本次试验采取的是柱负荷下的低周往复加载,柱顶的竖向荷载通过手摇千斤顶施加,水平荷载通过支承在反力墙上的MTS作动器施加。模拟地震作用施加水平荷载的作用点应集中在结构质量集中的部位,考虑到木柱预先凿了卯口使得柱子强度减弱,在加载时可能发生燕尾榫节点处的柱端折断,故将加载点下移。试验前在紧挨梁底两端固定20mm厚加载端板,通过4根长螺杆与作动器端板固定,为了不妨碍燕尾榫节点的转动,同时考虑到后期布置仪器方便等,将作动器作用力位置定在距离木梁底60mm处。由于柱子截面是圆形,为了增加端板与柱的受力面积,并防止试验过程中试件出现平面外扭转,故在左右端板内侧都焊上弧形接触面,试验加载装置见图14-10所示。
图14-10 试验加载装置
1)竖向荷载
本次试验考虑实际情况,参见《工程做法则例》卷二十四,计算出扇面墙中金柱的承受竖向荷载,得出受力面积计算过程。其中稍间的面阔为九尺(2.880m),次间的面阔为九尺(2.880m),后出廊三尺(0.960m),进深十二尺(3.840m)。屋面的恒载根据文献[87]取为15斤/百份,折算成国际单位是2966Pa。屋面的坡度为28.44°,依据现行《建筑结构荷载规范》[88]得到雪荷载标准值为646.8N/mm2。最终,木柱所承受的屋面重力荷载代表值为27.284kN,结合缩尺比例调整为8.81kN。综合考虑梁、柱、檩、椽等构件自重,试件的竖向荷载取值为10kN。
为了减少在试验过程中柱顶与千斤顶之间的摩擦,在柱顶贴聚四氟乙烯板(图14-11),并将千斤顶放在贴不锈钢的钢板上,做到不锈钢板与聚四氟乙烯板相接触。
图14-11 聚四氟乙烯板与不锈钢板
2)水平荷载
水平方向采用荷载-位移混合控制加载方法[73],荷载与位移控制转折点定在砖砌体填充墙出现斜裂缝时[89]。具体的加载制度如下:墙体斜裂缝出现之前水平加载由荷载控制,以每5kN一级逐级加载,每级荷载循环一次;墙体出现明显斜裂缝之后,确定控制位移Δ,再按照Δ的倍数(Δ,2Δ,3Δ,⋯)进行位移控制加载,每次位移循环三次,直至水平荷载下降至极限状态(峰值荷载的85%或试件平面外倾斜)停止试验。
在加载过程中需注意以下几点:①左右柱顶的荷载需要同步加载,并且要保证竖向荷载作用方向指向柱的轴心;在试验过程中千斤顶会存在卸力的情况,当竖向力下降比较明显时,需在当前加载循环结束后进行手动加载。②在试验开始前,需保证不锈钢板与聚四氟乙烯板之间有足够的(硅脂)润滑剂。③在竖向荷载加载完毕后,进行预加载,按照开裂荷载的20%进行加载,试验取5kN,预加载过程中需检查各仪器设备是否正常工作。
图14-12 位移测点布置示意
3)测量内容
根据试验的目的,本次试验的测量内容包括:①水平荷载P与水平位移Δ,得到P-Δ曲线;②左、右燕尾榫节点的转角;③墙体的剪切变形;④柱子的转角;⑤钢板上的应变,得到钢板在加载时的应力发展趋势。
关于位移的测量,所有测点的布置见图14-12所示。位移计量程为100mm;12号、14号、16号、18号百分表量程为30mm;其余百分表量程都为10mm。
下面列出主要技术指标的计算过程:(www.xing528.com)
(1)燕尾榫节点转角
榫节点的转角通过架在横梁上的三个位移计来测量。以节点1为例,位移计2固定在横梁上表面,位移计3,4固定在横梁的两侧面。节点的转动见图14-13所示,转角的计算按公式(14-1)进行。其中,x1、x2分别是位移计2实测值和位移计3与4的实测平均值。
图14-13 榫节点转动机理
(2)柱转角
分别用百分表12号和13号来测量柱1的转角,百分表18号和19号来测量柱2的转角,2个百分表间距为200mm,转角的计算按公式(14-2)进行。其中,x1、x2分别是两个位移计的实测值。
(3)填充墙剪切变形
通过百分表15号、16号与14号、17号测量墙体沿对角线绝对长度的变化,换算得出墙体的剪切变形。墙体剪切变形的计算原理见图14-14所示,具体的计算过程如下:
填充墙沿对角线方向的平均变形:
式中,Δx1和Δx2分别是沿墙对角线方向的变形。填充墙的剪切变形为:
图14-14 墙体剪切变形计算方法
式中,h为填充墙高度,b为填充墙的宽度,由于本试验中填充墙高宽比等于1,所以式子可以化简为:
关于锚固钢板底部的应变片布置见图14-15所示,两侧钢板上的应变片对称布置。
图14-15 左、右侧钢板的应变片布置
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