斗栱對(duì)鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱抗震性能的影響分析

薛建陽(yáng)，馬林林，董金爽，高衛(wèi)欣

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

近些年，傳統(tǒng)文化得到了越來(lái)越廣泛的重視和宣傳，因而在各大古城出現(xiàn)了一種新型的建筑形式——仿古建筑。仿古建筑作為傳統(tǒng)文化與現(xiàn)代技術(shù)的載體，繼承了中國(guó)傳統(tǒng)建筑文化，體現(xiàn)了中國(guó)傳統(tǒng)古建筑的精髓。

仿古建筑是對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)古建筑的傳承與發(fā)展，其充分利用現(xiàn)代建筑材料展現(xiàn)了與中國(guó)傳統(tǒng)古建筑極為相似的外部造型，其力學(xué)性能既不同于中國(guó)傳統(tǒng)古建筑，也與現(xiàn)代普通建筑有顯著區(qū)別。鋼結(jié)構(gòu)因施工簡(jiǎn)便、變形能力強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保及可重復(fù)使用成為了仿古建筑的主流材料之一。到目前為止，國(guó)外對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究主要為普通柱和節(jié)點(diǎn)[1-3]，而對(duì)仿古建筑研究還未曾有相關(guān)報(bào)道，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)仿古建筑進(jìn)行相關(guān)研究，薛建陽(yáng)等[4-6]對(duì)仿古建筑鋼結(jié)構(gòu)雙梁-柱節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理進(jìn)行了研究，謝啟芳等[7-8]在對(duì)仿古建筑梁-柱節(jié)點(diǎn)破壞機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了此類構(gòu)件的抗剪承載力公式，而國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檐柱的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。如圖1所示，仿古建筑帶斗栱檐柱由下部圓鋼管柱、斗栱體系及上部方鋼管柱焊接而成。斗栱作為仿古建筑區(qū)別普通建筑的標(biāo)志性構(gòu)件，不僅使仿古建筑具有很好的觀賞性，同時(shí)也改變了檐柱的力學(xué)特性。但因缺乏此類構(gòu)件的設(shè)計(jì)規(guī)范，且不能完全按《營(yíng)造法式》進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此針對(duì)此類構(gòu)件的研究刻不容緩。

鑒于此，設(shè)計(jì)了8個(gè)1∶1.5的鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱，并對(duì)其進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，分析斗栱對(duì)檐柱滯回特性、剛度退化、延性等力學(xué)性能的影響。

圖1 普陀山佛學(xué)院觀音殿Fig.1 Guanyin Hall of Mount Putuo Buddhist College

1 試驗(yàn)概況

以某殿堂式仿古建筑為原型，依據(jù)古建筑相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)了8個(gè)1∶1.5的鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱試件；其中EC1-1、EC1-2、EC2-1、EC2-2為帶斗栱檐柱，EC3-1、EC3-2、EC4-1、EC4-2為不帶斗栱檐柱。帶斗栱檐柱和不帶斗栱檐柱除有無(wú)斗栱體系外，其材料、尺寸及制作工藝均相同。設(shè)計(jì)參數(shù)為方鋼管柱軸壓力系數(shù)和長(zhǎng)細(xì)比，各試件均采用Q235B鋼，試件基本尺寸和細(xì)部構(gòu)造見(jiàn)圖2，其各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1中。

試驗(yàn)加載裝置如圖3所示，首先在柱頂施加豎向力(對(duì)于帶斗栱檐柱需在斗栱上施加配重)，再施加柱端水平反復(fù)荷載，以此模擬檐柱的實(shí)際受力狀況。

加載制度為荷載-位移混合控制。屈服前，按荷載控制，以10 kN為增量遞增且循環(huán)1次，屈服后采用位移控制，按屈服位移的倍數(shù)遞增且循環(huán)3次，直至不適于繼續(xù)加載的變形時(shí)，停止加載。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞特征對(duì)比分析

2.1 加載破壞過(guò)程

(1) EC1、EC3系列試件破壞過(guò)程對(duì)比分析

試件EC1-1在Δ=-58 mm時(shí)，櫨斗焊縫開裂；在Δ=-160 mm時(shí)，方鋼管柱根部翼緣發(fā)生局部屈曲，之后此處熱影響區(qū)母材開始開裂；而試件EC3-1直至試驗(yàn)結(jié)束，未出現(xiàn)局部屈曲及開裂。

(e) EC 1和EC 3系列

(f) EC 2和EC 4系列

(g) EC1和EC3系列試件照片

(h) EC2和EC4系列試件照片

1.反力墻；2.反力鋼架；3.反力梁；4.作動(dòng)器；5.1 000 kN千斤頂；6.地梁；7.試件；8.配重

圖3 試驗(yàn)加載裝置圖
Fig.3 Test set-up

試件EC1-2在Δ=-50 mm時(shí)，櫨斗焊縫開裂，在Δ=130 mm時(shí)，方鋼管柱根部發(fā)生屈曲；而試件EC3-2在Δ=30 mm時(shí)，方鋼管柱根部發(fā)生屈曲。

(2) EC2、EC4系列試件破壞過(guò)程對(duì)比分析

試件EC2-1在Δ=-30 mm時(shí)，櫨斗焊縫開裂；在Δ=50 mm時(shí)，方鋼管柱根部開始發(fā)生屈曲，之后此處母材開始開裂；而試件EC4-1在P=70 kN時(shí)，方鋼管柱根部母材開裂，在Δ=90 mm時(shí)，根部裂縫貫通。

試件EC2-2在Δ=-20 mm時(shí)，櫨斗焊縫開裂，在Δ=45 mm時(shí)，方鋼管柱根部發(fā)生屈曲；而試件EC4-2在P=60 kN時(shí)，方鋼管柱根部母材逐漸開始開裂，在Δ=80 mm時(shí)，其根部裂縫貫通。

各試件的破壞形態(tài)見(jiàn)圖4。

2.2 檐柱破壞機(jī)理分析

因檐柱連接內(nèi)加焊有水平加強(qiáng)環(huán)和豎向加勁肋，其剛度遠(yuǎn)大于檐柱其他部分，除此之外，檐柱其他部分剛度再無(wú)明顯突變，致使截面突變處方鋼管柱根部(包括櫨斗)成為試件的薄弱部位。

(1) EC1和EC2系列試件

試件的傳力路徑為：方鋼管柱頂部→斗栱和方鋼管柱→櫨斗和方鋼管柱根部→圓鋼管柱。在方鋼管柱根部，櫨斗和方管柱一起承載著截面應(yīng)力，同時(shí)因櫨斗厚寬比較方鋼管柱的小，櫨斗截面的抗彎剛度也較方鋼管柱小，因此櫨斗在截面剪力、軸力和彎矩共同作用下其變形較方鋼管柱根部的大，破壞較早；之后，因櫨斗承載的復(fù)合應(yīng)力相對(duì)較小，不利于方鋼管柱根部繼續(xù)受力，所以在加載末期，方鋼管柱根部局部屈曲、此處母材開裂。

(a) EC3-1未出現(xiàn)破壞(b) EC1-1櫨斗開裂(c) EC4-1局部屈曲(d) EC1-2局部屈曲(e) EC4-2母材開裂(f) EC2-1局部屈曲

圖4 破壞形態(tài)
Fig.4 Failure pattern of specimens

(2) EC3和EC4系列試件

試件的傳力路徑為：方鋼管柱頂部→方鋼管柱→方鋼管柱根部→圓鋼管柱。方鋼管柱根部在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，應(yīng)變較大，最終根部母材開裂。

因此，斗栱體系的存在，不僅改變了鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的傳力機(jī)理，也使其破壞形態(tài)產(chǎn)生了明顯差異。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線和骨架曲線

試件主要試驗(yàn)結(jié)果列于表2中，選取試件EC1-2、EC3-2和EC2-2、EC4-2柱端水平荷載-位移滯回曲線及各試件骨架曲線進(jìn)行分析，如圖5所示。

由圖5和表2可知：

(1) 加載初期，荷載隨位移變化基本呈線性增加，幾乎不產(chǎn)生殘余變形；之后，趨于飽滿，體現(xiàn)了優(yōu)越的耗能性能。

(2) 試件EC3-2、EC4-2滯回曲線基本呈對(duì)稱分布，而試件EC1-2、EC2-2滯回曲線對(duì)稱性較差，主要原因是斗栱的存在使試件EC1-2、EC2-2成為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此其焊縫布置也不對(duì)稱，焊縫改變了施焊處周圍鋼材的材性，試件在對(duì)稱的柱端荷載作用下的側(cè)向剛度差異較大，而試件EC3-2、EC 4-2是完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，柱端水平荷載也完全對(duì)稱，因此其滯回曲線基本對(duì)稱。

表2 主要試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results

(3) EC1、EC2系列和EC3、EC4系列相比，后者破壞段不明顯。這是由于在加載后期，帶斗栱檐柱根部方鋼管柱明顯屈曲、焊縫完全開裂，使其承載力急劇下降，試件滯回曲線出現(xiàn)了明顯的下降段；而不帶斗栱檐柱根部方鋼管柱拉裂，其裂縫寬度和長(zhǎng)度均較帶斗栱檐柱的不顯著，因此在相鄰各級(jí)加載期，不帶斗栱檐柱的承載力未出現(xiàn)大幅度下降，試件骨架曲線下降的幅度較小。

(4) 試件明顯破壞前，EC1和EC2系列的剛度平均值和承載力平均值分別比EC3和EC4系列的大94.2%、27.4%，主要是因?yàn)檎麄€(gè)斗栱體系相當(dāng)于一個(gè)側(cè)向支撐附加于檐柱之上，使帶斗栱檐柱的抗側(cè)剛度和承載力有了顯著提高。

(5) EC1、EC3系列和EC2、EC4系列相比，后者(長(zhǎng)細(xì)比小)的剛度和承載力提高的幅度較大。EC1系列的剛度Ky、Ku平均值分別比EC3系列的大24.1%、90.6%，EC2系列的剛度Ky、Ku平均值分別比EC4系列的大81.4%、180.5%；EC1系列的屈服荷載和極限荷載平均值較EC3系列的大23.5%、18.0%，EC2系列的屈服荷載和極限荷載平均值較EC4系列的大37.9%、29.9%，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，長(zhǎng)細(xì)比愈小，斗栱對(duì)鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的剛度和承載能力的貢獻(xiàn)愈大。主要原因是EC2系列方鋼管柱截面尺寸較EC1系列的小，其方鋼管柱壁厚也較小，在斗栱體系厚度一定的情況下，EC2系列試件櫨斗厚度與方鋼管柱厚度的比值較EC1系列試件的大，斗栱系統(tǒng)的存在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檐柱抗側(cè)剛度和承載力的提高更顯著。

(a) EC 1-2

(b) EC 3-2

(c) EC 2-2

(d) EC 4-2

(e) EC 1和 EC 3

(f) EC 2和EC 4

3.2 剛度退化

試件剛度退化[9]曲線如圖6所示。由圖可知，各試件剛度均有一定程度的退化，其退化規(guī)律相似，即在檐柱剛屈服后，剛度衰減較明顯，之后，趨于平緩。

(a) EC 1-1和EC 3-1

(b) EC 1-2和EC 3-2

(c) EC 2-1和EC 4-1

(d) EC 2-2和EC 4-2

由圖6可知：

(1) 對(duì)比EC1系列和EC3系列試件可知，正向加載時(shí)，EC1-1、EC3-1和EC1-2、EC3-2的剛度退化曲線幾乎重合，負(fù)向加載時(shí)，EC1-1、EC3-1和EC1-2、EC3-2的剛度退化曲線基本平行，主要是由在櫨斗厚寬比較小時(shí)，斗栱體系使帶斗栱檐柱成為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，焊縫的不對(duì)稱布置使斗栱對(duì)帶斗栱檐柱正向剛度的提高較小而對(duì)其負(fù)向剛度的提高較大造成的。

(2) 對(duì)比EC2系列和EC4系列試件可知，試件破壞前，EC2-1、EC4-1和EC2-2、EC4-2的剛度退化曲線基本平行，這是因?yàn)樵跈径泛駥挶容^大時(shí)，斗栱對(duì)帶斗栱檐柱抗側(cè)剛度有顯著提高。

(3) EC2和EC4系列試件剛度退化較EC1和EC3系列試件明顯，表明長(zhǎng)細(xì)比對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檐柱剛度退化起著主導(dǎo)作用。

(4) EC1和EC2系列試件剛度退化較EC3和EC4系列試件明顯，由此可見(jiàn)，斗栱對(duì)鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的剛度退化有一定影響，使帶斗栱檐柱的剛度退化更顯著。

3.3 強(qiáng)度退化

各試件強(qiáng)度退化[10]曲線如圖7所示。

(a) EC1和EC3系列(b) EC2和EC4系列

圖7 強(qiáng)度退化曲線
Fig.7 Curves of strength degradation

分析可得，塑性階段初期，EC1、EC2系列和EC3、EC4系列試件的同級(jí)承載力退化趨勢(shì)基本相似，退化程度不明顯，說(shuō)明斗栱的存在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檐柱塑性階段初期的承載力退化影響不明顯；試件完全進(jìn)入塑性階段后，各組試件的強(qiáng)度退化程度差異較大，主要是因?yàn)槎窎淼拇嬖谑归苤钠茐男螒B(tài)發(fā)生了改變，并對(duì)其承載力有顯著的影響，進(jìn)而影響了其強(qiáng)度退化的程度。EC2系列和EC4系列試件強(qiáng)度退化較EC1系列和EC3系列試件明顯，EC1系列試件強(qiáng)度退化較EC3系列試件明顯，試件EC2系列和EC4系列相比兩者的強(qiáng)度退化相當(dāng)，說(shuō)明隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，斗栱的存在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檐柱強(qiáng)度退化的影響越不明顯。

3.4 延性與耗能性能

各試件的延性可通過(guò)位移延性系數(shù)μ=Δm/Δy來(lái)描述[11]，利用試驗(yàn)結(jié)果算得μ值列于表3中，各試件的μ值隨試件軸壓力系數(shù)變化的分布圖如圖8所示，μ介于3.0～5.1，平均值為4.3，表明仿古建筑鋼結(jié)構(gòu)檐柱屈服后承受變形的潛能大，在試件完全破壞之前，鋼材的塑性已充分發(fā)展。EC1系列與EC3系列相比，其延性系數(shù)的平均值基本相等，EC2系列與EC4系列相比，后者的延性系數(shù)增大26.4%，說(shuō)明斗栱的存在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檐柱的延性有一定減弱作用，且隨著櫨斗厚度與方鋼管柱厚度比值的增大，斗栱對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檐柱延性的削弱作用不斷增強(qiáng)。

表3 耗能指標(biāo)Tab.3 Index of dissipation

圖8 試件延性與軸壓力系數(shù)的變化曲線Fig.8 Distributions of displacement ductility

試件在各特征點(diǎn)處的耗能指標(biāo)he—等效黏滯阻尼系數(shù)已列于表3中，各試件的耗能指標(biāo)隨位移變化的關(guān)系曲線如圖9所示。

(a) EC1和EC3系列(b) EC2和EC4系列

圖9 試件耗能指標(biāo)與位移的變化曲線
Fig.9 Curves of energy dissipation

由圖9和表3可知，進(jìn)入位移控制階段，隨著試驗(yàn)的繼續(xù)，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱(EC3-1試件除外)的耗能指標(biāo)增大。對(duì)比EC1、EC2系列和EC3、EC4系列試件可知，屈服荷載時(shí)，EC1、EC2系列較EC3、EC4系列耗能指標(biāo)大，表明此時(shí)EC1、EC2系列耗能性能較EC3、EC4系列的好，主要是因?yàn)镋C1、EC2系列斗栱處首先屈服，有利于檐柱屈服時(shí)的塑性發(fā)展；之后，EC1、EC2系列試件較EC3、EC4系列試件(EC3-1除外)耗能指標(biāo)小，是由帶斗栱檐柱在塑性階段后期方鋼管柱根部焊縫開裂及明顯屈曲，使滯回環(huán)包圍的面積急劇減少造成的，可知斗栱的存在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)檐柱的耗能能力有一定的影響。

4 有限元分析

4.1 有限元模型結(jié)構(gòu)建立

利用ABAQUS分析軟件建立與試驗(yàn)尺寸相同的有限元模型結(jié)構(gòu)，采用雙線性強(qiáng)化本構(gòu)模型結(jié)構(gòu)。有限元模型結(jié)構(gòu)的材性指標(biāo)由試驗(yàn)前制作的標(biāo)準(zhǔn)試樣通過(guò)材性試驗(yàn)獲得；選取S4R殼單元。為便于分析，整個(gè)有限元模型結(jié)構(gòu)由幾個(gè)部分通過(guò)Tie連接而成，詳見(jiàn)圖10。

(a) EC1系列模型結(jié)構(gòu)(b) EC3系列模型結(jié)構(gòu)(c) EC2系列模型結(jié)構(gòu)(d) EC4系列模型結(jié)構(gòu)

圖10 試件三維有限元模型結(jié)構(gòu)
Fig.10 Finite element models

4.2 分析結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證所建立模型結(jié)構(gòu)的合理性和準(zhǔn)確性，對(duì)各模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，各模型結(jié)構(gòu)采用和試驗(yàn)一致的邊界條件及加載方式。各模型結(jié)構(gòu)在峰值點(diǎn)處的主要分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況列于表4中。

4.3 櫨斗厚寬比對(duì)鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱力學(xué)性能的影響分析

在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，保持其他參數(shù)不變，改變櫨斗厚寬比t/b，研究其對(duì)檐柱力學(xué)性能的影響。

模型結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見(jiàn)圖11和表5，試件承載能力隨櫨斗厚寬比變化的關(guān)系曲線如圖12所示，由此可知：櫨斗厚寬比的變化對(duì)試件位移延性的影響相對(duì)較小，而對(duì)試件剛度和極限承載能力的影響相對(duì)較大，即當(dāng)櫨斗厚寬比的增大時(shí)，在不明顯降低鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱延性的前提下，斗栱可明顯提高檐柱的剛度和承載能力。

(1) 櫨斗厚寬比越大，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱承載能力越大。與EC1-0試件相比，寬厚比分別為0.007、0.011、0.015、0.020、0.024時(shí)極限荷載分別增大32.9%、37.0%、87.7%、95.9%、100%，增幅依次是

表4 主要試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of test results and FEA results

圖11 不同t/b時(shí)的荷載位移曲線Fig.11 P-Δ curves of different Lu Dou thickness

表5 不同t/b模型計(jì)算結(jié)果Tab.5 Results of models with different width-thickness ratio

圖12 t/b對(duì)檐柱承載力的影響Fig.12 Influence of width-thickness ratio on P-t/b curves

4.1%、50.7%、8.2%、4.1%，增幅先增大后減小，說(shuō)明櫨斗厚寬比越大，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的極限承載能力也越大。櫨斗厚寬比越大，櫨斗對(duì)鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的剛度貢獻(xiàn)越大。試件在特征點(diǎn)處的剛度Ky分別增大17.6%、18.8%、29.5%、33.6%、36.3%，增幅依次是1.2%、10.7%、4.1%、2.7%，增幅先增大后減小；試件在特征點(diǎn)處的剛度Ku分別增大32.7%、36.9%、87.5%、95.7%、99.8%，增幅依次是4.2%、50.6%、8.2%、4.1%，增幅先增大后減??；說(shuō)明隨櫨斗厚寬比的增大，試件在特征點(diǎn)處剛度越來(lái)愈大。綜上所述，櫨斗厚寬比大于0.015時(shí)，隨厚寬比的增大，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱剛度和承載力增幅減小，厚寬比介于0.011～0.015時(shí)，當(dāng)寬厚比增大時(shí)，試件剛度和承載力的增幅最大。

(3)t/b越大，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱剛度越大，其位移延性有一定程度的降低。與EC1-0試件相比，寬厚比分別為0.007、0.011、0.015、0.020、0.024時(shí)試件位移延性系數(shù)分別減小0、4.7%、25.4%、26.8%、28.1%，表明在不明顯降低鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱延性的前提下，斗栱可明顯提高檐柱的剛度和承載能力。

5 結(jié) 論

通過(guò)8個(gè)縮尺比為1∶1.5的鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的試驗(yàn)研究及有限元分析結(jié)果，可得以下結(jié)論：

(1) 斗栱作為鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑中的標(biāo)志性構(gòu)件，不僅改變了鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱的傳力途徑及其破壞形態(tài)，同時(shí)起到很好的裝飾性作用。

(2) 在不明顯降低(平均降低8.5%)鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑檐柱延性的基礎(chǔ)上，斗栱使檐柱的剛度和承載能力分別提高了41.8%和79.8%。

(3) 隨著長(zhǎng)細(xì)比的減小，斗栱對(duì)檐柱剛度退化及強(qiáng)度衰減的影響變大。試件破壞時(shí)，EC1系列的剛度與初始剛度的比值、承載力降低系數(shù)較EC3系列的分別減小8.5%、9.9%，而EC2系列的剛度與初始剛度的比值、承載力降低系數(shù)較EC4系列的分別減小10.7%、12.5%。

(4) 櫨斗厚寬比由0增大到0.024時(shí)，模型結(jié)構(gòu)在極限點(diǎn)處的剛度和承載力分別增大100.0%和99.8%，其位移延性下降28.1%。