鋼-木組合柱抗側(cè)力性能試驗研究及有限元分析

趙東拂， 王 磊， 孟 穎(. 北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 00044； 2. 北京未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心，北京 00044； 3. 工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 00044； 4. 北京節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 00044)

2015-08-31，《促進(jìn)綠色建材生產(chǎn)和應(yīng)用行動方案》提出“發(fā)展木結(jié)構(gòu)建筑”。2016-02-21，《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》提出“在具備條件的地方，倡導(dǎo)發(fā)展現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑”。2017-03-02，《關(guān)于加快發(fā)展裝配式建筑的實施意見》提出“按照適用、經(jīng)濟(jì)、安全、綠色、美觀的要求，在具備條件的項目中倡導(dǎo)采用現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑”?，F(xiàn)代梁柱式木結(jié)構(gòu)采用符合工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的金屬連接件代替榫卯連接[1]，其抗側(cè)力通常由節(jié)點構(gòu)造和側(cè)腳機(jī)制提供。由于梁柱、柱腳節(jié)點并不能做到完全剛性連接，導(dǎo)致純梁柱體系具有有限的抗側(cè)能力[2]。

目前，國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者對于傳統(tǒng)抗側(cè)力體系已有較深入的研究：李昌春等[3]完成了4個不同類型的木框架縮尺試件的抗震性能研究；何敏娟等[4]對木框架剪力墻5種材料的10片足尺試件從荷載-位移曲線、極限荷載、彈性階段剛度、屈服荷載、破壞荷載和位移、延性及耗能等方面進(jìn)行了抗側(cè)性能試驗研究；熊海貝等[5]通過擬靜力試驗，從滯回曲線、極限承載力、延性系數(shù)、剛度、強(qiáng)度、耗能等方面對比研究了10榀不同支撐類型的足尺試件的抗震性能；鄭維等[6]從滯回、骨架、延性等方面完成了對6榀鋼填板螺栓連接的不同類型的膠合木框架-剪力墻足尺試件的擬靜力試驗研究；張富文等[7]完成了對榫卯節(jié)點木框架的4榀竹斜撐加固、鋼箍加固和鋼支撐加固足尺試件從滯回、承載力、耗能等方面的擬靜力試驗研究；Komatsu等[8]對新開發(fā)的門式框架——具有韌性和高強(qiáng)度半剛性膠合木框架進(jìn)行測試，并對一種傳統(tǒng)和兩種改進(jìn)的木質(zhì)剛架進(jìn)行比較；Li等[9]采用重要抽樣的響應(yīng)面法，研究了現(xiàn)澆梁木結(jié)構(gòu)中常用的八種斜撐結(jié)構(gòu)板套剪力墻的可靠度；Ahmad等[10]對中心支撐木框架砌體填充墻進(jìn)行了抗震性能評估；Echavarría 等[11]進(jìn)行了對一系列由碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)和竹集成材的膠合木梁加固測試，結(jié)果表明，使用CFRP和竹集成材可以使膠合木梁的力學(xué)性能得到改進(jìn)；Furuta[12]采用振動臺試驗研究了一種新型緊固件的雙木支撐木框架的抗震性能。綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對于梁柱式木結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系運(yùn)用較多的是增加支撐、剛性構(gòu)架、輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻面板等。

探索和研究組合結(jié)構(gòu)形式，發(fā)展前途光明[13]。木材節(jié)能環(huán)保，可再生。鋼結(jié)構(gòu)則具有良好的延性和變形能力。因此，鋼-木組合結(jié)構(gòu)受力性能更好、更牢固耐久[14-16]。因此，提出了一種抗側(cè)力鋼-木組合柱結(jié)構(gòu)形式，以彎折鋼筋為綴件結(jié)合木肢柱、橫梁抵抗水平側(cè)向力，用于結(jié)構(gòu)抗震耗能。

本文采用擬靜力試驗與ABAQUS有限元分析相結(jié)合并互相驗證的方法研究鋼-木組合柱的抗側(cè)力性能，為鋼-木組合柱應(yīng)用于仿古建筑、木結(jié)構(gòu)別墅及住宅、古建筑維護(hù)及加固等實際工程提供參考。

1 試驗概況

1.1 材料性能

三組試件分別采用Q345B鋼、直徑22 mm的光圓鋼筋HPB300、直徑24 mm的10.9級摩擦型高強(qiáng)螺栓和東北落葉松。

Q345B鋼、直徑22 mm的光圓鋼筋HPB300的材性試驗參照《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[17]進(jìn)行。由于螺栓直徑較大，幾乎沒有發(fā)生彎曲屈服，對螺栓的材料本構(gòu)定義為理想的彈塑性，采用雙折線模型[18]。上述三者的力學(xué)性能如表1所示。

由于木材是正交各向異性材料，研究木材性能最理想的途徑是進(jìn)行材料性能試驗，參照相關(guān)規(guī)范[19-24]對木材試件進(jìn)行試驗，如表2所示，表中數(shù)據(jù)均為木材試件的平均值。

表1 Q345B鋼、鋼筋HPB300和螺栓的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of Q345B andHPB300 and bolts

表2 木材的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of wood

1.2 試件設(shè)計

1.2.1 彎折鋼筋綴件細(xì)部尺寸優(yōu)選

鋼-木組合柱的尺寸參照《木結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[25]、《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[26]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[27]進(jìn)行設(shè)計，同時參考了文獻(xiàn)[28]。彎折鋼筋綴件作為重點分析對象，對其細(xì)部尺寸的優(yōu)選是必不可少的步驟。

ZHZA組鋼筋綴件細(xì)部尺寸優(yōu)選的步驟為：①采用ABAQUS軟件建立模型ZHZAai(i=1,2,3)，對其進(jìn)行100 kN豎向力作用在橫梁頂部及100 kN水平力作用在橫梁端部的單調(diào)加載，對比荷載-位移曲線確定a尺寸；②在確定a尺寸以及考慮鋼筋綴件與鋼夾板焊接連接處有無彎折因素的基礎(chǔ)上，采用ABAQUS軟件建立模型ZHZAbi(i=1,2,3)，對其進(jìn)行100 kN豎向力作用在橫梁頂部及100 kN水平力作用在橫梁端部的單調(diào)加載，對比荷載-位移曲線確定b尺寸；③分別對已確定a、b尺寸的兩組模型進(jìn)行水平低周反復(fù)加載，通過滯回曲線以及等效黏滯阻尼系數(shù)對比兩者的耗能能力；④選取耗能能力最好的一組作為鋼-木組合柱模型ZHZA組。

圖1為ZHZAai(i=1,2,3)組的鋼筋綴件彎折形式，圖2為P局部詳圖。

分別建立當(dāng)a1=120，a2=130，a3=140時ZHZAai(i=1,2,3)組模型，對其進(jìn)行100 kN豎向力作用在橫梁頂部及100 kN水平力作用在橫梁端部的單調(diào)加載，圖3為模型ZHZAai(i=1,2,3)組單調(diào)加載的荷載-位移曲線。由圖3可知：a2=130時的承載力相對a1=120、a3=140時較高。a2=130時的極限位移角約為1/67，滿足《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》(GB 50165—1992)中位移角限值要求[29]。綜上所述，當(dāng)a2=130時的模型ZHZAa2組性能更好。

圖1 模型ZHZAai(i=1,2,3)組鋼筋綴件彎折形式Fig.1 Model ZHZAai(i=1,2,3)group steel bar bending form

圖2 P局部詳圖Fig.2 P details

圖3 模型ZHZAai(i=1,2,3)組荷載-位移曲線Fig.3 Load shifting curves of ZHZAai(i=1,2,3)models

在ZHZAai(i=1,2,3)組P局部的基礎(chǔ)上，考慮鋼筋綴件與鋼夾板焊接連接處有無彎折的影響，對ZHZAbi(i=1,2,3)組P局部進(jìn)行調(diào)整。圖4為ZHZAbi(i=1,2,3)組的鋼筋綴件彎折形式，圖5為P局部詳圖，其中a的尺寸不變，即a=130。

圖4 模型ZHZAbi(i=1,2,3)組鋼筋綴件彎折形式Fig.4 Model ZHZAbi(i=1,2,3)group steel bar bending form

圖5 調(diào)整后的P局部詳圖Fig.5 P details after adjusting

建立當(dāng)b1=30，b2=40，b3=50時ZHZAbi(i=1,2,3)組模型，對其進(jìn)行100 kN豎向力作用在橫梁頂部及100 kN水平力作用在橫梁端部的單調(diào)加載，圖6為模型ZHZAbi(i=1,2,3)單調(diào)加載的荷載-位移曲線。由圖6可知：b2=40時的承載力相對b1=30，b3=50較高。對比b2=40，b3=50，在相同位移下，前者的承載力略高。對比b1=30，b2=40，在相同荷載下，后者的位移較小。b2=40時的極限位移角大約為1/67，滿足《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》(GB 50165—1992)中位移角限值要求。綜上所述，當(dāng)b2=40時的模型ZHZAb2組性能較好。

圖6 模型ZHZAbi(i=1,2,3)組荷載-位移曲線Fig.6 Load shifting curves of ZHZAbi(i=1,2,3)models

總結(jié)可得模型ZHZAa2組和ZHZAb2組的鋼筋綴件細(xì)部的具體尺寸，如圖7所示。

(a)模型ZHZAa2組(b)模型ZHZAb2組

圖7 鋼筋綴件具體尺寸

Fig.7 Steel barspecific size

分別對已確定a、b尺寸的ZHZAa2組和ZHZAb2組模型進(jìn)行水平低周反復(fù)加載，通過滯回曲線和等效黏滯阻尼系數(shù)對比兩者的耗能能力。分析滯回曲線圖8可知：隨著位移加大，滯回環(huán)面積在逐漸加大；其中模型ZHZAb2組的滯回曲線更為飽滿，滯回環(huán)面積更大，耗能能力更好。在破壞荷載時，模型ZHZAa2組的等效黏滯阻尼系數(shù)ζeq[30]為0.131，模型ZHZAb2組的ζeq為0.198，高于前者33.8%。表明模型ZHZAb2組彎折鋼筋綴件的耗能發(fā)展更為充分，在水平低周反復(fù)荷載作用下表現(xiàn)出良好的耗能能力。

圖8 模型滯回曲線比較Fig.8 Comparison of model hysteretic curves

綜上所述，優(yōu)選后ZHZA組的鋼筋綴件如圖7(b)所示。采用上述類似方法，考慮鋼筋綴件與長鋼片焊接連接處有無彎折，可得ZHZB組的鋼筋綴件具體尺寸；考慮鋼筋綴件與橫梁有無接觸，可得ZHZC組的鋼筋綴件具體尺寸。

1.2.2 試件制作

抗側(cè)力鋼-木組合柱的肢件與橫梁利用U型板通過螺栓固定，鋼夾板通過螺栓固定在肢件上、鋼夾板與鋼筋通過焊接連接，鋼筋綴件之間的接觸點通過鋼片焊接固定。三組鋼-木組合柱試件ZHZA、ZHZB和ZHZC的尺寸及材料如表3所示，試件類型如表4所示。

1.3 加載裝置

擬靜力試驗在北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院結(jié)構(gòu)實驗室進(jìn)行，其中試件ZHZA組的加載裝置實物圖如圖9所示。試驗過程中采用的主要設(shè)備有反力墻、100 t電液伺服作動器、兩個50 t的BK-4C型傳感器、DH3820數(shù)據(jù)自動采集儀和位移計。為防止試件在加載過程中發(fā)生平面外失穩(wěn)，在橫梁兩側(cè)安裝側(cè)向支撐。

1.4 加載制度

試驗采用位移控制加載制度進(jìn)行水平加載，試驗分預(yù)加載和正式加載兩部分進(jìn)行。預(yù)加載的目的是檢查測試設(shè)備顯示數(shù)值是否正常并調(diào)零。正式加載時，將豎向荷載加至100 kN，并保持整個水平加載過程中試件的軸壓力恒定不變。加載制度為位移控制，分別采用1/1 500、1/1 000、1/600、1/375、1/250、1/200、1/150、1/100、1/75、1/60的位移角對試件進(jìn)行加載，圖10為位移的加載模式。當(dāng)層間位移角達(dá)到1/30，或承載力下降到極限承載力的85%，或連接部位出現(xiàn)嚴(yán)重變形時，認(rèn)為試件破壞，停止試驗。試驗中所有數(shù)據(jù)均通過DH3820數(shù)據(jù)自動采集儀采集。

表3 試件尺寸及材料Tab.3 Specimen size and material

1.5 測點布置

每組試件布置22個應(yīng)變片，編號為1-22；布置5個位移計，編號為D1-D5。試件的測點分布如圖11所示。

2 試驗結(jié)果及其分析

2.1 試驗現(xiàn)象與破壞形態(tài)

開始加載后，木材發(fā)出輕微的連續(xù)響聲。位移加載至20 mm時，ZHZA組的測點17附近出現(xiàn)彎曲。位移加載至30 mm時，ZHZB組的測點7、9附近出現(xiàn)彎曲；ZHZC組的測點15、17附近出現(xiàn)彎曲；位移加載至45 mm時，ZHZA組的測點17附近出現(xiàn)明顯的彎曲，如圖12(a)所示；肢柱底部螺栓孔劈裂，如圖12(b)所示。此時，認(rèn)為ZHZA組試件破壞，不宜繼續(xù)加載。

位移加載至50 mm時，ZHZB組的測點7、9附近出現(xiàn)明顯彎曲，如圖13(a)、(b)所示；長鋼片上部出現(xiàn)彎曲，如圖13(c)所示；肢柱頂部螺栓孔劈裂，如圖13(d)所示。此時，認(rèn)為ZHZB組試件破壞，不宜繼續(xù)加載。

位移加載至50 mm時，ZHZC組的鋼筋測點9、15、17附近出現(xiàn)明顯彎曲，如圖14(a)、(b)、(c)所示；肢柱底部螺栓孔劈裂，如圖14(d)所示。此時，認(rèn)為ZHZC組試件破壞，不宜繼續(xù)加載。

表4 試件類型Tab.4 Types of specimens mm

圖9 加載裝置實物圖Fig.9 Loading device physical map

圖10 位移的加載模式Fig.10 Horizontal displacement loading mode

(a) ZHZA的布置

(b) ZHZB的布置

(c) ZHZC的布置圖11 試件的測點分布圖Fig.11 Distribution of measuring points

(a)鋼筋綴件測點17附近出現(xiàn)彎曲(b)肢柱底部螺栓孔劈裂

圖12 ZHZA試件的破壞形態(tài)
Fig.12 Failure mode of ZHZA group

(a)測點7附近出現(xiàn)彎曲(b)測點9附近出現(xiàn)彎曲(c)長鋼片上部出現(xiàn)彎曲(d)肢柱頂部螺栓孔劈裂

圖13 ZHZB試件的破壞形態(tài)

Fig.13 Failure mode of ZHZB group

對試件的破壞形態(tài)分析如下：①三組試件的鋼筋綴件均出現(xiàn)彎曲。原因是隨著對鋼-木組合柱施加水平反復(fù)荷載，鋼筋綴件從彈性階段逐漸進(jìn)入塑性階段，通過彎曲耗能。②試件ZHZB組中與鋼筋綴件焊接連接的長鋼片出現(xiàn)彎曲。原因是在水平作動器對鋼-木組合柱施加推力時，進(jìn)入塑性階段的兩根彎折鋼筋屈曲，施加拉力時又重新恢復(fù)原形。在反復(fù)荷載下，與鋼筋綴件焊接連接的長鋼片出現(xiàn)彎曲。③螺栓孔出現(xiàn)劈裂。原因是在豎向荷載、水平低周反復(fù)荷載作用下，螺栓孔附近順紋剪應(yīng)力較大，易發(fā)生劈裂。

(a)測點9附近出現(xiàn)彎曲(b)測點15附近出現(xiàn)彎曲(c)測點17附近出現(xiàn)彎曲(d)肢柱底部螺栓孔劈裂

圖14 ZHZC試件的破壞形態(tài)

Fig.14 Failure mode of ZHZC group

2.2 滯回曲線

根據(jù)擬靜力試驗數(shù)據(jù)，可得三組鋼-木組合柱試件的梁端荷載P-位移Δ滯回曲線，見圖15。由圖15可知：①三組試件在達(dá)到峰值位移時承載力未出現(xiàn)下降趨勢，滯回曲線的各級正、負(fù)向承載力有稍微差別。這是由初始加載的方向性、加載過程中橫梁頂部施加豎向荷載的“穿心頂”左右擺動及試驗加載時作動器的位移與橫梁頂部實測位移之間的差異造成的。②三組試件的滯回曲線呈較為飽滿的弓形，滯回曲線具有一定程度的“捏縮”效應(yīng)，反映出試件受到了一定程度的滑移影響。此滑移主要表現(xiàn)為高強(qiáng)螺栓在螺栓孔壁中的摩擦滑移以及肢柱與鋼夾板發(fā)生相對摩擦滑移。與其他梁柱式木結(jié)構(gòu)抗側(cè)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)運(yùn)用的支撐、剛性構(gòu)架、輕型木結(jié)構(gòu)剪力墻面板以及鋼筋綴件格構(gòu)柱相比，鋼-木組合柱的滯回曲線更飽滿，滯回環(huán)面積更大，說明其耗能能力更好。③三組足尺試件的滯回曲線因鋼筋綴件不同彎折形式而有較大差異，說明鋼筋綴件的參數(shù)包括彎曲形式、彎曲尺寸與交叉連接等改變對鋼-木組合柱試件的抗側(cè)力性能影響較大。

(a) 試件ZHZA組

(b) 試件ZHZB組

(c) 試件ZHZC組

圖15 試件滯回曲線比較

Fig.15 Comparison of specimen hysteretic curves

2.3 骨架曲線

三組鋼-木組合柱試件的骨架曲線對比見圖16。由圖16可知：在施加荷載的初期無剛度退化。隨著位移加載的增大，鋼筋綴件出現(xiàn)屈服，荷載增長的幅值減小，出現(xiàn)剛度退化。三組試件的P-Δ骨架曲線都沒有非常明顯的屈服點，故采用“R.Park法”[31]來確定屈服位移和荷載。為保證試驗過程中設(shè)備和人員的安全，荷載未下降至最大荷載的85%，取實際破壞荷載為極限荷載，取實際破壞位移為極限位移。表5為三組試件的主要性能指標(biāo)。

2.4 延性系數(shù)

延性系數(shù)反映了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形能力，三組試件的延性系數(shù)見表5。由表5可知：①試件ZHZA組的平均延性系數(shù)最大，為2.41，高于ZHZB組24.07%，高于ZHZC組7.88%，說明試件ZHZA組的延性更好。②三組試件的極限位移角分別為1/67(ZHZA)、1/60(ZHZB、ZHZC)，滿足《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》(GB 50165—1992)中位移角限值要求。

圖16 試件骨架曲線對比Fig.16 Comparison of specimen skeleton curves

表5 三組試件的主要性能指標(biāo)Tab.5 The main performance indexes of the three specimens

2.5 剛度退化

三組鋼-木組合柱試件的剛度退化曲線對比見圖17。由圖17可知：隨著加載位移的增大，各組試件剛度都出現(xiàn)了一定程度的退化。ZHZA組的初始彈性側(cè)向剛度為5.356 kN/mm，高于ZHZB組11.97%，高于ZHZC組20.46%。隨著加載位移的增大，三組試件的剛度退化差距明顯縮小，與骨架曲線反映出的規(guī)律具有一致性。

2.6 耗能能力

試件的耗能能力是評定結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)。采用累積耗能E和等效黏滯阻尼系數(shù)ζeq來衡量試件的耗能性能。

2.6.1 累積耗能

三組試件的累積耗能與水平位移關(guān)系曲線見圖18。由圖18可知：隨著位移加載的增大，三組試件的累積耗能逐漸增大，其中ZHZA組的累積耗能最大，約為10 223 kN·mm，高于ZHZB組6.63%，高于ZHZC組5.9%，表明試件ZHZA組的耗能能力更好。

2.6.2 等效黏滯阻尼系數(shù)

計算可得三組試件破壞時的等效黏滯阻尼系數(shù)ζeq，見圖19。由圖19可知：①在破壞荷載時，ZHZA組的ζeq為0.175，高于ZHZB組13.14%，高于ZHZC組10.86%，說明ZHZA組具有良好的塑性變形能力和耗能能力。②三組鋼-木組合柱試件的ζeq為0.152～0.175，比一般木骨架剪力墻的ζeq(0.113～0.155)大[32]，說明鋼-木組合柱具有良好的耗能能力，滿足一般建筑結(jié)構(gòu)的抗震需求。

圖17 剛度退化曲線對比Fig.17 Comparison of degradation curves of secant stiffness

圖18 累積耗能與位移關(guān)系曲線Fig.18 Relationship curve between cumulative energy dissipation and displacement

圖19 三組試件破壞時的ζeqFig.19 ζeq of failure of three groups of specimens

3 有限元分析與試驗結(jié)果對比分析

為了進(jìn)一步研究不同彎折形式的鋼筋綴件對鋼-木組合柱抗側(cè)力性能的影響，采用ABAQUS軟件對鋼-木組合柱進(jìn)行水平低周反復(fù)荷載作用下非線性有限元分析。

3.1 有限元分析

采用ABAQUS軟件建立三組三維實體有限元模型，模型尺寸與試驗試件一致。材料選用Q345B鋼、鋼筋HPB300、10.9級螺栓和東北落葉松。其中試驗所得數(shù)據(jù)為名義應(yīng)力和名義應(yīng)變，而在ABAQUS軟件中要使用真實值，需進(jìn)行轉(zhuǎn)化[33]。模型選擇C3D8R(八結(jié)點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制)，并進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。相互作用采用表面與表面接觸，接觸屬性中切向行為采用庫侖摩擦，木材之間的摩擦因數(shù)采用0.3，鋼材之間的摩擦因數(shù)采用0.15，木材與鋼材之間的摩擦因數(shù)采用0.1；法向行為采用“硬”接觸。螺栓預(yù)緊力的模擬在Load模塊中通過施加螺栓荷載來實現(xiàn)，M24高強(qiáng)螺栓施加225 kN預(yù)緊力。

3.2 破壞形態(tài)對比

三組試件試驗破壞形態(tài)與有限元分析應(yīng)力狀態(tài)對比見圖20。由圖20可知：有限元分析對于鋼筋綴件屈曲現(xiàn)象的模擬較為準(zhǔn)確，鋼筋綴件發(fā)生彎曲的位置、彎曲程度與試驗基本一致。

試驗破壞形態(tài)有限元分析應(yīng)力狀態(tài)

(a) ZHZA測點17附近出現(xiàn)彎曲

(b) ZHZB測點7、9附近出現(xiàn)屈曲

(c) ZHZC測點15、17附近出現(xiàn)屈曲

圖20 試驗破壞形態(tài)與有限元分析應(yīng)力狀態(tài)的對比

Fig.20 Comparison of failure mode and simulated stress state

3.3 滯回曲線對比

有限元分析與試驗的滯回曲線對比見圖21。由圖21可知：有限元分析得出的滯回曲線更加飽滿，整體輪廓與試驗所得滯回曲線基本吻合。這是因為在有限元分析過程中邊界條件和施加荷載步更為理想化，忽略了焊接殘余應(yīng)力、焊縫質(zhì)量缺陷、豎向軸壓力隨著水平位移的改變而改變、木材材料性能的離散性等不利因素的影響，使有限元分析結(jié)果更趨于理論化?？傮w來看，有限元分析與試驗的結(jié)果取得了較好的一致性。

(a) 試件ZHZA組

(b) 試件ZHZB組

(c) 試件ZHZC組圖21 試驗滯回曲線對比Fig.21 Comparison of specimen hysteretic curves

3.4 延性系數(shù)對比

三組試件的主要性能指標(biāo)見表6。由表6可知：有限元分析并不能完全考慮試件本身和試驗過程的真實情況，導(dǎo)致結(jié)果偏高，高于試驗結(jié)果10%左右?？傮w來說，有限元分析和試驗的結(jié)果吻合較好。

表6 三種試件的主要性能指標(biāo)對比Tab.6 Comparison of the main performance indexes of three kinds of specimens

3.5 耗能能力對比

三組試件的有限元分析和試驗研究的累積耗能對比見圖22，等效黏滯阻尼系數(shù)對比見圖23。由圖22和23可知：有限元分析的累積耗能及等效黏滯阻尼系數(shù)要高一些，這與其滯回曲線飽滿，耗能能力更好的結(jié)論一致。有限元分析得出的相關(guān)參數(shù)和試驗研究結(jié)果大致相同，說明有限元分析的結(jié)果基本可靠。

圖22 累積耗能對比Fig.22 Comparison of cumulative energy dissipation

圖23 等效黏滯阻尼系數(shù)對比Fig.23 Comparison of equivalent viscous damping coefficient

4 結(jié) 論

本文采用擬靜力試驗與ABAQUS有限元分析相結(jié)合并互相驗證的方法，研究鋼-木組合柱的抗側(cè)力性能，主要結(jié)論如下：

(1)三組試件的滯回曲線呈較為飽滿的弓形，其中ZHZA組的滯回曲線更飽滿，滯回環(huán)面積更大，有更好的耗能能力。

(2)三組試件的滯回曲線因鋼筋綴件不同彎折形式而有較大差異，表明鋼筋綴件的參數(shù)包括彎曲形式、彎曲尺寸與交叉連接等改變對鋼-木組合柱試件的抗側(cè)力性能影響較大。

(3)ZHZA組平均延性系數(shù)是2.41、在破壞荷載時的等效黏滯阻尼系數(shù)是0.175，都是三組試件中最大的，表明試件ZHZA組在水平低周反復(fù)荷載作用下表現(xiàn)出良好的塑性變形能力和耗能能力。

(4)三組試件在破壞荷載時的等效黏滯阻尼系數(shù)為0.152～0.175，比一般木骨架剪力墻(0.113～0.155)較大，表明鋼-木組合柱的彎折鋼筋綴件與肢件、橫梁具有較好的協(xié)同工作性，耗能能力較好，因此抗側(cè)力鋼-木組合柱結(jié)構(gòu)形式是一種合理的結(jié)構(gòu)形式。

(5)對比有限元分析與試驗研究結(jié)果，兩者基本吻合，說明所建立的有限元模型可以較為準(zhǔn)確地模擬鋼-木組合柱在試驗加載過程中抗側(cè)力性能的變化。

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