陳 明，邵斐璠

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

蒙古包是中國(guó)具有民族文化的傳統(tǒng)民居房屋，遷移性是蒙古族生活的特點(diǎn)，是蒙古包建筑的精髓。蒙古包主要由哈那(圍壁)、烏尼(頂桿)、陶腦(天窗)、烏德(門)和巴根(柱)等組成，如圖1所示。傳統(tǒng)的蒙古包主要靠哈那和烏尼來(lái)提供承載力，當(dāng)開間跨度較大時(shí)可適當(dāng)增加巴根，而傳統(tǒng)蒙古包的結(jié)構(gòu)基本上是柳木質(zhì)結(jié)構(gòu)，容易受潮變形腐爛，而且原料來(lái)源也越來(lái)越受限[1]。在現(xiàn)代，新型蒙古包建筑結(jié)構(gòu)類型層出不窮[2-4]，例如玻璃鋼結(jié)構(gòu)蒙古包、混凝土結(jié)構(gòu)蒙古包、鋼管焊接式等。隨著草原文化旅游的盛行，這些結(jié)構(gòu)不能滿足當(dāng)前草原旅游地區(qū)房屋大跨度、大空間、高承載力、可遷移改造的需求[5]以及國(guó)家綠色發(fā)展的要求。因此，基于冷彎型鋼的材料特性，提出了由冷彎薄壁C型鋼節(jié)點(diǎn)和單榀剛架組成的蒙古包結(jié)構(gòu)。在不改變蒙古族房屋造型特色的基礎(chǔ)上，通過熱軋鋼板和高強(qiáng)螺栓將冷彎薄壁型鋼建成性能更優(yōu)的空間鋼框架結(jié)構(gòu)，可提高傳統(tǒng)草原地區(qū)房屋抗震性能、內(nèi)部使用空間以及建造改造效率等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冷彎薄壁雙肢型鋼截面梁柱及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，周緒紅[6-8]采用試驗(yàn)和有限元方法分析了不同影響因子對(duì)冷彎薄壁卷邊槽鋼組合工字梁的受彎性能的影響，并提出了計(jì)算冷彎薄壁卷邊槽鋼組合工字梁極限承載力的有效寬度法和折減強(qiáng)度法。李元齊等[9-10]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)冷彎薄壁型鋼低層住宅能夠滿足抗震設(shè)防要求，并結(jié)合有限元模擬對(duì)結(jié)構(gòu)阻尼比的參數(shù)進(jìn)行分析認(rèn)為，多遇地震作用下阻尼比取0.03較為合適，罕遇地震作用下取0.03～0.05較為合適。CHUNG et al[11-12]對(duì)螺栓連接的冷彎C型鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)研究，認(rèn)為螺栓-鋼板連接形式具有較高的彎矩傳遞效率，并且可以在雙肢冷彎薄壁C型鋼節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)。陳明等[13-15]對(duì)帶墊板的雙肢冷彎薄壁C型鋼節(jié)點(diǎn)和單榀蒙古包剛架用試驗(yàn)和有限元模擬分析的方法分別進(jìn)行了承載力及抗震性能分析，得出該類節(jié)點(diǎn)和單榀蒙古包剛架具有良好的抗震性能，且單榀蒙古包剛架陶腦處的構(gòu)造形式可以有效地傳遞荷載。

圖1 傳統(tǒng)蒙古包

國(guó)內(nèi)外已有的研究成果為冷彎薄壁型鋼蒙古包結(jié)構(gòu)的提出與研究奠定了基礎(chǔ)。本文在之前研究的基礎(chǔ)上，將提出的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，并評(píng)價(jià)其受力性能，以期為該結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用和理論分析提供可靠依據(jù)。

1 試件概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

研究為對(duì)冷彎薄壁型鋼蒙古包結(jié)構(gòu)施加水平低周往復(fù)荷載作用下的擬靜力試驗(yàn)。試件為由三榀門式剛架組成的六邊形蒙古包，門式剛架中間用新型陶腦連接，每榀之間由冷彎C型鋼作圈梁通過節(jié)點(diǎn)板和高強(qiáng)螺栓連接，梁梁之間設(shè)有檁條，柱柱之間設(shè)有墻梁，柱腳處設(shè)有底板，底板與鋼地梁連接固定，地梁通過地腳螺栓與混凝土地面固定。試件梁柱均采用冷彎雙肢C型鋼背靠背組合形式，梁柱連接處節(jié)點(diǎn)板均按照規(guī)范[16]設(shè)置四個(gè)螺栓孔，檁條、墻梁均通過節(jié)點(diǎn)板與梁柱連接，節(jié)點(diǎn)板焊縫按規(guī)范要求施工。構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，試件幾何尺寸以及三維構(gòu)造分別如圖2及圖3所示。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 試件材料

試件的所有鋼材均采用Q235B；螺栓均采用10.9級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓，進(jìn)行材性試驗(yàn)的材料均為同批次出產(chǎn)的鋼材。冷彎薄壁型鋼蒙古包結(jié)構(gòu)的基本材料性能見表2.

1.3 試件裝置

試驗(yàn)加載裝置的設(shè)計(jì)如圖4所示。將500 kN液壓伺服作動(dòng)器的一端固定在剪力墻上，另一端通過螺栓將特制的加載端和柱頂節(jié)點(diǎn)板相連。為防止水平作動(dòng)器發(fā)生上下以及左右的移動(dòng)，作動(dòng)器前端用槽鋼約束住。蒙古包的六個(gè)柱腳分別用高強(qiáng)螺栓將柱腳底板連在六個(gè)地梁上，地梁兩端分別由一個(gè)直徑為55 mm的地腳螺栓固定。在安裝蒙古包時(shí)，將陶腦的中心與水準(zhǔn)儀的中心嚴(yán)格對(duì)中，每榀框架的中心都在一個(gè)平面內(nèi)，每根柱子都可以與地面保持相對(duì)的垂直，從而保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.4 加載制度

加載方案為單點(diǎn)水平低周往復(fù)加載。由于冷彎薄壁C型鋼腹板薄承載力不高，結(jié)構(gòu)屈服荷載可能

圖2 試件幾何尺寸(單位：mm)

圖3 試件三維詳圖

表2 材料性能參數(shù)

圖4 加載裝置圖示

出現(xiàn)在加荷步數(shù)內(nèi)，以致很難得到結(jié)構(gòu)承載能力極限值的準(zhǔn)確范圍，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。為避免這樣情況的出現(xiàn)，采用位移控制加載方案，如圖5所示，分為兩個(gè)階段。第一階段直接以小位移方式加載結(jié)構(gòu)，起始位移為1 mm，步數(shù)間隔為1 mm，每步循環(huán)1次，每次循環(huán)時(shí)間為2 min；待結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服時(shí)，記錄此時(shí)屈服荷載和屈服位移。第二階段采用位移分級(jí)控制加載，以屈服位移為基礎(chǔ)進(jìn)行循環(huán)加載，加載間隔和加載速率根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，每級(jí)循環(huán)3次，直到荷載值降到極限荷載的80%以下，終止試驗(yàn)。

1.5 測(cè)量方案

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)三部分組成。試件為空間結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)過程中，首先考慮試件的整體變形，然后考慮試件的局部變形。為了解不同階段不同位置的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，對(duì)核心構(gòu)件及其關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行應(yīng)變片的粘貼，應(yīng)變片粘貼的位置主要集中在節(jié)點(diǎn)板邊緣處的C型鋼腹板、翼緣處、陶腦處以及各個(gè)連接板上。在加載端柱頂內(nèi)側(cè)布置2個(gè)200 mm的大量程位移計(jì)，以測(cè)量柱頂位移及偏移；在其余5個(gè)柱頂及陶腦處各布置1個(gè)200 mm的大量程位移計(jì)，用來(lái)測(cè)試剛架的協(xié)同變形情況。測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖5 加載制度

圖6 測(cè)試方案布置圖

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

為方便描述試驗(yàn)現(xiàn)象，把蒙古包結(jié)構(gòu)的梁、柱等進(jìn)行編號(hào)，其中柱1-1、1-2與梁1-1、1-2組成第1榀剛架，蒙古包試件主體由三榀剛架組成。編號(hào)如圖7所示。

圖7 試件組成編號(hào)

首先進(jìn)行第一階段的加載。當(dāng)位移為12 mm時(shí)，加載平面柱1-1上端腹板和梁1-2端腹板均出現(xiàn)鼓曲，如圖8(a)、(b)，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度出現(xiàn)明顯下降。此時(shí)通過計(jì)算機(jī)測(cè)得的施加荷載為31.8 kN，試驗(yàn)實(shí)時(shí)記錄的荷載-位移曲線開始由線性轉(zhuǎn)為非線性，認(rèn)定結(jié)構(gòu)屈服。以Δy=12 mm為試件3次循環(huán)位移加載的初始位移。

在2.0Δy加載過程中，整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)連續(xù)的巨大響動(dòng)，比30°試件響動(dòng)更加劇烈。梁柱節(jié)點(diǎn)、梁梁節(jié)點(diǎn)均有螺栓滑移以及柱1-1上端腹板和梁1-2端腹板出現(xiàn)鼓曲，如圖8(c).

在3.0Δy加載過程中，推過程在梁梁之間的鋼帶檁條和柱柱之間的鋼帶墻梁上均出現(xiàn)明顯的拉壓變形，如圖8(d)，而拉過程檁條和墻梁先恢復(fù)原形后出現(xiàn)反向拉壓變形。梁柱節(jié)點(diǎn)、梁梁節(jié)點(diǎn)均有螺栓滑移以及柱1-1上端腹板和梁1-2端腹板鼓曲加劇，加載近端柱1-1底腹板出現(xiàn)鼓曲，如圖8(e).整個(gè)推拉過程伴隨著巨大響動(dòng)。

在4.0Δy加載過程中，鼓曲部位形變加劇，但未出現(xiàn)裂紋，加載平面近端柱1-1底鼓曲形變大于柱頂，柱1-2頂腹板出現(xiàn)輕微鼓曲，如圖8(f).

在5.0Δy加載過程中，加載平面柱1-1上、下端腹板和梁1-2端腹板鼓曲處均出現(xiàn)裂紋且梁端處更為明顯一些，而在第二、三次循環(huán)中，出現(xiàn)了小裂縫且發(fā)生了擴(kuò)展，而梁端產(chǎn)生的裂縫比柱更加明顯，如圖8(g)、(h).整個(gè)過程伴隨著巨大響動(dòng)，檁條、墻梁均發(fā)生可恢復(fù)變形，平面外兩榀形變比較大，但梁端、柱頂尚未出現(xiàn)鼓曲。

在6.0Δy加載過程中，裂縫加劇撕裂，柱2-1和柱3-2的柱頂腹板均出現(xiàn)輕微鼓曲現(xiàn)象，柱1-1頂腹板和翼緣已經(jīng)大面積撕裂，柱底撕裂程度小于柱頂，如圖8(i)、(j).

在7.5Δy加載過程中，加載近端柱頂腹板已完全撕裂，翼緣和腹板產(chǎn)生的裂縫有貫通的趨勢(shì)，梁1-2裂縫加劇但未貫通。柱1-1底鼓曲處出現(xiàn)裂紋，但并未開裂。

在8.5Δy加載過程中，加載近端柱底鼓曲出現(xiàn)裂縫并展開，柱1-1頂和梁1-2端翼緣和腹板裂縫已貫穿，如圖8(k)、(l).此時(shí)推方向荷載加至49.4 kN，對(duì)應(yīng)位移為102 mm，拉方向荷載加至49.6 kN，對(duì)應(yīng)位移為102 mm.此時(shí)的推拉方向的荷載均低于極限荷載的85%.終止加載。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞模式

試件在加載平面內(nèi)梁柱呈彎曲失穩(wěn)破壞，平面外結(jié)構(gòu)彎扭變形比較大，但沒有失穩(wěn)。節(jié)點(diǎn)板處的螺栓在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生不同程度的滑移，結(jié)構(gòu)最終由于平面內(nèi)局部破壞而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。在加載過程中，發(fā)現(xiàn)平面外剛架保持相同程度的形變，這在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)加載平面內(nèi)剛架與平面外剛架具有良好的協(xié)同作用。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，冷彎薄壁型鋼六邊形蒙古包結(jié)構(gòu)具有較高的承載力、抗側(cè)剛度。其承載力在推、拉兩個(gè)方向基本對(duì)稱，新型陶腦結(jié)構(gòu)傳力良好。

3.2 滯回曲線

圖9為試件在水平低周往復(fù)荷載作用下的滯回曲線，曲線有明顯的荷載上升和下降段，有螺栓滑移的影響，形狀為“弓”形，曲線飽滿，結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中的應(yīng)力應(yīng)變狀況可在滯回曲線圖上清晰地看出。通過觀察整體曲線可看出整個(gè)結(jié)構(gòu)的塑性變形能力比較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)在低周反復(fù)荷載作用下研究性能較好，耗能能力強(qiáng)。

3.3 骨架曲線及延性

圖10為試件在水平低周往復(fù)荷載作用下的骨架曲線。觀察骨架曲線，可以看到構(gòu)件正負(fù)加載方向骨架曲線對(duì)稱性良好，具有明顯的屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)和破壞點(diǎn)，具體數(shù)據(jù)如表3所示。在低周往復(fù)加載試驗(yàn)過程中，在加載初期力和位移的曲線關(guān)系呈線性變化，試件基本處于彈性階段；隨著加載的深入，試件的切線剛度逐漸減小，荷載增長(zhǎng)緩慢。當(dāng)試件達(dá)到極限承載力后，由于柱1-1型鋼腹板和梁1-2型鋼端腹板的完全屈服及翼緣邊緣出現(xiàn)大面積撕裂，破壞變形隨著位移的增加也越來(lái)越大，承載力下降，構(gòu)件剛度下降。結(jié)構(gòu)在破壞階段時(shí)有很大的層間位移，但結(jié)構(gòu)仍沒有倒塌，說(shuō)明結(jié)構(gòu)抗倒塌能力強(qiáng)。

根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[17]的規(guī)定，試件的位移延性系數(shù)μ可按下式計(jì)算:

μ=Δu/Δy.

(1)

圖8 試件試驗(yàn)現(xiàn)象

式中:Δu為骨架曲線下降至極限荷載的85%時(shí)的水平位移；Δy為由通用屈服彎矩法確定的試件屈服時(shí)頂點(diǎn)水平位移。由式(1)計(jì)算得試件的位移延性系數(shù)為8.35.說(shuō)明蒙古包結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展比較充分，塑性變形能力強(qiáng)。

圖9 滯回曲線

圖10 骨架曲線

3.4 剛度退化

圖11為試件在水平低周往復(fù)荷載作用下的剛度退化曲線，初始剛度見表3。試驗(yàn)在初始加載時(shí)剛度下降較快，是因?yàn)椴牧弦呀?jīng)屈服，隨著加載循環(huán)位移的不斷增大，試件的剛度在不斷減小，后期外荷載作用產(chǎn)生的能量在被試件塑性變形逐級(jí)消耗，剛度退化速度趨于平緩。

表3 試件試驗(yàn)結(jié)果特征值

圖11 剛度退化曲線

3.5 承載力退化分析

圖12為承載力退化曲線。試件從屈服階段到破壞階段，同一加載級(jí)別下各個(gè)循環(huán)的承載力退化均比較穩(wěn)定，退化系數(shù)值都在0.97以上，在各個(gè)加載循環(huán)階段均具有較為穩(wěn)定的承載力退化，循環(huán)承載力退化系數(shù)未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，仍具有一定的承載能力，說(shuō)明試件在同級(jí)加載下循環(huán)次數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的退化基本沒有影響，結(jié)構(gòu)的持荷能力強(qiáng)。

圖12 承載力退化曲線

圖13 耗能曲線

3.6 耗能能力

圖13為試件各個(gè)加載等級(jí)第一次循環(huán)的能量耗散值隨加載位移比(Δ/Δy)的變化曲線。在彈性階段，即加載位移比小于1時(shí)，滯回耗能能力較低。進(jìn)入屈服階段后，試件能量耗散值隨位移比線性增加，破壞荷載時(shí)試件能量耗散值為5 858.24 kN·mm.

采用等效阻尼系數(shù)(he)對(duì)試件進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)。圖14為各級(jí)加載第一循環(huán)的等效阻尼系數(shù)隨加載位移比(Δ/Δy)的變化曲線。加載過程中等效阻尼系數(shù)先減小后增大。屈服時(shí)等效阻尼系數(shù)為0.087，破壞時(shí)等效阻尼系數(shù)為0.242，而普通鋼混結(jié)構(gòu)破壞時(shí)等效阻尼系數(shù)介于 0.1～0.2之間，可見冷彎薄壁型鋼蒙古包結(jié)構(gòu)具有良好的耗能能力。

圖14 等效阻尼系數(shù)變化曲線

3.7 屈服機(jī)制

為發(fā)現(xiàn)在水平低周往復(fù)荷載作用下試件各關(guān)鍵位置屈服的先后順序，對(duì)蒙古包試件陶腦、梁柱以及節(jié)點(diǎn)板處測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。圖15(a)和(b)分別給出了柱1-2柱頂與柱腳腹板測(cè)點(diǎn)荷載與應(yīng)變的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，柱1-2柱頂腹板仍處于彈性工作階段，柱1-2柱腳腹板塑性發(fā)展充分，并達(dá)到破壞階段。

節(jié)點(diǎn)板其他應(yīng)變測(cè)點(diǎn)量測(cè)結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服之前，節(jié)點(diǎn)附近的某些截面已經(jīng)進(jìn)入屈服，且有較大程度發(fā)展。圖16為節(jié)點(diǎn)板1-2的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變圖，仍處于彈性階段，圖17梁1-2處測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分析表明此處已屈服。說(shuō)明節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)傳力可靠，滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求，是一種較為理想的節(jié)點(diǎn)形式。

新型鋼結(jié)構(gòu)陶腦是冷彎薄壁型鋼蒙古包結(jié)構(gòu)的傳力樞紐，圖18為陶腦測(cè)點(diǎn)荷載應(yīng)變關(guān)系曲線。結(jié)果分析表明，環(huán)板的應(yīng)變小于內(nèi)填板的應(yīng)變，這說(shuō)明了陶腦最主要是通過填板傳力，環(huán)板只是起到防止填板發(fā)生平面外失穩(wěn)的作用。

結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象以及其他測(cè)點(diǎn)綜合分析得出，試件的屈服以及破壞先后順序?yàn)椋褐鲃偧芰?-2右端→主剛架柱1-1柱頂→主剛架柱1-1柱腳→主剛架柱1-2柱腳。由于試件平面外受力較小，第二、三榀剛架僅由于層間位移過大而出現(xiàn)柱頂腹板輕微鼓曲，其他構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)均沒有明顯現(xiàn)象。該蒙古包符合“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的抗震設(shè)防要求，是一種較為理想的建筑結(jié)構(gòu)形式。

圖15 柱1-2測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線

圖16 節(jié)點(diǎn)板1-2測(cè)點(diǎn)應(yīng)變

圖17 梁1-2右端腹板測(cè)點(diǎn)應(yīng)變

圖18 陶腦測(cè)點(diǎn)應(yīng)變曲線

4 結(jié)論

通過對(duì)冷彎薄壁型鋼蒙古包結(jié)構(gòu)水平低周往復(fù)荷載作用下受力性能的試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論:

1) 采用雙肢C型鋼通過高強(qiáng)螺栓連接形成的空間蒙古包結(jié)構(gòu)具有良好的承載能力，延性好，耗能能力強(qiáng)，具有良好的塑性變形能力。

2) 此類構(gòu)建方式具備良好的裝配性，新型陶腦剛度大，傳力可靠；其他連接節(jié)點(diǎn)具有明顯的半剛性，能夠有效傳遞彎矩。

3) 冷彎薄壁型鋼蒙古包結(jié)構(gòu)加載平面內(nèi)與平面外剛架具有良好的協(xié)同作用。

試驗(yàn)研究表明，完全由熱軋鋼板和高強(qiáng)螺栓連接的裝配式冷彎薄壁型鋼蒙古包結(jié)構(gòu)，既能滿足承載力和剛度要求，有良好的抗震性能，又能提高施工效率和避免焊接產(chǎn)生的殘余變形。研究結(jié)果可為草原地區(qū)新型房屋結(jié)構(gòu)和冷彎薄壁型鋼房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的工程應(yīng)用和理論研究提供參考。