复加载，同时进行相关的数据采集，数据采集频率为2 Hz。作动器的设计推力为±630 kN，位移量程为±250 mm。

图1 试验加载装置及测点布置示意图

试验测点布置如图1(b)所示(以IKB1为例)。试验测试及观察项目主要包括：①加载点的作用力，由作动器直接输出；②框架柱顶的水平位移，采用拉线式位移计测量(传感器1)；③节点的相对转角，采用成对的位移计布置在框架节点处测量(传感器2—9)；④柱底钢填板的水平滑移及拔起(传感器10—15)；⑤框架对角线位移值(传感器16—17)；⑥支撑钢填板的应变值，由贴在支撑钢填板上成对的应变片测得。

2.3 加载制度

试验采用美国材料与试验协会ASTME2126-11标准[10]中的方法B(ISO16670标准)所建议的位移控制加载制度。前五级荷载依次进行一个循环加载，从第六级荷载开始依次进行三个循环加载至结构破坏，详情参见文献[9]。

试验终止条件为：①力控制，承载力下降至极限荷载的80%(参考ASTM E2126—11标准[10])；②位移控制，结构侧向位移达到作动器最大量程250 mm(层间位移角约为1/11，结构已不宜继续承载)。

3 试验结果

3.1 隅撑结构体系破坏模式及破坏机理

试验过程中，各试件的荷载和侧移值由计算机采集记录并实时绘制，图2所示为隅撑结构体系荷载—位移滞回曲线。

图2 隅撑体系荷载-位移滞回曲线

(1)隅撑未加强结构试件CHB1，整体破坏模式表现为：1柱底劈裂→2梁端劈裂→3支撑连接节点螺栓剪断→4梁、柱裂缝开展(图3(a))。其中,支撑连接节点螺栓在结构侧移为64～80 mm时即被剪断，但支撑杆件基本完好(图4(c))，钢填板并未脱离木框架(图4(d))，而是顶在支撑杆件与梁柱木槽内，大位移下仍能通过顶紧作用传递抗侧力，结构的承载力缓慢下降，直至加载结束，结构表现出了一定的延性。

(2)隅撑加强结构试件IHB1，整体破坏模式表现为：1柱底劈裂→2梁端劈裂→3右侧支撑连接节点钢板屈曲→4右侧支撑劈裂→5右侧支撑连接节点螺栓剪断→6左侧梁端、左侧柱底裂缝开展(图3(b))。其中，在加载位移为152 mm时，右侧受压支撑与梁连接处的钢板发生平面外屈曲(图5(b))，支撑劈裂，在该级荷载受拉过程中，右侧支撑上端节点处的螺栓被逐个剪断，右侧支撑完全退出工作(图5(c))。随后的加载过程中，左侧支撑除连接钢板处发生了轻微屈曲外，基本完好，而左柱脚、梁左端裂缝开展明显(图5(a))，结构承载力逐渐下降，直至加载结束。

图3 破坏模式示意图

图4 隅撑结构体系CHB1破坏模式

隅撑加强试件IHB1与未加强试件CHB1相比，承载力和支撑破坏时的位移都有了较大的提高。IHB1支撑的破坏模式明显区别于CHB1，这是因为IHB1支撑连接节点的螺栓数目多于CHB1，且支撑轴线通过了支撑节点螺栓群的中心，提高了其支撑连接的强度和刚度，使得IHB1支撑破坏明显晚于CHB1；在大位移下，IHB1支撑受压时钢填板的位移受到了木槽的限制，致使节点螺栓无法充分变形耗能，支撑受压时弹性变形能无法得到释放，最终导致钢填板出现平面外屈曲，甚至是梁、柱的明显损坏。故对于螺栓钢填板连接的隅撑结构体系，可以考虑通过增加支撑开槽深度来提高支撑受压时的耗能能力。

图5 隅撑结构体系IHB1破坏模式

3.2 人字撑结构体系破坏模式及破坏机理

人字撑结构体系荷载—位移滞回曲线如图6所示。

(1)人字撑未加强结构体系试件CKB1的破坏模式表现为：1柱底劈裂→2梁端劈裂→3支撑连接节点螺栓剪断→4梁、柱裂缝开展(图7(a))。其支撑的破坏模式与试件CHB1类似，不同的是，当位移为56～64 mm，支撑两端连接节点的螺栓被剪断以后，支撑连接的钢填板即与木支撑脱离，支撑退出工作(图8(a))。

(2)人字撑加强结构体系试件IKB1的破坏模式表现为：1柱底劈裂→2梁端劈裂→3左侧支撑连接钢板屈曲、支撑受弯开裂→4左侧支撑下端受拉断裂→5梁中部支撑连接节点处开裂→6梁、柱裂缝开展(图7(b))。其支撑破坏模式和隅撑试件IHB1类似，所不同的是，人字撑试件IKB1的支撑钢板屈曲在小位移下即发生：在56 mm位移幅值第1圈拉力加载至55.8 mm左右时，左侧支撑下端钢填板及左侧柱底钢板发生平面外屈曲，支撑失稳受弯开裂，第2圈施加推力过程中，支撑受拉断裂，退出工作(图8(b))。

图6 人字撑体系荷载-位移滞回曲线

图7 破坏模式示意图

图8 人字撑结构体系破坏模式

人字撑加强结构试件IKB1与未加强试件CKB1相比，结构的承载力并未提高。原因是人字撑支撑长度较长，受到支撑轴线和柱底钢板平面外偏心距的影响，支撑连接钢板容易产生平面外屈曲，支撑的轴向承载力由支撑连接钢板的平面外刚度和强度控制，单纯地提高支撑节点螺栓数目对提高连接节点平面内刚度和强度有作用，而对提高支撑轴向承载力作用不大。故对于螺栓钢填板连接的人字撑结构体系，在支撑设计时，应注意支撑连接钢板的平面外失稳验算。

4 抗侧力性能分析

4.1 主要力学性能参数

本文通过滞回曲线得到每个试件的平均骨架曲线和相应的EEEP(Equivalent Energy Elastic Plastic)曲线[10](图9)，由此得到结构的强度、刚度、位移、耗能能力、延性和屈服荷载等，具体参数定义如下：

(1) 峰值荷载Ppeak，为平均骨架曲线荷载最大值，Δpeak为其对应的位移。

(2) 极限荷载或破坏荷载Pu，是荷载下降到峰值荷载的80%时的荷载值，Δu为其对应位移。

(3) 屈服荷载Pyield，采用EEEP曲线来定义试件的屈服荷载，当ASTME2126-11[10]标准中规定的EEEP曲线不适用时，屈服荷载可直接由平均骨架曲线的屈服极限状态得到，屈服极限状态对应结构弹性剪切刚度下降5%以上时的点[10]；Δyield为屈服位移。

图9 平均骨架曲线Fig.9 Energy envelope curve

(4)根据ASTME2126-11[10]标准定义结构的弹性阶段刚度Ke=0.4Ppeak/Δ0.4Ppeak，延性系数定义为D=Δu/Δyield。

各试件主要力学性能参数如表2所示，从中可以看出：

表2 试件主要力学性能参数

Table 2 Mechanical performance parameters

(1) 极限承载力。隅撑加强结构试件IHB1的极限承载力比试件CHB1承载力提高了1.5倍；试件IKB1与试件CKB1的极限承载力基本相等，人字撑加强效果不明显，这是因为人字撑杆件长度较长，相同位移条件下，支撑更容易出现失稳现象，支撑节点强度不能充分发挥，故提高支撑节点强度对其承载力影响不大。

(2) 弹性阶段刚度。人字撑结构体系弹性阶段刚度明显大于隅撑结构体系；隅撑加强结构试件IHB1的弹性阶段刚度比试件CHB1提高了1.5倍；人字撑加强结构试件IKB1的弹性阶段刚度与试件CKB1相比，并未有所提高，因为人字撑结构的刚度受到支撑平面外刚度限制，单纯增加螺栓数目对提高结构刚度效果不大。

(3) 延性系数。隅撑结构试件CHB1延性系数为1.9，相对较好。隅撑加强结构试件IHB1由于支撑节点耗能能力未充分发挥，弹性阶段变形过大，导致其延性系数较低，为1.2；人字撑结构体系延性相对较差。木结构因为其弹性变形能力较强，导至结构的延性系数普遍较低。本次试验支撑节点的加强设计在提高延性方面效果不大，说明只通过提高支撑连接螺栓的数量，并不能显著增加结构整体的延性能力。可能需要通过改变节点的做法或者增设阻尼器代替节点耗能，来增加结构整体的耗能和延性能力。

4.2 有效刚度曲线

反复荷载作用下，结构的有效刚度可以用割线刚度来表示，第i次有效刚度定义如下：

(1)

各试件在反复荷载下的有效刚度曲线如图10所示。从图中可以看出：

图10 有效刚度曲线Fig.10 Effective stiffness curves

各试件刚度随位移的增加，均表现出先降低后上升的现象。主要是因为初始状态下柱脚、梁柱和支撑节点处木材与木材、木材与螺栓之间存在一定的缝隙，在加载初期结构侧移较小时，木材与木材、木材与螺栓接触时木材横纹方向会有一定的压缩变形，结构刚度减小，随后木材被顶紧，下一级的加载时刚度就会有所上升。由于木材顶紧以后结构的刚度主要由支撑提供，所以人字撑结构体系刚度的上升要比隅撑结构体系明显。

4.3 耗 能

对于反复加载试验，结构所耗散的能量可由荷载—位移滞回曲线得到，体系在整个过程中所耗散的能量应为所有滞回环面积的总和。图11是各试件耗能与柱顶总位移之间的关系曲线。从中可以看出：

(1)隅撑结构体系的耗能能力要优于人字撑结构体系。因为人字撑结构体系在小位移下即发生破坏，耗能能力差。

(2)隅撑加强结构体系试件IHB1耗能能力与试件CHB1相比在加载初期略有不及，在加载后期要稍高于CHB1。原因是在加载初期，结构侧向位移较小，在试件IHB1仍然处于弹性阶段时，试件CHB1的支撑节点螺栓即被剪断，通过构件之间的摩擦、木材的变形和劈裂、螺栓的变形和支撑钢填板与木槽之间的摩擦来耗能；在加载后期，试件IHB1的右侧支撑出现破坏，而左侧支撑完好，导致与支撑连接的左侧梁端与左侧柱底裂缝开展明显，以牺牲框架梁、框架柱为代价使得结构能量耗散大大增加。

图11 试件累计耗能

5 设计建议

试验中，支撑未加强结构试件CHB1和CKB1整个结构体系的破坏模式表现出了“强框架弱支撑”的特点，各个构件的耗能能力均得到了充分的发挥，但抗侧刚度和承载力还有待提高。支撑加强结构试件IHB1和IKB1，由于支撑连接较强，整个结构体系的破坏模式表现出了“强支撑弱框架”的特点，支撑的承载力和耗能能力并未得到充分的发挥。由此可知，支撑的设计对于整个木框架-支撑结构体系的变形方式和破坏模式具有直接的影响。针对本试验的一些特点，对木框架-支撑结构体系中支撑的设计给出以下建议：

(1) 由于支撑抗震设防的目标是抵御中震，支撑需进行中震作用下的屈服设计，并进行“强框架弱支撑”的验算，以保证支撑先于木框架破坏，使得支撑出现屈服或破坏后，与支撑相连的梁、柱仍能保持弹性，确保在支撑失去刚度后，框架本身能够起到第二道抗震防线的作用[11]。

(2) 木支撑耗能能力和延性主要取决于其连接节点的螺栓及销槽的变形能力，木支撑设计时应避免出现支撑杆件先于支撑连接节点破坏的情况，使得支撑节点的强度和耗能能力能够充分发挥，从而增加结构整体的延性。

(2)

式中，d为支撑厚度(图12(b))。

图12 支撑节点构造及破坏模式Fig.12 Construction and failure mode of the brace connection

6 结 论

基于对试验现象的观察以及对试验数据的分析，可以得到以下结论：

(1) 对于螺栓-钢填板连接的木框架-隅撑结构，在木框架抗侧强度和支撑杆件强度保证的前提下，提高支撑连接螺栓的数目，对提高结构的承载力和抗侧刚度具有良好的效果。

(2) 木框架-人字撑结构，由于支撑长度较长，支撑轴向承载力及木框架的抗侧强度可能受到支撑连接节点平面外刚度的限制。设计时，应注意增加支撑连接节点平面外失稳的验算，以保证节点强度充分发挥。

(3) 对于木框架-支撑结构体系，只通过提高支撑连接螺栓的数量，并不能显著增加结构整体的延性能力。可考虑参考《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[15]，对梁柱框架、支撑杆件、节点板件、节点螺栓等采用不同的承载力抗震调整系数，进行“强框架弱支撑”的设计，以螺栓屈服作为第一道防线，节点的塑性发展作为体系耗能的基础，保证支撑连接节点的强度和耗能能力得到充分的发挥，以增加结构整体的承载力、延性和耗能能力。

[ 1 ] Andreolli M, Piazza M, Tomasi R, et al. Ductile moment-resistant steel-timber connections[J]. Structures and Buildings, 2011, 164(2): 65-78.

[ 2 ] Lam F, Gehloff M, Closen M. Moment-resisting bolted timber connections[J]. Structures and Buildings, 2010, 163(4): 267-274.

[ 3 ] 时境晶,杨会峰.重型木结构梁柱植筋节点的抗弯承载力研究[J].结构工程师,2011,27(4): 67-72.

Shi Jingjing, Yang Huifeng. Ultimate flexural capacity of beam-column glued-in rods connections of heavy timber structures[J]. Structural Engineers, 2011,27(4): 67-72. (in Chinese)

[ 4 ] 邓大利,陆伟东,居兴鹏.木结构榫卯节点耗能加固有限元分析[J].结构工程师,2011,27(4): 62-66.

Deng Dali, Lu Weidong, Ju Xingpeng. Finite element analysis of energy dissipation reinforcement for mortise and tenon joints [J]. Structural Engineers, 2011，27(4): 62-66. (in Chinese)

[ 5 ] Noguchi M, Komatsu K, Komatsu K. Development of wooden portal frame structures with improved columns[A]. WCTE, 2006.

[ 6 ] 刘雁,余晨岗,邹小静.木框架剪力墙受力性能试验研究[J].结构工程师,2011,27(增刊):184-189.

Liu Yan, Yu Chengang, Zou Xiaojing. Test research on the mechanical properties of wood frame shear walls under lateral load[J]. Structural Engineers, 2011, 27(Supple): 184-189. (in Chinese)

[ 7 ] He M, Lu T. Research on lateral performance of hybrid structure based on post-beam construction and light wood frame construction[C]. International Conference on Multimedia Technology, 2011.

[ 8 ] Gershfeld M, Chadwell C, Jennings E, et al. Seismic performance of distributed knee-brace (DKB) system as a retrofit for soft-story wood-frame buildings[C]. World Conference of Timber Engineering，2014.

[ 9 ] 熊海贝,刘应扬,杨春梅,等.梁柱式胶合木结构体系抗侧力性能试验[J].同济大学学报,2014,42(8):1167-1175.

Xiong Haibei, Liu Yingyang, Yang Chunmei, et al. Experimental study on lateral resistance of glued-iaminated timber post and beam systems [J]. Journal of Tongji University, 2014，42(8): 1167-1175. (in Chinese)

[10] ASTM E2126-11 Standard test methods for cyclic (reversed) load test for shear resistance of vertical elements of the lateral force resisting systems for buildings[S]. Pennsylvania，USA，2012.

[11] 童根树,米旭峰.钢支撑设计方法对多层框架实际抗震性能的影响[J].工程力学,2008,25 (6):107-115.

Tong Genshu, Mi Xufeng. Aseismic behavior of multistory frames based on different braces design methods[J].Engineering Mechanics, 2008，25(6): 107-115. (in Chinese)

[12] 徐德良,刘伟庆,杨会峰,等.木材-钢填板螺栓连接的承载能力试验研究[J].南京工业大学学报,2009,31 (1):87-96.

Xu Deliang, Liu Weiqing, Yang Huifeng, et al. Experimental study on bearing capacity of bolted wood-steel-wood connections in timber structures[J]. Journal of Nanjing University of Technology, 2009，31(1): 87-96. (in Chinese)

[13] Gattesco N, Toffolo I. Experimental study on multiple-bolt steel-to-timber tension joints [J].Materials and Structures, 2004, 37(2):129-138.

[14] 张鹤岚,张雷明.胶合木内嵌钢板螺栓连接节点力学性能研究[J].木材加工机械,2013,5:87-96.

Zhang Helan, Zhang Leiming. Research on the mechanical features of bolted glulam connections with slotted-in steel plates [J].Wood Processing Mechinery, 2013, 5: 87-96. (in Chinese)

Experimental Study on Timber Post and Beam Frame-brace Structure Systems under Lateral Cyclic Loading

XIONG Haibei LI Bingyang*LIU Yingyang YAO Ya

(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Four lateral cyclic tests on full-scale one-story, one-bay timber post and beam construction specimens were carried out, considering frame with different brace forms and different number of brace connection bolts. The seismic performance of each specimen was obtained according to the experimental phenomena, hysteresis curves, envelope curves, curves of effective stiffness and curves of energy dissipation. Results showed that increasing the number of the brace connection bolts could effectively improve the elastic stiffness and the bearing capacity of the frame-brace systems, when the lateral resistance capacity of the frame and strength of the brace were ensured. Finally, construction measures of the brace connection joints and the design idea of “strong frame weak brace” were given, suggesting that the bolts yielding be taken as the first defensive line, and the joints plastic development as the basis of the system’s energy consumption.

timber post and beam systems, frame-brace systems, knee-brace, K-brace, lateral resistance performance

2014-09-30

*联系作者，Email: xjtu.libingyang@foxmail.com