钢结构仿古建筑带斗栱檐柱延性及刚度分析

2019-12-06薛建阳浩飞虎马林林

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2019年5期

薛建阳，浩飞虎，马林林

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055)

古建筑木结构是中国古建筑的特有形式，集古代文化、技术于一体，仿古建筑延续了古建筑木结构独到的文化与民族特色，不但保留了古建筑雄伟壮观的建筑形式，同时，通过结合现代的科学技术，使得仿古建筑既能展现古建筑独有的魅力，又具有良好的耐久性和安全性.因此，研究仿古建筑对中国传统文化的发扬具有重要的意义.[1-2].

仿古建筑的受力与现代建筑有所不同，国内学者对其结构或构件的受力性能进行了相关的试验研究.谢启芳[3]等通过对传统风格建筑钢筋混凝土梁—柱节点做拟静力荷载试验，研究了其耗能性能、刚度退化规律以及延性性能，结果表明：节点核心区的配箍率对其刚度变化影响不大，但可提高其延性性能.漆成[4]通过对仿古建筑不同轴压比和节点形式的试件进行低周反复荷载试验，观察了节点的破坏形态及特征，分析了仿古建筑节点的滞回性能、刚度退化规律和延性性能.周升[5]对钢结构仿古建筑双梁柱进行水平低周反复加载试验，研究了其节点的滞回性能，结果表明其刚度退化主要是由于节点焊缝的破坏和柱壁屈曲引起的.目前国内学者对仿古建筑梁柱节点的研究内容较多，而对于仿古建筑带斗檐柱的耗能性能研究较少.

1 试验概述及延性分析

1.1 试件设计及测试方案

试验初始阶段，先进行预加载.试验过程第一阶段以荷载控制，每次循环增加10 kN，直到试件开始进入塑形变形时，加载进入第二阶段，改用位移控制加载.试验通过在试件相应位置布置位移计和应变片来获得试件的变形规律及应力分布，如图1所示.

图1 试件测试装置(单位：mm)Fig.1 Test device for test piece (Unit: mm)

1.2 试件应变分析

由试验数据可知，各试件应变分布及变化规律基本一致，以试件GY1-1的荷载-应变曲线为例进行说明.试件GY1-1栌斗翼缘及腹板的应变片分别是图1(a)中的1、2点和3、4、5点，由此可得栌斗翼缘(应变片1)和腹板(应变片5)的荷载-应变曲线，如图2(a)、(b)所示.由图2(a)、(b)可知，随着加载的进行，栌斗和翼缘的荷载-应变曲线整体呈矩形变化.栌斗逐渐进入塑性变形阶段，应变增长逐渐放缓.和腹板相比，翼缘处应变较大，栌斗翼缘和腹板处的最大应变值均超过了板材的屈服应变值，栌斗屈服.

试件GY1-1矩形钢管柱端部翼缘和腹板应变片分别是图1(a)中的6、7点和8、9、10点，由此可得矩形钢管柱端部翼缘(应变片6)和腹板(应变片10)的应变变化规律见图2(c)、(d).由图2(c)、(d)可知，随着加载的进行，矩形钢管柱端部一直处于弹性变形阶段，未出现明显的屈服点.

图2 节点区荷载-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of node area

各试件的破坏形态如图3所示，其中：试件GY1-1，GY2-2侧向变形过大；试件GY2-2方钢管底部屈曲破坏；试件GY2-1方钢管柱底部母材拉裂破坏.分析原因，主要有两点：(1)试件加载过程中，柱端位移对试件的整体变形会产生挠曲二阶效应.轴压比较小时挠曲二阶效应影响较小，在水平荷载作用下，方钢管柱底部两侧腹板与翼缘连接处的应力未达到极限应力，不足以使得试件达到破坏.反之，在水平荷载作用下，方钢管柱底部母材连接处拉应力会超过了材料的屈服应力，方钢管底部连接区母材屈服最后开裂.(2)通过量测试件各部位的应变可知，矩形钢管柱根部应变值较大.方钢管柱底部两侧腹板和翼缘连接处水平竖直向焊缝较多，材性较差，多条焊缝连接处应力集中明显.

1.3 试件荷载-位移滞回曲线分析

试件的柱端荷载-位移滞回曲线如图4所示.根据图4可知：(1)试件加载初期，整体变形处于弹性阶段，滞回环不够饱满，各试件没有明显的耗能性能和刚度退化.(2)当试件进入屈服阶段，滞回环面积逐渐增大，形状呈纺锤形，试件有明显的刚度退化.

图4 柱端滞回曲线Fig.4 Column end hysteresis curve

1.4 试件延性分析

通过计算各试件的位移延性系数(见表1)并分析可知：(1)各试件延性系数普遍较高，其平均值在3.0～5.0之间，表明试件具有良好的塑性变形能力.通过对比可知，正向和反向延性系数差异较大.分析原因主要是因为两个方向的刚度不同，致使试件在两个方向发生屈服时，正向位移大于反向位移，正向延性系数大于反向延性系数.(2)通过对比可知，相同长细比的试件，其轴压比增大，屈服位移和破坏位移则有所下降，两个方向的延性系数均有所降低；轴压比相同时，长细比的增大对试件延性的提高具有很大影响.

表1 试件位移延性系数表

分析原因可知，轴压比不变时，长细比增大导致试件刚度下降，试件屈服后，侧向位移增大.因柱端荷载产生的截面应变较大，因此，试件达到屈服和破坏时荷载减小，水平位移增大.通过表1可以得知，两个试件的屈服位移比值相差仅一倍左右，两者的破坏位移比值相差3倍以上，因此，试件GY1的延性高于试件GY2的延性.

2 试件的刚度及其退化规律分析

2.1 试件弹性变形阶段的刚度分析

定义试件开始加载时的刚度和转角分别为K0和θ0，其值列于表2.

表2 初始刚度K0实测值

注：规定正向为推力方向，反向为拉力方向.

由表2可知，试件初始加载时，GY2与GY1初始刚度基本对称.GY2类型试件的初始实测刚度平均值为GY1类型的2.52倍；试件GY1-2的初始刚度实测值为试件GY1-1的1.34倍，试件GY2-1的初始刚度实测值为试件GY2-2的1.24倍，说明随着长细比的增大，钢结构仿古建筑带斗檐柱的初始刚度显著减小.除此之外，试件正、反向刚度不对称，差异较大.分析原因主要是试件在加载平面外为非对称结构，且各部分通过焊缝构成，焊缝的存在使试件两侧焊接部位内力传递差异性较大[10-11].

2.2 试件屈服时的刚度分析

试件屈服时，其刚度实测值Ky与转角θy见表3.由表3可知：

(1)GY2类型试件屈服时，其刚度平均值大小为GY1类型的3.0倍；GY1-2试件屈服时，其实测值刚度为试件GY1-1的1.09倍，而试件GY2-1的实测值刚度是试件GY2-2的1.04倍.

(2)GY1类型试件屈服时，其刚度实测平均值为初始值的0.67倍，GY2类型试件的刚度实测平均值为初始值的0.79倍，这说明在试件在达到屈服之前，由于荷载的增加，变形也在逐渐增大，刚度开始折减，由于两种类型试件刚度长细比差别较大，故其刚度退化速率明显不同.

表3 屈服刚度Ky的实测值

表4 试件加载达到极限荷载时刚度Ku实测值

2.3 试件达到极限荷载时的刚度分析

试件加载达到极限荷载时，其刚度实测值Ku与柱转角θu见表4.由表4可知：

(1)试件加载达到极限荷载时，GY2类型试件的刚度实测平均值为GY1类型的3.34倍；试件GY1-2的刚度实测值为试件GY1-1的1.01倍，而试件GY2-2的刚度实测值为试件GY2-1的1.30倍.

(2)试件加载达到极限荷载时，GY1类型试件的刚度实测值为初始值的0.29倍，GY2类型试件的刚度实测值为初始值的0.38倍.说明此时GY1类型试件钢材的累计变形量较大，钢材的残余应变也较大，材料强度达到充分发挥，随着柱端水平位移的增大，试件刚度明显降低；而GY2类型试件刚度显著降低则是因方钢管柱根部翼缘发生屈曲造成的.

2.4 试件破坏时的刚度分析

试件破坏时，其刚度实测值Kd与转角θd见表5.由表5可知：

(1)试件破坏时，GY2类型试件的刚度实测平均值为GY1类型的3.98倍；试件GY1-2的刚度实测值为试件GY1-1的1.05倍，试件GY2-1是GY2-2的刚度实测值的1.28倍.此时各试件的转角均大于文献[11]中规定的位移角限值，说明试件具有较好的变形性能.

(2)试件破坏时，GY1类型试件的刚度实测平均值为初始值的0.15倍，GY2类型试件的刚度实测平均值为初始值的0.24倍，此时GY1类型试件材料强度随着柱端水平位移的增大而降低，时间的刚度实测值较低；而GY2类型试件则是由方钢管柱根部翼缘与内隔板连接处焊缝开裂及根部热影响区母材拉裂造成的.

表5 试件破坏时刚度Kd的实测值

2.5 各试件刚度退化规律分析

各试件在不同柱端位移下，割线刚度随位移等级ξ的变化规律如图5所示，其中位移等级为试件位移与屈服位移的比值.

各试件的刚度退化曲线如图6所示.由图6可知:

图5 割线刚度变化Fig.5 Secant stiffness variation

图6 试件的刚度退化曲线Fig.6 Curves of stiffness degradation

(1)各试件的刚度退化曲线基本对称，这是因为仿古建筑钢结构带斗檐柱在加载平面内为对称构件且连接区的焊缝呈对称分布.

(2)通过比较，GY2类型的试件刚度退化速率要大于GY1类型的试件，分析原因，这主要是因为轴压比一致时，长细比增大导致试件刚度下降，试件屈服后，侧向位移增大.因此，试件达到屈服和破坏时荷载减小，水平位移增大.GY2类型的试件长细比较小，檐柱端部发生小位移之后，连接区焊缝较早地发生了破坏，试件的延性和刚度降低.

(3)长细比相同，轴压比不同的试件，其刚度退化曲线规律基本一致.轴压比相同，长细比不同的试件，其刚度退化曲线差异较大.这主要是因为轴压比较大的试件，当长细比一致时，试件达到屈服后柱端位移较小，荷载特征值较小.轴压比较小的试件，试件达到屈服后，柱端位移较大，荷载特征值较大.