钢结构仿古建筑双梁柱中节点的受力机理

戚亮杰　薛建阳　隋龙天　吴占景　许丹

摘要：为研究钢结构仿古建筑双梁柱中节点的抗震性能，对4个全焊双梁柱中节点进行了水平低周反复加载试验。通过观测试件在侧向力作用下的受力过程和破坏形态，分析双梁柱中节点的受力机理。根据梁截面形式的不同，将其分为箱型截面梁与工字型截面梁2类，依据仿古建筑独特的构造特点，将各试件节点核心区划分为上、中、下3个区域。通过量测各区域内的应变大小，分析该类结构节点核心区在侧向力作用下的受理机理及破坏模式，并建立双梁柱节点的斜压杆受力模型。试验结果表明：仿古建筑双梁柱节点的破坏形式主要为沿下核心区对角线的剪切破坏，并通过理论计算分析提出一种考虑轴压比与梁截面形式的双梁柱中节点抗剪承载力修正公式。

关键词：仿古建筑；双梁柱中节点；低周反复荷载；受力机理；抗剪承载力

中图分类号：TU391

文献标志码：A文章编号：16744764（2016）01001706

Abstract：

We carried out horizontal low cyclic loading tests of four allwelded double beamcolumn inner joints to study the seismic performance of the double beamcolumn inner joints of the steel intimated ancient building. We studied the mechanical performance of the double beamcolumn inner joints

according to the loading process and failure pattern of the specimens under the action of lateral forces， and divided the double beamcolumns into two kinds，which were the box section beam and Ishaped section beam，

according to different section forms of beam. On the basis of the Based on unique structural features of the intimated ancient building，we divided the joint core area of each specimen into three regions，which were upper core zone， middle core zone and lower core zone. By measuring the shear strain within the scope of every area，we analyzed the mechanism performance and failure modes of the joints under lateral forces， and established the diagonal strut mechanism. The experimental results and theoretical analysis show that the failure mode of the double beamcolumn joints of the intimated ancient building is mainly for the shear failure along the diagonal of the lower core area. So we presented a modified formula of shear bearing capacity of double beamcolumn inner joints considering the axial compression ratio and the cross section of the beams.

Keywords：imitated ancient building； double beamcolumn inner joints； low cyclic loading； mechanical performance； shear capacity

中国传统古建筑具有气势恢宏、造型优美的特点，仿古建筑既继承了古建筑的特点又与现代科技技术相结合，使结构的抗灾害能力和耐久性得到增强[1]。现代仿古建筑主要以钢筋混凝土结构和钢结构为主，改变了传统中国古建筑以木结构为主的受力体系。目前，国内外对钢结构梁柱节点的研究局限于常规节点和两端梁截面形式不同或者不等高的异型节点[24]，对钢结构仿古建筑的研究很少，尤其是对钢结构仿古建筑框架结构双梁柱节点的研究几乎没有。

由于传承中国传统文化的需要，仿古建筑业快速发展，仿古建筑双梁柱节点的节点区范围比常规梁柱节点区范围要大，在设计时假定其受力特点和破坏形态与常规梁柱节点相同，并依据已有的规范和规程按常规梁柱节点要求进行设计明显不合理。因此，对仿古建筑结构构件的抗震性能进行试验研究十分必要。

通过对4个钢结构仿古建筑双梁柱中节点的低周反复加载试验，观测了该类型结构的破坏现象及应变分布，分析了这类节点的破坏模式、受力机理、剪切变形等，并建立了其抗剪承载力的计算公式，为钢结构仿古建筑双梁柱中节点在水平地震作用下的抗剪设计提供理论参考。

1试验概况

1.1试件设计及材料属性

仿古建筑有其独特的建筑构造形式，其双梁柱节点区主要由檐柱、斗栱、阑额与由额等构件组成[5]，如图1所示，其不同于常规的梁柱节点形式。

本试验的试件参照典型仿古建筑工程的梁柱节点形式，共设计了4个双梁柱节点试件，模型缩尺比例为1∶2。为研究构件核心区的抗剪特性，构件按照“强构件弱节点”的原则[6]进行设计。试件主要研究参数为试件轴压比与梁截面形式，将其分为箱型截面梁柱节点（XL）系列和工字型截面梁柱节点（GL）系列，编号为XL1、XL2、GZ1、GZ2。其试件形式及尺寸如图2所示。延续中国传统建筑的圆柱特点，下部檐柱采用无缝圆钢管，上部檐柱采用方形钢管。试验相关设计参数见表1，钢材力学性能参数见表2。

1.2加载装置及加载程序

试验在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点试验室进行，加载装置如图3。由液压千斤顶对构件柱头施加竖向荷载到预定值，并在整个试验过程中保持恒定，由MTS水平作动器施加往复水平荷载。在试件屈服前采用力控制，每级荷载增量为30 kN；屈服后采用位移控制，以屈服时水平位移的倍数逐级递增[7]，直至荷载下降到极限荷载的85%左右，试验结束。

1.3试验现象及破坏模式1） 在柱端水平力作用下，所有试件均最先在节点下核心区沿对角线方向发生屈服现象，随着加载的进行，

节点域下核心区的钢管柱壁剪切变形范围不断向四周发展，如图4。

2） 随着水平荷载的不断增大，由额下翼缘与下檐柱的连接焊缝最先拉裂，随后上檐柱根部焊缝开裂。

3） 试验过程中，所有试件的中核心区柱壁均发生不同程度的外鼓翘曲变形。

4） 所有试件节点核心区的塑性变形都较大，工字截面梁比箱型截面梁剪切变形更明显，在设计中应着重考虑。

1.4试件破坏模式分析

从试验现象看出，节点下核心区钢管柱壁为剪切破坏。节点核心区受力状态比较复杂，其同时承受柱端弯矩、剪力、轴力和梁端弯矩、剪力的共同作用。当柱端施加的水平荷载达到试件的屈服荷载时，节点下核心区沿两对角方向钢管柱壁（相当于箱形柱的腹板范围）发生斜向剪切变形，主应力方向和水平方向约成45°夹角。随着水平荷载的不断增大，下核心区钢管柱壁的剪切变形范围不断向四周发展。当水平荷载加载到极限荷载时，下核心区钢管柱壁沿对角线方向的应变约为梁端应变的5～8倍，且剪切变形十分明显。

1.5节点核心区剪切变形

因节点核心区相对较弱，梁端、柱端不会出现塑性变形，节点核心区将承受梁端、柱端传来的水平剪力与弯矩作用，产生相应的剪切变形[7]。对本结构来说，核心区转角主要由核心区剪切变形引起的[89]。以工字截面梁试件GL1为例，其下节点核心区在水平剪力作用下产生的剪力剪切变形滞回曲线如图5所示。

1） 加载初期各核心区的剪力剪切变形曲线基本呈线性变化，随着柱端水平荷载的增加，下核心区沿对角线方向屈服进入塑性阶段，剪力剪切变形滞回曲线较为饱满，剪切变形发展较为充分，表现出良好的抗剪能力。

2） 随着加载的进行，中核心区膨胀外鼓，表现出典型的受压破坏特征，而上、下核心区受剪破坏特征明显。主要是上、下核心区两侧均有梁端约束，在水平力作用下核心区承受左右两侧梁端弯矩及剪力作用，而中核心区由于没有直接外部荷载及梁端传来的弯矩和剪力作用，轴力导致的竖向影响较为明显。

3） 试验结束时，下核心区剪切角最大，约为0012 0 rad；上核心区次之，中核心区最小，仅达到0000 8 rad。由此可以看出，主要剪切变形发生在下节点核心区，与试验现象一致。

2核心区抗剪承载力计算

2.1核心区受力机理分析

试验加载初期柱顶水平荷载位移曲线基本呈线性关系，节点域处于弹性受力状态。在柱端施加水平拉力时，上、下核心区左侧梁上部翼缘受拉，下部翼缘受压；右侧梁下部翼缘受拉，上部受压，主拉应力在节点上、下核心区的对角线方向比较大，节点区内部形成沿对角线的主压力场[10]。箱形梁翼缘应力传递给内环板，再由内环板传递给四周的钢管柱壁[11]。中核心区因上核心区右侧底部、左侧上部受压，形成与上、下核心区相反的主拉力场。由于没有直接外部荷载作用及梁端传来的弯矩和剪力，中核心区形成的压力场较上、下核心区的压力场作用相对较小。而在整个节点域的主压应力方向基本上成“S”形分布与反“S”形分布，称此为双梁柱斜压杆受力机理模型。

2.2抗剪承载力计算

3结论

通过对钢结构仿古建筑双梁柱中节点低周反复荷载作用下抗震性能试验结果分析研究及理论研究，可以得到以下结论。

1） 将钢结构仿古建筑双梁柱节点划分为上、中、下3个小核心区，其主要剪切破坏发生在节点下核心区，中核心区主要发生受压破坏。

2） 在水平力作用下，上柱与檐柱之间的焊缝、由额与檐柱之间的焊缝较容易发生开裂现象，应在设计时予以加强。

3） 在水平荷载作用下，双梁柱节点承受压、弯、剪的复合受力形式，其受力机理为S形分布的斜压杆机理。

4） 基于试验结果和美国AISCLRFD规范，建立考虑轴压比和梁截面形式的钢结构仿古建筑双梁柱中节点的抗剪承载力计算公式，计算结果与试验结果吻合较好。

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（编辑郭飞）