低周反復(fù)荷載下木構(gòu)架性能試驗(yàn)研究

低周反復(fù)荷載下木構(gòu)架性能試驗(yàn)研究

木構(gòu)架-加固研究中國古建筑結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)之一是框架和其他結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)由立柱和前額框架組成，不需要鐵釘?！懊笔侵冈谀緲?gòu)件上挖出的洞眼,“榫”則是在木構(gòu)件上留下的準(zhǔn)備插入卯的端頭,這種連接方式使得各節(jié)點(diǎn)剛?cè)嵯酀?jì),具有一定的抗彎能力及良好的耗能能力。但由于榫卯節(jié)點(diǎn)特殊的連接方式,在水平地震作用下,木構(gòu)架容易出現(xiàn)局部拔榫、節(jié)點(diǎn)松脫現(xiàn)象,使得整體或局部構(gòu)架歪閃傾斜,如應(yīng)縣木塔的現(xiàn)狀。因此古建木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)及其加固的研究已迫在眉睫,對古建木結(jié)構(gòu)的維修加固具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)介紹了木構(gòu)架榫卯節(jié)點(diǎn)依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的修繕方法,但缺乏試驗(yàn)和理論依據(jù)。課題組曾利用扁鋼對榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固,通過縮尺比例為1/3.52的二等宮殿當(dāng)心間模型進(jìn)行了振動臺試驗(yàn)研究,對模型加固前后的各種動力特性進(jìn)行了測試、分析,認(rèn)為榫卯節(jié)點(diǎn)經(jīng)扁鋼加固后可以提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度,但沒有得到榫卯節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和剛度變化規(guī)律。文獻(xiàn)提出采用FRP材料加固古建筑木結(jié)構(gòu)。唐宋時期是木結(jié)構(gòu)的鼎盛時期,宋代的做法最具代表性,因而本文按宋《營造法式》中的做法,選用二等材殿堂式構(gòu)架的主要承重柱(檐柱)的柱架縮尺模型,進(jìn)行了未加固構(gòu)架、碳纖維布加固構(gòu)架和扁鋼加固構(gòu)架在水平低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究,得到了各個構(gòu)架的破壞特征、滯回曲線、骨架曲線、強(qiáng)度和剛度退化規(guī)律、變形及耗能等性能。1框架的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)1.1紅松模型的制作選用抗拉拔性能較好的燕尾榫,按照宋《營造法式》中的做法,以1∶3.52即1cm∶2分二(分二表示宋代二等材每份長度,相當(dāng)于現(xiàn)在的1.76cm)的縮尺比例,制作了3個相同的構(gòu)架模型,其中1個構(gòu)架的榫卯連接不緊密(模擬有損連接),另2個連接緊密,所有構(gòu)件均由古建木工師傅手工制作而成。構(gòu)件原形尺寸和模型尺寸如表1和圖1。材質(zhì)選用東北紅松新材,天然干燥一年期,其力學(xué)性能見表2。實(shí)際柱頭截面高出額枋頂面150mm以便施加水平荷載,所開卯口內(nèi)以榫形木塊填實(shí)。1.2碳纖維布加固方案采用碳纖維布和扁鋼兩種加固材料。2個扁鋼加固構(gòu)架為未加固構(gòu)架在試驗(yàn)完成之后的有損構(gòu)架,扁鋼采用3mm厚Q235鋼根據(jù)柱直徑和梁寬制作成U形,用木螺絲將其緊密固定在梁上。3個碳纖維布加固構(gòu)架中有1個為未加固構(gòu)架試驗(yàn)完成后的有損構(gòu)架,另2個為扁鋼加固構(gòu)架試驗(yàn)完成后的構(gòu)架,根據(jù)施工要求將加固用橫向碳纖維布(0.167mm厚)粘貼于梁柱,并粘貼2個豎向碳纖維布環(huán)箍以防止橫向碳纖維布在低應(yīng)力下就發(fā)生剝離破壞。構(gòu)架加固方案如表3和圖2。加固材料的部分性能指標(biāo)見表4。2加載方案和體積測量方案2.1加載豎向荷載(1)為模擬古建筑木結(jié)構(gòu)柱腳是擱置于柱礎(chǔ)上的特性,柱腳套于特制的鋼柱帽與地槽鉸接連接。(2)通過水平自由滑動千斤頂施加恒定豎向荷載。(3)為防止構(gòu)架向平面外側(cè)移,在梁的兩側(cè)布置了側(cè)向支撐。(4)由于構(gòu)架所能承擔(dān)的水平荷載較小而實(shí)驗(yàn)室沒有更小的作動器,因此采用變幅值位移控制加載。通過水平作動器施加反復(fù)荷載,每一級位移幅值下循環(huán)3次,在最后階段由于作動器的量程不夠,有的構(gòu)架只進(jìn)行重復(fù)荷載加載。加載示意圖見圖3。2.2柱、額、cfrp布及責(zé)鋼應(yīng)變的測量用位移計(jì)測量柱的側(cè)移和榫卯拔出量;用傾角儀測量柱額相對轉(zhuǎn)角;用電阻應(yīng)變片量測柱、額、CFRP布及扁鋼的應(yīng)變;用7V08數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)。3拱柱內(nèi)自動傾斜,支撐錨固端抗彎能力增加先通過工字鋼分載梁在兩個柱頭上各施加10kN的豎向荷載并保持不變,隨后通過作動器施加反復(fù)荷載,直至作動器最大行程。圖4為構(gòu)架的破壞情況。(1)破壞均發(fā)生在榫卯節(jié)點(diǎn),構(gòu)件梁柱完好無損。(2)對于榫卯連接不緊密的未加固構(gòu)架,在控制位移較小時,構(gòu)架基本不能承擔(dān)荷載,但隨著水平位移的增加,榫卯之間逐漸擠緊,隨后就與連接緊密的未加固構(gòu)架一樣,隨著位移幅值和循環(huán)的增加,榫卯之間擠壓變形加大并伴隨有“吱吱”聲,使得榫卯由緊變松,因此當(dāng)構(gòu)架回到豎直位置附近時,榫卯的抗彎能力明顯降低,甚至不能承擔(dān)豎向荷載偏心而引起的附加彎矩,從而構(gòu)架在偏離豎直位置后會出現(xiàn)自動傾斜的現(xiàn)象,但隨著構(gòu)架偏離豎直位置距離的加大,榫卯之間又變得緊密,抗彎能力增加。在加載的過程中,榫卯之間有一定的拔出,且拔出量隨位移幅值的增加而加大,但由于柱底支座的限制,榫卯的拔出主要是由于構(gòu)架傾斜導(dǎo)致榫卯轉(zhuǎn)動而引起榫頭上拔下壓或上壓下拔,榫頭的總體拔出量卻不大。(3)對于3個碳纖維布加固構(gòu)架,因構(gòu)架均為有損構(gòu)架,有2個構(gòu)架還是經(jīng)扁鋼加固后的二次加固,故加固構(gòu)架的榫卯之間發(fā)生了較大的擠壓變形,榫卯較為松動,而碳纖維布本身沒有剛度,只有當(dāng)榫卯發(fā)生轉(zhuǎn)動而引起榫頭拔出時,碳纖維布受力之后才能為榫卯的抗彎能力作貢獻(xiàn),因此構(gòu)架在偏離豎直位置后也會出現(xiàn)自動傾斜的現(xiàn)象,但隨著構(gòu)架偏離豎直位置距離的加大,榫卯拔出量增加,碳纖維布變形加大,榫卯抗彎能力增加。隨著位移幅值的增加,碳纖維布變形加大,由于碳纖維布粘貼處的柱額不在同一平面,受力之后會使得碳纖維布與額枋剝離,但碳纖維布受到環(huán)箍的約束,從而碳纖維布環(huán)箍受到剪力,導(dǎo)致環(huán)箍部分剪斷。另一方面,碳纖維布的變形也是不均勻的,上下邊緣纖維變形最大,因此最后破壞時碳纖維布上下邊緣纖維也有部分?jǐn)嗔选?4)對于2個扁鋼加固構(gòu)架,扁鋼本身有一定的剛度,因此榫卯在豎直位置處也有一定的抗彎能力。隨著位移幅值增加,扁鋼變形加大,同樣由于柱額不在同一平面,因此在靠近榫頭處的木螺絲有部分拔出。(5)在加荷載過程中,如果在半途開始卸載,模型并不會自動恢復(fù)其變形,而是會停在相應(yīng)位置,這是由于榫卯的彈性恢復(fù)作用不足以克服由于柱頭豎向荷載所引起的偏心使然,當(dāng)一個加載過程完成以后,必須反向施加更大的水平荷載,才能使得已發(fā)生較大側(cè)向變形的模型“回復(fù)”到初始位置。4試驗(yàn)結(jié)果及分析4.1滯回曲線分析構(gòu)架在水平荷載下的滯回曲線形狀是其抗震性能的一個綜合表現(xiàn),滯回環(huán)面積越大,表明構(gòu)架消耗地震能量的能力越強(qiáng),抗震性能越好。圖5為本次試驗(yàn)部分構(gòu)架實(shí)測的荷載-位移滯回曲線(最后重復(fù)荷載的曲線未畫出),從滯回曲線上可以看出以下幾個特點(diǎn)。(1)所有構(gòu)架的荷載-位移滯回曲線均有明顯的“捏縮”效應(yīng),說明榫卯之間在受力的過程中發(fā)生了較大的滑移,且滑移量隨位移幅值的增加而加大,這與榫卯的構(gòu)造特點(diǎn)是相符的:在榫卯轉(zhuǎn)角未超過前一次循環(huán)的最大轉(zhuǎn)角時,由于榫卯之間的擠壓變形,榫卯之間留有一定的空隙,榫卯較為松動,故要發(fā)生一段滑移之后直到榫卯之間又發(fā)生擠壓時荷載才能有較大的增加。對于扁鋼加固的構(gòu)架,一方面扁鋼本身具有一定的剛度,另一方面扁鋼在榫卯未擠壓時受到拉力后也能限制榫卯的轉(zhuǎn)動,因此其滯回曲線比未加固構(gòu)架更為飽滿。對于CFRP布加固的構(gòu)架,由于CFRP布在榫卯未擠壓時也能限制榫卯的轉(zhuǎn)動,但CFRP布本身不具有剛度,因此其滯回曲線的飽滿度介于未加固構(gòu)架與扁鋼加固構(gòu)架之間。(2)構(gòu)架的變形絕大部分為塑性變形。隨著變形的增加,荷載也增加,滯回曲線上升,達(dá)到控制位移時卸載,變形并不能恢復(fù),如要讓其恢復(fù)變形,必須反向加載,故滯回曲線卸載段基本上與縱坐標(biāo)平行,且恢復(fù)荷載在控制位移處最大,靠近豎直位置處最小。這是由于榫卯本身的恢復(fù)力很小,再加上豎向荷載的偏心而導(dǎo)致的。由于扁鋼具有一定的恢復(fù)力,因此扁鋼加固的構(gòu)架顯示了一定的彈性變形。而碳纖維布加固的構(gòu)架與未加固構(gòu)架有類似的特點(diǎn)。(3)隨著位移幅值的增加,榫卯剛度降低,但由于榫卯的變形性能很好,而實(shí)驗(yàn)室作動器的行程有限,因此沒有得到滯回曲線峰值點(diǎn)及骨架曲線的下降段。(4)在同一級位移控制下,后兩次循環(huán)的承載力和剛度基本一致,但比第一次循環(huán)有明顯的降低;如位移幅值增加一級,其滯回曲線第一循環(huán)的上升段將沿著前一級位移幅值的后兩次循環(huán)的滯回曲線發(fā)展,直到該級控制位移。這是因?yàn)槿我庖患壙刂莆灰频牡谝谎h(huán)在沒有超過前一級控制位移時,其擠壓變形與前一級控制位移一致,故滯回曲線也一致;一旦超過前一級控制位移,將會有新的擠壓變形發(fā)生,故其又能承擔(dān)更大的荷載;但第一循環(huán)之后,不可恢復(fù)的擠壓變形已經(jīng)發(fā)生,因此后兩次循環(huán)的強(qiáng)度和剛度會有明顯的下降。4.2未加固構(gòu)架和加固構(gòu)架的骨架曲線骨架曲線能夠反映構(gòu)架的極限承載力和變形能力。本次試驗(yàn)所得到未加固構(gòu)架和加固構(gòu)架的骨架曲線見圖6。從圖中可以看出,扁鋼加固構(gòu)架的強(qiáng)度和剛度得到了明顯提高,碳纖維布加固構(gòu)架的強(qiáng)度和剛度也比未加固構(gòu)架要大,特別是在水平位移較大時提高幅度更大。4.3次循環(huán)強(qiáng)度可能下降構(gòu)架強(qiáng)度的退化對其受力性能有很大的影響,強(qiáng)度退化得越快,則其繼續(xù)抵抗荷載的能力下降越快。當(dāng)構(gòu)架受到一定的地震作用后,其繼續(xù)抵抗地震作用的能力下降,導(dǎo)致在隨后不大的地震作用或大震之后的余震作用下可能使結(jié)構(gòu)變形加大,破壞加劇。從滯回曲線還可以看出,構(gòu)架的強(qiáng)度退化主要發(fā)生在第二次循環(huán),退化幅度較大,而第三次循環(huán)與第二次循環(huán)的強(qiáng)度基本一致,退化幅度很小;另一方面,其退化幅度隨著控制位移增加而加快;未加固構(gòu)架比扁鋼加固構(gòu)架的退化幅度要大得多。究其原因,是因?yàn)槟骋患壙刂莆灰葡碌牡谝淮窝h(huán)在超過前一級控制位移之后,榫卯之間的擠壓變形是第一次發(fā)生,且大部分不可恢復(fù),從而導(dǎo)致第二次循環(huán)強(qiáng)度明顯退化;由于擠壓變形主要發(fā)生在第一次循環(huán),故第三次循環(huán)的強(qiáng)度退化很小。4.4構(gòu)架剛度與位移的關(guān)系在位移不斷增大的情況下,剛度一環(huán)比一環(huán)減小,即剛度隨循環(huán)周數(shù)和控制位移增大而減小的現(xiàn)象稱為剛度退化。剛度退化反映了榫卯節(jié)點(diǎn)的損傷積累。構(gòu)架在反復(fù)荷載作用下,剛度可用割線剛度K來表示,按式(1)計(jì)算。圖7給出了各構(gòu)架剛度與位移的關(guān)系。式中:Pi為第i次峰點(diǎn)荷載;Δi為第i次峰點(diǎn)水平位移。從圖中可以看出,各構(gòu)架的剛度隨著位移的增加逐漸減小,但減小的幅度不是很大。3種構(gòu)架剛度對比可以發(fā)現(xiàn),扁鋼加固構(gòu)架剛度最大,未加固構(gòu)架最小,碳纖維布加固構(gòu)架居中,這是因?yàn)楸怃摫旧砭哂幸欢ǖ膭偠?而碳纖維布本身沒有剛度,且碳纖維布加固構(gòu)架為未加固構(gòu)架損壞之后的試件。4.5其他加固裝置的承載力結(jié)構(gòu)的耗能能力通常用等效黏滯阻尼系數(shù)he來衡量。等效黏滯阻尼系數(shù)越大,表明結(jié)構(gòu)的耗能能力越好,反之亦然。圖8為各構(gòu)架在不同控制位移下最后一次循環(huán)時的he。從圖中可以看出,未加固構(gòu)架的耗能性能最好,碳纖維布加固構(gòu)架次之,而扁鋼加固構(gòu)架的耗能性能最差。各構(gòu)架的等效黏滯阻尼系數(shù)隨著位移的增加而減小,并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殚久g的擠壓變形隨位移的增加而減小,而擠壓變形是榫卯的主要耗能途徑。4.6破壞力的特性在結(jié)構(gòu)的抗震性能中,延性是個重要的特性,它是指材料、截面、構(gòu)件或整個結(jié)構(gòu)的變形超過其彈性范圍以后在承載能力沒有顯著下降情況下承受變形的能力,也可以說是在破壞以前所能承受后期非彈性變形的能力。但對于木構(gòu)架來說,并沒有一個明確的屈服概念,因此用相對變形值來表示其變形能力,即極限位移與構(gòu)架高度的比值。由于作動器的限制,本次試驗(yàn)并沒有得到構(gòu)架的極限位移,甚至連極限荷載對應(yīng)的位移都沒有得到,因此本文用控制位移幅值120mm計(jì)算其相對變形值為120/1500=1/12.5,這是其他任何結(jié)構(gòu)無法比擬的,因此可以說由榫卯節(jié)點(diǎn)連接的木構(gòu)架具有非常好的變形性能。5碳纖維布加固前后各加固架構(gòu)的對比分析通過對榫卯連接的木構(gòu)架及其破壞后用扁鋼和碳纖維布加固的試驗(yàn)研究和對試驗(yàn)結(jié)果的初步分析,可得到以下結(jié)論。(1)加固構(gòu)架與未加固構(gòu)架的滯回曲線有明顯的不同。(2)各構(gòu)架的剛度隨著位移的增加逐漸減小,但減小的幅度不是很大;扁鋼加固構(gòu)架剛度較大,未加固構(gòu)架較小,碳纖維布加固構(gòu)架居中。(3)各構(gòu)架的等效黏滯阻尼系數(shù)