传统风格建筑钢-混凝土组合梁-柱节点动力循环荷载试验研究

董金爽， 隋 ， 薛建阳， 曹宝珠

(1.海南大学土木建筑工程学院，海口 570228；2.西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055)

传统风格建筑作为一种对古建筑文化具有良好传承的建筑形式，尤其是在历史文化名城得到了广泛的推广与应用，是传统建筑文化与地域特色完美结合的最直观的传承载体和表现形式。

传统风格建筑仿自古建筑，因此传统风格建筑继承了古建筑独特的营造特点及复杂的受力机制。当前对传统风格建筑的研究多集中在其艺术性[1-3]、施工技术方面[4-6]，对其抗震性能方面的研究较少且起步较晚。薛建阳等[7-10]及隋龑等[11]均开展了不同结构类型传统风格建筑试验研究及数值模拟分析，取得了一系列的研究成果；文献[12]的研究成果及中国台湾武昌宫结构柱发生的压溃式破坏震害结果均表明：传统风格建筑混凝土结构的梁-柱节点的抗震性能不满足现行规范的要求。

外围檐柱采用双梁-柱构造形式是传统风格建筑的一个显著特点。目前，中外对普通框架梁-柱节点研究较全面，而对传统风格建筑混凝土双梁-柱节点研究基本为空白，且现行规范也未有相关规定。由于缺乏理论支持和经验积累，进行传统风格建筑双梁-柱节点的设计时，只能依据常规节点的相关规范和规程，因此亟待开展此类节点的研究工作。

为研究外围檐柱采用双梁-柱构造形式对其抗震性能的影响，试验共设计2个典型传统风格建筑梁-柱节点试件，采用输入正弦波荷载的形式对试件进行快速动力加载，以期获得双梁-柱节点的破坏形态及力学性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

典型传统风格建筑混凝土双梁-柱节点构造形式如图1所示。双梁-柱节点与常规梁-柱节点相比，不但节点域范围增大，其受力特点和变形特征也与常规梁-柱节点显著不同。

按清工部《工程做法则例》[7]中“材份制”规定，采用1∶2.6的缩尺比，设计了2个传统风格建筑钢-混凝土组合梁-柱节点，包括1个典型双梁-柱节点SJ、1个单梁-柱节点对比试件DJ。试件详图如图2所示。各试件设计轴压比均为0.25。

采用C40商业细石混凝土，实测其立方体抗压强度平均值fcu= 55.2 MPa。钢材采用Q235B，其性能指标见表1。

图1 传统风格建筑双梁-柱节点

表1 钢材材性指标

注：fy为屈服强度；εy为屈服应变；fu为极限强度；Es为弹性模量。

1.2 加载制度

采用图3所示的加载装置。首先由液压千斤顶施加竖向轴心荷载至轴压设计值并保持恒定；此后由机械测试与仿真(mechanical testing & simulation, MTS)电液伺服加载系统按图4所示加载制度施加水平荷载，每工况循环10次。

采用传统的拟静力加载方式获得的试验结果是用静力方法求得结构在静力荷载作用时的效果，加载速率很低，在一定程度上不能反映动力荷载作用下结构的破坏特征和破坏模式。

图2 试件几何尺寸及截面配筋形式

本试验采用荷载形式为正弦波的动力加载制度，以改变正弦波的输入振幅及频率而获得不同加载条件下试件的力学性能。试验加载制度见表2。试验加载制度示意图如图4所示。

1为反力墙；2为500 kN作动器；3为反力架；4为反力梁；5为100 kN千斤顶；6为试件；7为高强螺杆；8为基础反力梁

图4 试验用加载制度示意图

表2 试验用加载制度

注：a为加速度；s为控制位移；f为频率。

2 主要试验结果及分析

2.1 恢复力特征曲线

取各试件各工况下第一圈滞回曲线叠加，得其恢复力特征曲线，如图5所示。

由图5可知：

(1)加载初期(控制位移≤15 mm)，各试件恢复力特征曲线包围的面积均较小，荷载与控制位移基本呈线性关系，刚度及强度衰减不显著。

(2)随着控制位移的不断增大(27 mm≤控制位移≤53 mm)，各试件恢复力特征曲线包围的面积逐渐增大，荷载与控制位移逐渐由线性关系过渡到非线性关系，刚度及强度衰减较显著，卸载至零，存在残余变形。试验过程中试件均有不同程度的混凝土压碎剥落。

(3)加载后期(65 mm≤控制位移≤88 mm)，各试件恢复力特征曲线达到峰值荷载后开始呈下降趋势，总体上单梁节点缓于双梁节点，但后者的承载能力较高。分析其原因是由于双梁节点由于下梁的存在导致后期上下梁变形不协调，内力分布不均匀导致。

(4) 各试件恢复力特征曲线出现“捏缩”现象的主要原因是由于试验采用的加载制度所导致，试验过程中，每一循环加载时作动器都从中间位置起步，并在中间位置结束，此时，作动器的荷载及采集到的的位移下降至零。

总体上，双梁-柱节点的承载力较高，且外围檐柱的双梁-柱构造措施在传统风格建筑中是封闭式的，较高的承载能力及具有良好整体性能的双梁-柱构造形式对于传统风格建筑与圈梁对于砌体结构的作用效果具有异曲同工之妙。

P为柱顶水平荷载；Δ为相应的柱顶水平位移

2.2 骨架曲线

各试件的骨架曲线如图6所示。

由图6可知：

(1)传统风格建筑双梁-柱节点的承载力明显高于单梁-柱节点试件，说明传统风格建筑外围檐柱的双枋-柱构造，具有明显的类似砌体结构中圈梁的作用效果，可显著提高传统风格建筑的整体性能，将建筑物内部结构紧紧的包围在双梁-柱联系的柱网之中，提升建筑结构的整体性能及抗震性能，确保在地震作用下结构墙倒屋不塌。

图6 骨架曲线Δ-P

(2) 加载初期，两试件骨架曲线初始刚度较为接近，说明在弹性阶段双梁节点的下梁对尚未发挥作用；随着控制位移的不断增加，双梁节点中下梁逐渐发挥作用，试件的刚度显著增大，且明显高于单梁节点，从而确保传统风格建筑整体具有较大的侧向刚度。

2.3 承载能力及延性分析

由“Park法”[13]确定的各试件特征点值列于表3。位移延性系数表达式为μ=Δm/Δy，其中Δm、Δy分别为破坏位移、屈服位移。

由表3及表4可知：

表3 试件特征点荷载及位移

注：Pcr为开裂荷载，kN；Δcr为开裂位移，mm。其他以此类推。

表4 各试件延性系统

(1)双梁节点与单梁节点开裂特征点值相差较小，说明双梁节点的下梁对其抗裂性能影响不显著；与单梁节点相比，双梁节点屈服位移、屈服荷载、峰值位移及峰值荷载分别提高35.7%、26.%、47.1%及29.0%，由此再次表明双梁-柱构造形式位于传统风格建筑外围的合理性，既增加了结构的整体性，有提高了结构的承载力及刚度。

(2)双梁节点的延性性能低于单梁节点，两者相差16.7%，这是由于双梁-柱构造形式中的下梁在受荷后期由于变形不协调，内力分布不均匀，达到极限承载力后，承载力下降较快所导致。因此，在实际工程中应加强外围檐柱双梁构造形式的延性性能，如布置黏滞阻尼器等。

2.4 刚度分析

各试件刚度退化曲线如图7示所。图8给出了各试件加载全过程中刚度随控制位移变化情况。

图7 试件刚度退化曲线

定义第一级加载时正、负向割线刚度的平均值为试件初始刚度值，各特征点刚度值分别为试件各特征点正、负向刚度平均值，计算结果见表5，图9给出了各试件的刚度对比直方图。

由图7、图8、图9及表5可知：

(1) 总体上，各试件的刚度呈逐渐降低的趋势，且刚度降低趋势线大致为线性关系。控制位移不变时，各试件刚度随循环次数的增加而逐渐降低，表明试件在加载过程中刚度逐渐退化。

图8 试件刚度变化曲线

表5 试件各阶段刚度值

图9 试件各阶段刚度对比图

(2) 随着控制位移的不断增大，各试件刚度逐渐降低。加载初期，刚度退化速率较快，之后，退化速率减缓。这是由于加载后期，试件破坏较严重，损伤累积几乎达最大值，试件刚度退化不再明显，较缓慢。试件刚度退化根本原因是试件累积损伤不断增加导致试件结构性能不断降低。

(3) 与单梁-柱试件相比，双梁-柱试件的刚度在各特征点均较大，说明居于外围檐柱的双梁-柱构造形式具有较大的侧向刚度，从而确保结构具有良好的整体性能。

为对试件各刚度变化进行进一步的分析，采用初始刚度Ke、硬化刚度Ks和负刚度Kn分别描述各阶段刚度变化规律[14]。硬化刚度、负刚度均与初始刚度成比例，分别用式(1)和式(2)表示：

Ks=αsKe

(1)

Kn=αnKe

(2)

式中：αs为Ks与Ke的比例系数；αn为Kn与Ke的比例系数。

根据式(1)、式(2)，各试件αs、αn计算值见表6。

由表6可知，采用钢-混凝土组合结构的传统风格建筑梁-柱节点的硬化刚度比例系数要高于钢结构和钢筋混凝土结构[14]，说明该类型传统风格建筑屈服后强度提升的空间较大。双梁-柱试件的αn大于单梁试件的，说明当荷载超过结构最大承载力后，双梁试件性能要优于单梁节点。

表6 各试件刚度比例系数

2.5 强度分析

采用同级加载位移的第i次循环中的承载力Fi与该级位移下第1次循环的承载力F1的比值λi=Fi/F1定量表示承载力降低程度。

图10为各试件的承载力降低曲线图。图11为各试件同级加载位移下最后一次循环中承载力Pi与第1次循环的承载力P1的比值δi。

图10 试件承载力降低曲线

图11 试件承载力变化曲线

各试件达到极限承载力后，随着水平荷载和循环次数的增加，试件的承载力有明显的衰减现象，且总体上呈加快的趋势。这主要是由于在动力荷载的循环作用下试件损伤累积不断增大，从而导致各试件的承载力迅速下降，衰减速率加快。

3 结论与建议

3.1 结论

通过对两个传统风格建筑钢-混凝土组合梁-柱节点动力循环荷载试验，可得以下主要结论。

(1)采用钢-混凝土组合结构的传统风格建筑的抗震性能得到较大程度的提升；传统风格建筑双梁-柱节点的承载能力及抗震性能均优于单梁-柱节点，在实际工程中，双梁-柱构造形式可显著提升结构的整体性和抗震性能，其与圈梁的作用类似。

(2) 总体上，各试件的刚度退化呈现先快后慢的趋势，且退化曲线大致平行。双梁节点的侧向刚度显著大于单梁节点，且强度衰减慢于单梁节点。

(3) 由于传统风格建筑梁-柱节点改变了古建筑木结构半刚性的连接方式，双梁-柱构造形式为刚性连接，下梁的存在导致结构变形不协调，对其力学性能有一定的影响，设计时可采取必要加强的措施。

3.2 设计建议

(1) 由于传统风格建筑大屋盖的营造特点，建议实际工程中对于殿堂式的传统风格建筑可采用钢-混凝土组合结构形式。

(2) 由于传统风格建筑双梁-柱构造形式上下梁不协调导致其延性性能较差，可通过在节点处布置粘滞阻尼器等形式提升其力学性能。