薛建陽，戚亮杰，隋龍?zhí)?，吳占景，許丹

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710055）

鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑雙梁柱中節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理

薛建陽，戚亮杰，隋龍?zhí)?，吳占景，許丹

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710055）

為研究鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑雙梁柱中節(jié)點(diǎn)的抗震性能，對4個全焊雙梁柱中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了水平低周反復(fù)加載試驗(yàn)。通過觀測試件在側(cè)向力作用下的受力過程和破壞形態(tài)，分析雙梁柱中節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理。根據(jù)梁截面形式的不同，將其分為箱型截面梁與工字型截面梁2類，依據(jù)仿古建筑獨(dú)特的構(gòu)造特點(diǎn)，將各試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)劃分為上、中、下3個區(qū)域。通過量測各區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變大小，分析該類結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)在側(cè)向力作用下的受理機(jī)理及破壞模式，并建立雙梁柱節(jié)點(diǎn)的斜壓桿受力模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：仿古建筑雙梁柱節(jié)點(diǎn)的破壞形式主要為沿下核心區(qū)對角線的剪切破壞，并通過理論計(jì)算分析提出一種考慮軸壓比與梁截面形式的雙梁柱中節(jié)點(diǎn)抗剪承載力修正公式。

仿古建筑；雙梁柱中節(jié)點(diǎn)；低周反復(fù)荷載；受力機(jī)理；抗剪承載力

中國傳統(tǒng)古建筑具有氣勢恢宏、造型優(yōu)美的特點(diǎn)，仿古建筑既繼承了古建筑的特點(diǎn)又與現(xiàn)代科技技術(shù)相結(jié)合，使結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)害能力和耐久性得到增強(qiáng)［1］?，F(xiàn)代仿古建筑主要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)為主，改變了傳統(tǒng)中國古建筑以木結(jié)構(gòu)為主的受力體系。目前，國內(nèi)外對鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的研究局限于常規(guī)節(jié)點(diǎn)和兩端梁截面形式不同或者不等高的異型節(jié)點(diǎn)［2-4］，對鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑的研究很少，尤其是對鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑框架結(jié)構(gòu)雙梁柱節(jié)點(diǎn)的研究幾乎沒有。

由于傳承中國傳統(tǒng)文化的需要，仿古建筑業(yè)快速發(fā)展，仿古建筑雙梁柱節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)區(qū)范圍比常規(guī)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)范圍要大，在設(shè)計(jì)時假定其受力特點(diǎn)和破壞形態(tài)與常規(guī)梁柱節(jié)點(diǎn)相同，并依據(jù)已有的規(guī)范和規(guī)程按常規(guī)梁柱節(jié)點(diǎn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)明顯不合理。因此，對仿古建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究十分必要。

通過對4個鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑雙梁柱中節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，觀測了該類型結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象及應(yīng)變分布，分析了這類節(jié)點(diǎn)的破壞模式、受力機(jī)理、剪切變形等，并建立了其抗剪承載力的計(jì)算公式，為鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑雙梁柱中節(jié)點(diǎn)在水平地震作用下的抗剪設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及材料屬性

仿古建筑有其獨(dú)特的建筑構(gòu)造形式，其雙梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)主要由檐柱、斗栱、闌額與由額等構(gòu)件組成［5］，如圖1所示，其不同于常規(guī)的梁柱節(jié)點(diǎn)形式。

本試驗(yàn)的試件參照典型仿古建筑工程的梁柱節(jié)點(diǎn)形式，共設(shè)計(jì)了4個雙梁柱節(jié)點(diǎn)試件，模型縮尺比例為1∶2。為研究構(gòu)件核心區(qū)的抗剪特性，構(gòu)件按照“強(qiáng)構(gòu)件弱節(jié)點(diǎn)”的原則［6］進(jìn)行設(shè)計(jì)。試件主要研究參數(shù)為試件軸壓比與梁截面形式，將其分為箱型截面梁柱節(jié)點(diǎn)（XL）系列和工字型截面梁柱節(jié)點(diǎn)（GL）系列，編號為XL-1、XL-2、GZ-1、GZ-2。其試件形式及尺寸如圖2所示。延續(xù)中國傳統(tǒng)建筑的圓柱特點(diǎn)，下部檐柱采用無縫圓鋼管，上部檐柱采用方形鋼管。試驗(yàn)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，鋼材力學(xué)性能參數(shù)見表2。

圖1 雙梁柱中節(jié)點(diǎn)形式Fig.1 Double beams-column inner joint

表1 試件主要參數(shù)Table1 Parameters of specimens

表2 鋼材力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Mechanic performance indexes

1.2 加載裝置及加載程序

試驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行，加載裝置如圖3。由液壓千斤頂對構(gòu)件柱頭施加豎向荷載到預(yù)定值，并在整個試驗(yàn)過程中保持恒定，由MTS水平作動器施加往復(fù)水平荷載。在試件屈服前采用力控制，每級荷載增量為30 k N；屈服后采用位移控制，以屈服時水平位移的倍數(shù)逐級遞增［7］，直至荷載下降到極限荷載的85%左右，試驗(yàn)結(jié)束。

圖2 試件尺寸Fig.2 Specimen sizes

圖3 加載裝置Fig.3 Loading device figure

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

1）在柱端水平力作用下，所有試件均最先在節(jié)點(diǎn)下核心區(qū)沿對角線方向發(fā)生屈服現(xiàn)象，隨著加載的進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)域下核心區(qū)的鋼管柱壁剪切變形范圍不斷向四周發(fā)展，如圖4。

圖4 下核心區(qū)剪切變形Fig.4 Shear deformation of the lower core zone

2）隨著水平荷載的不斷增大，由額下翼緣與下檐柱的連接焊縫最先拉裂，隨后上檐柱根部焊縫開裂。

3）試驗(yàn)過程中，所有試件的中核心區(qū)柱壁均發(fā)生不同程度的外鼓翹曲變形。

4）所有試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的塑性變形都較大，工字截面梁比箱型截面梁剪切變形更明顯，在設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮。

1.4 試件破壞模式分析

從試驗(yàn)現(xiàn)象看出，節(jié)點(diǎn)下核心區(qū)鋼管柱壁為剪切破壞。節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受力狀態(tài)比較復(fù)雜，其同時承受柱端彎矩、剪力、軸力和梁端彎矩、剪力的共同作用。當(dāng)柱端施加的水平荷載達(dá)到試件的屈服荷載時，節(jié)點(diǎn)下核心區(qū)沿兩對角方向鋼管柱壁（相當(dāng)于箱形柱的腹板范圍）發(fā)生斜向剪切變形，主應(yīng)力方向和水平方向約成45°夾角。隨著水平荷載的不斷增大，下核心區(qū)鋼管柱壁的剪切變形范圍不斷向四周發(fā)展。當(dāng)水平荷載加載到極限荷載時，下核心區(qū)鋼管柱壁沿對角線方向的應(yīng)變約為梁端應(yīng)變的5～8倍，且剪切變形十分明顯。

1.5 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形

因節(jié)點(diǎn)核心區(qū)相對較弱，梁端、柱端不會出現(xiàn)塑性變形，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)將承受梁端、柱端傳來的水平剪力與彎矩作用，產(chǎn)生相應(yīng)的剪切變形［7］。對本結(jié)構(gòu)來說，核心區(qū)轉(zhuǎn)角主要由核心區(qū)剪切變形引起的［8-9］。以工字截面梁試件GL-1為例，其下節(jié)點(diǎn)核心區(qū)在水平剪力作用下產(chǎn)生的剪力剪切變形滯回曲線如圖5所示。

圖5 下核心區(qū)剪力剪切變形滯回曲線Fig.5 Shear-shear deformation hysteretic loops in lower core zone

1）加載初期各核心區(qū)的剪力剪切變形曲線基本呈線性變化，隨著柱端水平荷載的增加，下核心區(qū)沿對角線方向屈服進(jìn)入塑性階段，剪力剪切變形滯回曲線較為飽滿，剪切變形發(fā)展較為充分，表現(xiàn)出良好的抗剪能力。

2）隨著加載的進(jìn)行，中核心區(qū)膨脹外鼓，表現(xiàn)出典型的受壓破壞特征，而上、下核心區(qū)受剪破壞特征明顯。主要是上、下核心區(qū)兩側(cè)均有梁端約束，在水平力作用下核心區(qū)承受左右兩側(cè)梁端彎矩及剪力作用，而中核心區(qū)由于沒有直接外部荷載及梁端傳來的彎矩和剪力作用，軸力導(dǎo)致的豎向影響較為明顯。

3）試驗(yàn)結(jié)束時，下核心區(qū)剪切角最大，約為0.012 0 rad；上核心區(qū)次之，中核心區(qū)最小，僅達(dá)到0.000 8 rad。由此可以看出，主要剪切變形發(fā)生在下節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，與試驗(yàn)現(xiàn)象一致。

2 核心區(qū)抗剪承載力計(jì)算

2.1 核心區(qū)受力機(jī)理分析

試驗(yàn)加載初期柱頂水平荷載位移曲線基本呈線性關(guān)系，節(jié)點(diǎn)域處于彈性受力狀態(tài)。在柱端施加水平拉力時，上、下核心區(qū)左側(cè)梁上部翼緣受拉，下部翼緣受壓；右側(cè)梁下部翼緣受拉，上部受壓，主拉應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)上、下核心區(qū)的對角線方向比較大，節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)部形成沿對角線的主壓力場［10］。箱形梁翼緣應(yīng)力傳遞給內(nèi)環(huán)板，再由內(nèi)環(huán)板傳遞給四周的鋼管柱壁［11］。中核心區(qū)因上核心區(qū)右側(cè)底部、左側(cè)上部受壓，形成與上、下核心區(qū)相反的主拉力場。由于沒有直接外部荷載作用及梁端傳來的彎矩和剪力，中核心區(qū)形成的壓力場較上、下核心區(qū)的壓力場作用相對較小。而在整個節(jié)點(diǎn)域的主壓應(yīng)力方向基本上成“S”形分布與反“S”形分布，稱此為雙梁柱斜壓桿受力機(jī)理模型。

2.2 抗剪承載力計(jì)算

為了分析的需要，取試件節(jié)點(diǎn)域的下核心區(qū)為隔離體，其上作用的荷載效應(yīng)如圖6所示，圖中表示節(jié)點(diǎn)上端、下端傳遞的軸力，V分別表示上下柱端作用于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪力與彎矩。T分別為左、右梁傳遞給節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的彎矩計(jì)算得到的等效拉力和壓力。在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)作截面I-I，并取其下部為隔離體，在水平方向由力的平衡可以得到作用在節(jié)點(diǎn)域的剪力Vj為：

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（1），可求得各試件節(jié)點(diǎn)下核心區(qū)的屈服剪力實(shí)測值Vt。

圖6 核心區(qū)受力簡圖Fig.6 Force diagram

式中：fy為核心區(qū)腹板材料的屈服強(qiáng)度；dc為柱截面的高度；db為梁截面的高度；bcf為柱翼緣的寬度；tw為核心區(qū)腹板的厚度；tcf為柱翼緣的厚度。

考慮到節(jié)點(diǎn)核心區(qū)橫截面為圓形截面，采用中國規(guī)范［13］對圓形截面等效為方形截面的計(jì)算方法，tcf仍取圓鋼管柱的壁厚，dc與bcf分別取為1.76 r和1.6 r，r為圓鋼管平均直徑的大小。經(jīng)系數(shù)歸并后，圓鋼管柱梁中節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力可按以下公式計(jì)算：

表3中列出了Vt與Vc的比值［14］，可以發(fā)現(xiàn)，各試件節(jié)點(diǎn)核心區(qū)屈服剪力的試驗(yàn)值比按式（3）計(jì)算的結(jié)果偏小。說明按AISC規(guī)范給出的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力計(jì)算公式對鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑中節(jié)點(diǎn)已不完全適用。經(jīng)過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)回歸分析，軸壓比對節(jié)點(diǎn)承載力的影響系數(shù)可表示為

其中：n為構(gòu)件的設(shè)計(jì)軸壓比，考慮梁截面形式對核心區(qū)約束效應(yīng)的不同，對箱型截面梁與工字截面梁的影響系數(shù)m分別取為0.9和1.05。這樣，得到仿古建筑雙梁柱節(jié)點(diǎn)抗剪承載力計(jì)算公式如下：

表3 下核心區(qū)抗剪承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值對比Table 3 Comparison of shear capacity between test and calculation of the lower core zone

3 結(jié) 論

通過對鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑雙梁柱中節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)荷載作用下抗震性能試驗(yàn)結(jié)果分析研究及理論研究，可以得到以下結(jié)論。

1）將鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑雙梁柱節(jié)點(diǎn)劃分為上、中、下3個小核心區(qū)，其主要剪切破壞發(fā)生在節(jié)點(diǎn)下核心區(qū)，中核心區(qū)主要發(fā)生受壓破壞。

2）在水平力作用下，上柱與檐柱之間的焊縫、由額與檐柱之間的焊縫較容易發(fā)生開裂現(xiàn)象，應(yīng)在設(shè)計(jì)時予以加強(qiáng)。

3）在水平荷載作用下，雙梁柱節(jié)點(diǎn)承受壓、彎、剪的復(fù)合受力形式，其受力機(jī)理為S形分布的斜壓桿機(jī)理。

4）基于試驗(yàn)結(jié)果和美國AISC-LRFD規(guī)范，建立考慮軸壓比和梁截面形式的鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑雙梁柱中節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

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（編輯 郭 飛）

Mechanical performance of the double beam-column inner joints in steel imitated ancient building

Xue Jianyang，Qi Liangjie，Sui Yan，Wu Zhanjing，Xu Dan

（College of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，P.R.China）

We carried out horizontal low cyclic loading tests of four all-welded double beam-column inner joints to study the seismic performance of the double beam-column inner joints of the steel intimated ancient building.We studied the mechanical performance of the double beam-column inner joints according to the loading process and failure pattern of the specimens under the action of lateral forces，and divided the double beam-columns into two kinds，which were the box section beam and I-shaped section beam，according to different section forms of beam.Based on unique structural features of the intimated ancient building，we divided the joint core area of each specimen into three regions，which were upper core zone，middle core zone and lower core zone.By measuring the shear strain within the scope of every area，we analyzed the mechanism performance and failure modes of the joints under lateral forces，and established the diagonal strut mechanism.The experimental results and theoretical analysis show thatthe failure mode of the double beam-column joints of the intimated ancient building is mainly for the shear failure along the diagonal of the lower core area.So we presented a modified formula of shear bearing capacity of double beam-column inner joints considering the axial compression ratio and the cross section of the beams.

imitated ancient building；double beam-column inner joints；low cyclic loading；mechanical performance；shear capacity

2015-11-10

National Natural Science Foundation of China（No.51208411），Technology Research Task of China State Construction Engineering Corporation（CSCEC-2012-Z-16）

TU391

A

1674-4764（2016）01-0017-06

10.11835／j.issn.1674-4764.2016.01.003

2015-11-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51208411），中建股份有限公司科技研發(fā)課題資助項(xiàng)目（CSCEC-2012-Z-16）

薛建陽（1970-），男，教授，博士（后），主要從事鋼結(jié)構(gòu)及鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)抗震性能研究，（E-mail）jianyang _xue＠163.com。

Author brief：Xue Jianyang（1970-），professor，post doctor，main research interests：seismic research of steel structures and steel-concrete composite structures，（E-mail）jianyang_xue＠163.com.