雀替型阻尼器加固箍头榫木框架结构的抗震性能_陈庆军.pdf

第 51 卷 第 4 期2023 年 4 月华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）Vol.51 No.4April 2023雀替型阻尼器加固箍头榫木框架结构的抗震性能陈庆军1，2 李冰州2 陈奕年2 邱智育2 蔡健1，2 何岸2（1.华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 510640；2.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640）摘要：为研究广府古建筑木结构的抗震性能及加固方法，采用菠萝格木材，设计并制作了两榀不同结构形式的典型广府木祠堂箍头榫框架，提出并制作了用于木结构榫卯节点加固的雀替型阻尼器，对雀替型阻尼器加固前后的木框架进行低周往复荷载试验，研究结构的抗震性能及阻尼器的加固效果。研究结果表明：阻尼器可以弥补初次加载产生的损伤，在转角不大时给残损的榫卯节点提供较高的初始刚度，并在榫卯节点自身开始闭合时与之协同受力，提高节点刚度、极限承载能力和耗能能力，使得加固试件的极限承载能力高于未加固试件；未加固试件经过加载，出现了榫卯脱离、榫卯局部压屈现象，加固试件的破坏形式主要为榫卯脱离、榫卯局部压屈和竖向顺纹劈裂裂缝；各节点的滞回曲线呈现明显的“捏缩”现象，榫卯节点强度退化系数均大于0.83，在循环荷载作用下表现出稳定的承载性能，随节点转角的增大，各节点的环线刚度、等效粘滞阻尼系数呈现逐渐减小并趋于稳定的趋势；边跨框架试件节点的等效粘滞阻尼系数逐渐稳定于0.10.2，而中跨框架试件节点的等效粘滞阻尼系数逐渐稳定于0.050.1，且经过阻尼器加固，边跨框架与中跨框架试件的总滞回耗能分别提高了67%和19%。关键词：木结构；箍头榫节点；雀替型阻尼器；节点加固；抗震性能中图分类号：TU318文章编号：1000-565X（2023）04-0009-12广府古建筑木结构有着悠久的历史，是中国乃至世界建筑艺术中的宝贵遗产。榫卯连接是古建筑木结构节点的主要连接方式之一，具有典型的半刚性连接特性，耗能能力较好1。通过对木结构古建筑震害的调研发现，节点拔榫、松动是其破坏的主要表现2-3。因此，研究受损古建筑木结构榫卯节点的抗震性能及加固方法，具有重要的工程实践和理论研究意义。不少学者对榫卯节点加固方法进行了研究。周乾等4通过试验研究了木榫卯节点加固方法，发现钢箍加固优于CFRP布加固、CFRP布加固优于马口铁加固。潘毅等5对扁钢和阻尼器加固的直榫节点进行了数值分析，结果表明扁钢加固在加大节点刚度的同时易导致相邻节点发生拔榫破坏；阻尼器加固可在不增大节点刚度的同时减轻结构的地震响应并防止拔榫。孙文等6、王建省等7对碳纤维布加固的榫卯节点进行了试验研究，结果表明碳纤维布具有较好的加固效果。黄才茂8通过试验及有限元模拟，研究了CFRP加固及节点尺寸参数对残损箍头榫节点抗震性能的影响。薛建阳等9进行了角钢加固十字形半榫节点的抗震试验，还对形状记忆合金（SMA）阻尼器加固10的榫卯节点进行试验，doi：10.12141/j.issn.1000-565X.220160收稿日期：20220325基金项目：广东省自然科学基金资助项目（2021A1515012603）Foundation item：Supported by the Natural Sciences Foundation of Guangdong Province（2021A1515012603）作者简介：陈庆军（1975-），男，博士，教授，主要从事木结构、混凝土结构等研究。E-mail：通信作者：何岸（1989-），男，博士，副教授，主要从事组合结构、木结构结构等研究。E-mail：第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）提出了 SMA 阻尼器加固节点的弯矩-转角关系模型。陆伟东等11-12对含耗能雀替的榫卯节点和含内嵌卯口耗能器的榫卯节点进行了试验，结果表明耗能雀替和内嵌卯口耗能器可有效提升榫卯节点的抗震性能。聂雅雯等13对阻尼器加固的燕尾榫节点进行了试验研究，结果表明安装阻尼器对节点的抗震性能有显著的增强作用。贺俊筱等14通过足尺试验研究了木楔加固对带缝隙透榫节点的性能影响。以祠堂建筑为代表的广府古建筑木结构在构造上选用独具特色的插梁式构架，同时采用箍头榫、直榫等多种榫卯节点，木材用料多选用强度较高的菠萝格、坤甸木、柚木、花梨木等珍贵木材。现有研究关注了燕尾榫、直榫、透榫等木结构榫卯节点的加固方法及加固节点的抗震性能，但对于广府古建筑箍头榫木结构的加固研究较少。文中通过两榀典型箍头榫框架加固前后的往复荷载试验，研究附加雀替型阻尼器对箍头榫木框架结构抗震性能的影响；以期完善广府古建筑木结构抗震性能理论体系，推动广府木结构古建筑的修缮工作。1试验概况1.1试件设计本研究根据图1所示的典型广府古建筑木结构模型，以1 2.7的缩尺比例设计了两榀菠萝格木框架试件，其中试件S1为边跨框架，试件S2为中跨框架，试件节点构造如图2所示。试件的主要参数见表1，试件S1、S2的尺寸构造见图3、图4。对试件S1、S2进行水平低周往复荷载试验到一定程度后复位，采用雀替型阻尼器进行节点加固后重新进行试验，加固后的试件命名为 JGS1 和JGS2。1.2材料性能根据相关规范15-21的要求，对试验用的菠萝格木材进行物理力学性能试验，测得菠萝格物理力学性能（12%含水率调整值）如表2所示。对阻尼器采用的丁基橡胶进行拉伸与剪切试验，测得拉伸弹性模量均值为1.79 MPa，剪切持荷1 200 s时，试件应力平均值为原应力值的61.06%。1.3阻尼器设计中国古木结构有雀替这一建筑元素，如图5（a）所示。雀替常设置于梁柱节点，既可作为建筑装饰，也有减小梁净跨，提高梁抗剪强度和节点抗弯刚度，增强木构架整体性和稳定性的作用。本研究采用自主研制的钢板-橡胶组合雀替型阻尼器对榫卯节点进行加固，加固中阻尼器与梁柱的连接仅采箍头榫箍头榫箍头榫箍头榫或直榫 图1典型广府古建筑木结构示意图Fig.1Schematic diagram of typical Guangfu ancient timber structure model 木柱（a）箍头榫节点（b）直榫节点木梁塞木 木梁木柱图2试件节点构造Fig.2Details of specimen joints表1试件主要参数Table 1Main parameters of specimens试件编号S1JGS1S2JGS2梁高/mm100100130130梁榫宽/mm55556060梁净跨/mm8208201 7591 759柱高/mm1 7501 7502 2102 210柱直径/mm左117117150150右150150150150节点形式左箍头榫箍头榫箍头榫箍头榫右直榫直榫箍头榫箍头榫阻尼器无有无有10第 4 期陈庆军 等：雀替型阻尼器加固箍头榫木框架结构的抗震性能用钢夹件或者套件，对原结构无损伤，加固件兼顾力学性能及美观性。加固节点构造见图5（b）。雀替型阻尼器的构造见图6，包括丁基橡胶、剪切钢板、连接件、螺栓，其中，中心剪切钢板通过连接套筒与柱进行连接、两侧的剪切钢板通过连接钢板与梁进行连接，剪切钢板间设置丁基橡胶。当梁柱发生相对转角时，中心剪切钢板和两侧剪切钢板发生相对转动，使得丁基橡胶发生相对的剪切变形并耗能。对雀替型阻尼器进行往复荷载试验。试件构造如图7（a）所示，剪切钢板及约束钢板仅作为固定及连接构件，耗能部件包含两块剪切钢板和30 mm厚的丁基橡胶，其尺寸和材料均与后续框架试验中采用的雀替型阻尼器一致。加载装置如图7（b）所示，悬挂重物 1.25 kN悬挂重物 8.75 kN悬挂重物5 kN1503003001001178201500010010071117箍头榫节点直榫节点 图3试件S1尺寸构造示意图（单位：mm）Fig.3Dimensions and details of specimen S1（Unit：mm）表2菠萝格木材物理力学性能（12%含水率）Table 2Physical and mechanical properties of Merbau（with 12%moisture content）MPafLt274.8fLc99.6fRc21.5fTc21.1fLm175.3ELc26 992ERc1 442ETc1 471ELm20 587注：f为强度，E为弹性模量，下标R、T和L分别代表木材径向、弦向和纵向，下标t、c、m和s分别代表受拉、受压、受弯和受剪。图5节点加固中的雀替元素Fig.5Queti element in the strengthened joint图6雀替型阻尼器尺寸及构造（单位：mm）Fig.6Structural details of Queti-type damper（Unit：mm）悬挂重物6.25 kN6.25 kN悬挂重物 5 kN悬挂重物悬挂重物 5 kN15015054120310014001 759400129141129141箍头榫节点箍头榫节点 图4试件S2尺寸构造示意图（单位：mm）Fig.4Dimensions and details of specimen S2（Unit：mm）11第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）对试件施加竖向往复荷载，试验加载制度见图7（c），试验结果见图7（d）。其中阻尼器节点弯矩M=PL，P为阻尼器受到的竖向外力，L为阻尼器所受竖向外力至阻尼器转动轴的水平距离。加载过程中，阻尼器转角达到 0.067 rad 时，橡胶脚部与钢板产生局部剥离，当阻尼器转角超过0.107 rad后，橡胶与钢板方才完全脱开。试验说明阻尼器在节点产生较大的转角时能正常工作。由图7（d）可知，阻尼器具有一定的耗能能力，其加载初始刚度较大，后随加载的进行刚度略有降低。1.4加载方案及测量方案广府古木结构中柱子往往浮搁于柱石基础之上，对于此类支座，文献 22 认为古木结构柱子与基础的连接近似于铰接。对于此类支座，现有的试验研究方法有两种：一种是将柱子直接浮搁于基础之上4，另一种是采用将木柱柱脚套入与地槽铰接的钢柱帽的连接方式1-2，6，22-23。文中采用了后一种连接形式，试验加载装置及位移计布置如图 8所示。本次试验采用悬挂重物的方式在梁跨和柱顶施加可水平移动的恒定竖向荷载，使用两根方管组成的卡槽限制框架平面外位移，使用MTS作动器夹紧木框架从而在梁端施加往复水平荷载。作动器推出和拉回方向分别定义为正向和负向加载。在柱子离柱脚 300 mm高处布置了位移计 D1、D2，用于分析柱转角，在左侧梁端设置位移计D3测量木框架的水平位移。为分析节点转动角度对梁、柱端受力的影响，在梁柱节点内侧设置拉线位移计D4和D5，并利用三角形边长公式计算转角，规定节点转角增大为负，减小为正。图7阻尼器性能试验及试验结果Fig.7Damper performance test and test resultsD1D2D3MTS作动器D4拉线位移计D5拉线位移计300300300300300300 图8加载装置图（单位：mm）Fig.8Test setup of the specimen（Unit：mm）12第 4 期陈庆军 等：雀替型阻尼器加固箍头榫木框架结构的抗震性能该结构为超静定结构，为获取往复荷载下榫卯节点弯矩与转角关系，对结构内力进行分析，得到的弯矩图见图9。假定左柱脚支座对结构产生了 F的侧向力，其中，为左柱脚支座对柱脚产生的侧向力与结构顶部受到的侧向力的比值，则节点弯矩为MA=FHL+FH=FH()L+=FH（1）MB=FHL-(1-)FH=FH()L+-1=FH（2）式中：L为框架跨度；H为变形后的框架高度，文中取H=Hcos，H为柱高，为节点转角；F为框架所受往复荷载；为节点水平位移；定义参数=/L+、=/L+-1。根据变形协调条件，可求得值：=0.5-L+I