斗栱对钢结构仿古建筑檐柱抗震性能的影响分析

2018-10-19薛建阳马林林董金爽高卫欣

振动与冲击 2018年19期

薛建阳，马林林，董金爽，高卫欣

(西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055)

近些年，传统文化得到了越来越广泛的重视和宣传，因而在各大古城出现了一种新型的建筑形式——仿古建筑。仿古建筑作为传统文化与现代技术的载体，继承了中国传统建筑文化，体现了中国传统古建筑的精髓。

仿古建筑是对中国传统古建筑的传承与发展，其充分利用现代建筑材料展现了与中国传统古建筑极为相似的外部造型，其力学性能既不同于中国传统古建筑，也与现代普通建筑有显著区别。钢结构因施工简便、变形能力强、节能环保及可重复使用成为了仿古建筑的主流材料之一。到目前为止，国外对钢结构构件的研究主要为普通柱和节点[1-3]，而对仿古建筑研究还未曾有相关报道，国内已有学者对仿古建筑进行相关研究，薛建阳等[4-6]对仿古建筑钢结构双梁-柱节点受力机理进行了研究，谢启芳等[7-8]在对仿古建筑梁-柱节点破坏机理分析的基础上，推导了此类构件的抗剪承载力公式，而国内学者对钢结构檐柱的相关研究鲜有报道。如图1所示，仿古建筑带斗栱檐柱由下部圆钢管柱、斗栱体系及上部方钢管柱焊接而成。斗栱作为仿古建筑区别普通建筑的标志性构件，不仅使仿古建筑具有很好的观赏性，同时也改变了檐柱的力学特性。但因缺乏此类构件的设计规范，且不能完全按《营造法式》进行设计，因此针对此类构件的研究刻不容缓。

鉴于此，设计了8个1∶1.5的钢结构仿古建筑檐柱，并对其进行低周反复荷载试验，分析斗栱对檐柱滞回特性、刚度退化、延性等力学性能的影响。

图1 普陀山佛学院观音殿Fig.1 Guanyin Hall of Mount Putuo Buddhist College

1 试验概况

以某殿堂式仿古建筑为原型，依据古建筑相关规定设计了8个1∶1.5的钢结构仿古建筑檐柱试件；其中EC1-1、EC1-2、EC2-1、EC2-2为带斗栱檐柱，EC3-1、EC3-2、EC4-1、EC4-2为不带斗栱檐柱。带斗栱檐柱和不带斗栱檐柱除有无斗栱体系外，其材料、尺寸及制作工艺均相同。设计参数为方钢管柱轴压力系数和长细比，各试件均采用Q235B钢，试件基本尺寸和细部构造见图2，其各项设计参数列于表1中。

试验加载装置如图3所示，首先在柱顶施加竖向力(对于带斗栱檐柱需在斗栱上施加配重)，再施加柱端水平反复荷载，以此模拟檐柱的实际受力状况。

加载制度为荷载-位移混合控制。屈服前，按荷载控制，以10 kN为增量递增且循环1次，屈服后采用位移控制，按屈服位移的倍数递增且循环3次，直至不适于继续加载的变形时，停止加载。

2 试验现象与破坏特征对比分析

2.1 加载破坏过程

(1) EC1、EC3系列试件破坏过程对比分析

试件EC1-1在Δ=-58 mm时，栌斗焊缝开裂；在Δ=-160 mm时，方钢管柱根部翼缘发生局部屈曲，之后此处热影响区母材开始开裂；而试件EC3-1直至试验结束，未出现局部屈曲及开裂。

(e) EC 1和EC 3系列

(f) EC 2和EC 4系列

(g) EC1和EC3系列试件照片

(h) EC2和EC4系列试件照片

1.反力墙；2.反力钢架；3.反力梁；4.作动器；5.1 000 kN千斤顶；6.地梁；7.试件；8.配重

图3 试验加载装置图
Fig.3 Test set-up

试件EC1-2在Δ=-50 mm时，栌斗焊缝开裂，在Δ=130 mm时，方钢管柱根部发生屈曲；而试件EC3-2在Δ=30 mm时，方钢管柱根部发生屈曲。

(2) EC2、EC4系列试件破坏过程对比分析

试件EC2-1在Δ=-30 mm时，栌斗焊缝开裂；在Δ=50 mm时，方钢管柱根部开始发生屈曲，之后此处母材开始开裂；而试件EC4-1在P=70 kN时，方钢管柱根部母材开裂，在Δ=90 mm时，根部裂缝贯通。

试件EC2-2在Δ=-20 mm时，栌斗焊缝开裂，在Δ=45 mm时，方钢管柱根部发生屈曲；而试件EC4-2在P=60 kN时，方钢管柱根部母材逐渐开始开裂，在Δ=80 mm时，其根部裂缝贯通。

各试件的破坏形态见图4。

2.2 檐柱破坏机理分析

因檐柱连接内加焊有水平加强环和竖向加劲肋，其刚度远大于檐柱其他部分，除此之外，檐柱其他部分刚度再无明显突变，致使截面突变处方钢管柱根部(包括栌斗)成为试件的薄弱部位。

(1) EC1和EC2系列试件

试件的传力路径为：方钢管柱顶部→斗栱和方钢管柱→栌斗和方钢管柱根部→圆钢管柱。在方钢管柱根部，栌斗和方管柱一起承载着截面应力，同时因栌斗厚宽比较方钢管柱的小，栌斗截面的抗弯刚度也较方钢管柱小，因此栌斗在截面剪力、轴力和弯矩共同作用下其变形较方钢管柱根部的大，破坏较早；之后，因栌斗承载的复合应力相对较小，不利于方钢管柱根部继续受力，所以在加载末期，方钢管柱根部局部屈曲、此处母材开裂。

(a) EC3-1未出现破坏(b) EC1-1栌斗开裂(c) EC4-1局部屈曲(d) EC1-2局部屈曲(e) EC4-2母材开裂(f) EC2-1局部屈曲

图4 破坏形态
Fig.4 Failure pattern of specimens

(2) EC3和EC4系列试件

试件的传力路径为：方钢管柱顶部→方钢管柱→方钢管柱根部→圆钢管柱。方钢管柱根部在复合应力状态下，应变较大，最终根部母材开裂。

因此，斗栱体系的存在，不仅改变了钢结构仿古建筑檐柱的传力机理，也使其破坏形态产生了明显差异。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线和骨架曲线

试件主要试验结果列于表2中，选取试件EC1-2、EC3-2和EC2-2、EC4-2柱端水平荷载-位移滞回曲线及各试件骨架曲线进行分析，如图5所示。

由图5和表2可知：

(1) 加载初期，荷载随位移变化基本呈线性增加，几乎不产生残余变形；之后，趋于饱满，体现了优越的耗能性能。

(2) 试件EC3-2、EC4-2滞回曲线基本呈对称分布，而试件EC1-2、EC2-2滞回曲线对称性较差，主要原因是斗栱的存在使试件EC1-2、EC2-2成为非对称结构，因此其焊缝布置也不对称，焊缝改变了施焊处周围钢材的材性，试件在对称的柱端荷载作用下的侧向刚度差异较大，而试件EC3-2、EC 4-2是完全对称结构，柱端水平荷载也完全对称，因此其滞回曲线基本对称。

表2 主要试验结果Tab.2 Experimental results

(3) EC1、EC2系列和EC3、EC4系列相比，后者破坏段不明显。这是由于在加载后期，带斗栱檐柱根部方钢管柱明显屈曲、焊缝完全开裂，使其承载力急剧下降，试件滞回曲线出现了明显的下降段；而不带斗栱檐柱根部方钢管柱拉裂，其裂缝宽度和长度均较带斗栱檐柱的不显著，因此在相邻各级加载期，不带斗栱檐柱的承载力未出现大幅度下降，试件骨架曲线下降的幅度较小。

(4) 试件明显破坏前，EC1和EC2系列的刚度平均值和承载力平均值分别比EC3和EC4系列的大94.2%、27.4%，主要是因为整个斗栱体系相当于一个侧向支撑附加于檐柱之上，使带斗栱檐柱的抗侧刚度和承载力有了显著提高。

(5) EC1、EC3系列和EC2、EC4系列相比，后者(长细比小)的刚度和承载力提高的幅度较大。EC1系列的刚度Ky、Ku平均值分别比EC3系列的大24.1%、90.6%，EC2系列的刚度Ky、Ku平均值分别比EC4系列的大81.4%、180.5%；EC1系列的屈服荷载和极限荷载平均值较EC3系列的大23.5%、18.0%，EC2系列的屈服荷载和极限荷载平均值较EC4系列的大37.9%、29.9%，说明在一定范围内，长细比愈小，斗栱对钢结构仿古建筑檐柱的刚度和承载能力的贡献愈大。主要原因是EC2系列方钢管柱截面尺寸较EC1系列的小，其方钢管柱壁厚也较小，在斗栱体系厚度一定的情况下，EC2系列试件栌斗厚度与方钢管柱厚度的比值较EC1系列试件的大，斗栱系统的存在对钢结构檐柱抗侧刚度和承载力的提高更显著。

(a) EC 1-2

(b) EC 3-2

(d) EC 4-2

(e) EC 1和 EC 3

(f) EC 2和EC 4

3.2 刚度退化

试件刚度退化[9]曲线如图6所示。由图可知，各试件刚度均有一定程度的退化，其退化规律相似，即在檐柱刚屈服后，刚度衰减较明显，之后，趋于平缓。

(a) EC 1-1和EC 3-1

(b) EC 1-2和EC 3-2

(d) EC 2-2和EC 4-2

由图6可知：

(1) 对比EC1系列和EC3系列试件可知，正向加载时，EC1-1、EC3-1和EC1-2、EC3-2的刚度退化曲线几乎重合，负向加载时，EC1-1、EC3-1和EC1-2、EC3-2的刚度退化曲线基本平行，主要是由在栌斗厚宽比较小时，斗栱体系使带斗栱檐柱成为非对称结构，焊缝的不对称布置使斗栱对带斗栱檐柱正向刚度的提高较小而对其负向刚度的提高较大造成的。

(2) 对比EC2系列和EC4系列试件可知，试件破坏前，EC2-1、EC4-1和EC2-2、EC4-2的刚度退化曲线基本平行，这是因为在栌斗厚宽比较大时，斗栱对带斗栱檐柱抗侧刚度有显著提高。

(3) EC2和EC4系列试件刚度退化较EC1和EC3系列试件明显，表明长细比对钢结构檐柱刚度退化起着主导作用。

(4) EC1和EC2系列试件刚度退化较EC3和EC4系列试件明显，由此可见，斗栱对钢结构仿古建筑檐柱的刚度退化有一定影响，使带斗栱檐柱的刚度退化更显著。

3.3 强度退化

各试件强度退化[10]曲线如图7所示。

(a) EC1和EC3系列(b) EC2和EC4系列

图7 强度退化曲线
Fig.7 Curves of strength degradation

分析可得，塑性阶段初期，EC1、EC2系列和EC3、EC4系列试件的同级承载力退化趋势基本相似，退化程度不明显，说明斗栱的存在对钢结构檐柱塑性阶段初期的承载力退化影响不明显；试件完全进入塑性阶段后，各组试件的强度退化程度差异较大，主要是因为斗栱的存在使檐柱的破坏形态发生了改变，并对其承载力有显著的影响，进而影响了其强度退化的程度。EC2系列和EC4系列试件强度退化较EC1系列和EC3系列试件明显，EC1系列试件强度退化较EC3系列试件明显，试件EC2系列和EC4系列相比两者的强度退化相当，说明随着长细比的增大，斗栱的存在对钢结构檐柱强度退化的影响越不明显。

3.4 延性与耗能性能

各试件的延性可通过位移延性系数μ=Δm/Δy来描述[11]，利用试验结果算得μ值列于表3中，各试件的μ值随试件轴压力系数变化的分布图如图8所示，μ介于3.0～5.1，平均值为4.3，表明仿古建筑钢结构檐柱屈服后承受变形的潜能大，在试件完全破坏之前，钢材的塑性已充分发展。EC1系列与EC3系列相比，其延性系数的平均值基本相等，EC2系列与EC4系列相比，后者的延性系数增大26.4%，说明斗栱的存在对钢结构檐柱的延性有一定减弱作用，且随着栌斗厚度与方钢管柱厚度比值的增大，斗栱对钢结构檐柱延性的削弱作用不断增强。

表3 耗能指标Tab.3 Index of dissipation

图8 试件延性与轴压力系数的变化曲线Fig.8 Distributions of displacement ductility

试件在各特征点处的耗能指标he—等效黏滞阻尼系数已列于表3中，各试件的耗能指标随位移变化的关系曲线如图9所示。

(a) EC1和EC3系列(b) EC2和EC4系列

图9 试件耗能指标与位移的变化曲线
Fig.9 Curves of energy dissipation

由图9和表3可知，进入位移控制阶段，随着试验的继续，钢结构仿古建筑檐柱(EC3-1试件除外)的耗能指标增大。对比EC1、EC2系列和EC3、EC4系列试件可知，屈服荷载时，EC1、EC2系列较EC3、EC4系列耗能指标大，表明此时EC1、EC2系列耗能性能较EC3、EC4系列的好，主要是因为EC1、EC2系列斗栱处首先屈服，有利于檐柱屈服时的塑性发展；之后，EC1、EC2系列试件较EC3、EC4系列试件(EC3-1除外)耗能指标小，是由带斗栱檐柱在塑性阶段后期方钢管柱根部焊缝开裂及明显屈曲，使滞回环包围的面积急剧减少造成的，可知斗栱的存在对钢结构檐柱的耗能能力有一定的影响。

4 有限元分析

4.1 有限元模型结构建立

利用ABAQUS分析软件建立与试验尺寸相同的有限元模型结构，采用双线性强化本构模型结构。有限元模型结构的材性指标由试验前制作的标准试样通过材性试验获得；选取S4R壳单元。为便于分析，整个有限元模型结构由几个部分通过Tie连接而成，详见图10。

(a) EC1系列模型结构(b) EC3系列模型结构(c) EC2系列模型结构(d) EC4系列模型结构

图10 试件三维有限元模型结构
Fig.10 Finite element models

4.2 分析结果对比

为验证所建立模型结构的合理性和准确性，对各模型结构进行有限元分析，各模型结构采用和试验一致的边界条件及加载方式。各模型结构在峰值点处的主要分析结果和试验结果对比情况列于表4中。

4.3 栌斗厚宽比对钢结构仿古建筑檐柱力学性能的影响分析

在试验的基础上，保持其他参数不变，改变栌斗厚宽比t/b，研究其对檐柱力学性能的影响。

模型结构分析结果见图11和表5，试件承载能力随栌斗厚宽比变化的关系曲线如图12所示，由此可知：栌斗厚宽比的变化对试件位移延性的影响相对较小，而对试件刚度和极限承载能力的影响相对较大，即当栌斗厚宽比的增大时，在不明显降低钢结构仿古建筑檐柱延性的前提下，斗栱可明显提高檐柱的刚度和承载能力。

(1) 栌斗厚宽比越大，钢结构仿古建筑檐柱承载能力越大。与EC1-0试件相比，宽厚比分别为0.007、0.011、0.015、0.020、0.024时极限荷载分别增大32.9%、37.0%、87.7%、95.9%、100%，增幅依次是

表4 主要试验结果与分析结果对比Tab.4 Comparison of test results and FEA results

图11 不同t/b时的荷载位移曲线Fig.11 P-Δ curves of different Lu Dou thickness

表5 不同t/b模型计算结果Tab.5 Results of models with different width-thickness ratio

图12 t/b对檐柱承载力的影响Fig.12 Influence of width-thickness ratio on P-t/b curves

4.1%、50.7%、8.2%、4.1%，增幅先增大后减小，说明栌斗厚宽比越大，钢结构仿古建筑檐柱的极限承载能力也越大。栌斗厚宽比越大，栌斗对钢结构仿古建筑檐柱的刚度贡献越大。试件在特征点处的刚度Ky分别增大17.6%、18.8%、29.5%、33.6%、36.3%，增幅依次是1.2%、10.7%、4.1%、2.7%，增幅先增大后减小；试件在特征点处的刚度Ku分别增大32.7%、36.9%、87.5%、95.7%、99.8%，增幅依次是4.2%、50.6%、8.2%、4.1%，增幅先增大后减小；说明随栌斗厚宽比的增大，试件在特征点处刚度越来愈大。综上所述，栌斗厚宽比大于0.015时，随厚宽比的增大，钢结构仿古建筑檐柱刚度和承载力增幅减小，厚宽比介于0.011～0.015时，当宽厚比增大时，试件刚度和承载力的增幅最大。

(3)t/b越大，钢结构仿古建筑檐柱刚度越大，其位移延性有一定程度的降低。与EC1-0试件相比，宽厚比分别为0.007、0.011、0.015、0.020、0.024时试件位移延性系数分别减小0、4.7%、25.4%、26.8%、28.1%，表明在不明显降低钢结构仿古建筑檐柱延性的前提下，斗栱可明显提高檐柱的刚度和承载能力。