考虑榫卯松动的古建筑木结构地震响应分析

通过缩尺比为1∶3.52的完好古建筑木结构当心间模型振动台试验,得到了完好古建筑木结构模型的破坏模式、加速度时程曲线及相对位移时程曲线。在验证完好结构有限元模型正确性的基础上,建立了考虑榫卯松动的残损古建筑木结构有限元模型,通过对残损古建筑木结构模型在地震作用下的模态分析和动力响应分析,探讨了榫卯松动对古建筑木结构动力特性和动力响应的影响。结果表明：榫卯松动的古建筑木结构自振频率较完好结构的低,且随榫卯连接残损程度的增大,模型自振频率显著降低;残损结构柱脚加速度响应和位移响应、柱架加速度响应及模型结构基底剪力较完好结构的小,柱架位移响应较完好结构的大,且随榫卯连接残损程度的增大,柱脚加速度响应和位移响应、柱架加速度响应及模型结构基底剪力明显变小,柱架位移响应显著变大。随PGA的增大,残损结构模型累积耗能不断变大;随榫卯连接残损程度的增大,模型各结构层的累积耗能先逐渐增大,当松动量超过一定值后,其累积耗能不断减小。     

西安东门城楼结构有限元分析

本文通过对中国古代木结构的结构特性分析,得出了合理的力学模,采用变刚度单元模拟真实本结构梁柱的榫卯连,用虚拟单元的不同刚度条件反映真实的半刚性连接,将变刚度单元加入有限元程度,对西安东门城楼进行了弹性有元分析,得出了不同刚度系数下的力学性能,为古建筑木结构研究提供有用的资料。     

古建筑木结构榫卯节点刚度的地震损伤分析和识别

在缩尺比为1∶3.52的殿堂式古建筑木结构振动台试验基础上,获得了地震作用下榫卯节点初始刚度和屈服刚度损伤规律。根据建立的古建筑木结构简化力学模型,利用静动力凝聚方法确立了结构刚度与榫卯节点刚度之间的关系,推导了结构状态方程和观测方程。结合力锤敲击试验和仿真计算,获得了结构位移、速度和加速度响应。考虑噪信比5%噪声干扰,采用奇异值分解的偏最小二乘法(PLS-SVD)和扩展卡尔曼滤波法(EKF)对结构刚度损伤进行了识别。根据结构刚度识别结果,计算了榫卯节点初始刚度和屈服刚度损伤识别值。结果表明:榫卯节点初始刚度损伤先增大后减小,屈服刚度损伤一直增加;静动力凝聚、偏最小二乘和扩展卡尔曼滤波的混合算法对榫卯节点初始和屈服刚度识别精度较高,适用性较好。     

均布荷载作用下榫卯连接木梁的解析解

基于弹性力学的半逆解法,在均布荷载作用下的简支木梁、铰接木梁和固接木梁解答的基础之上,结合中国古建筑榫卯节点半刚性连接的特点,通过引入两个表示半刚性的参数,得到了榫卯连接木梁内应力分布的多项式解答。通过对一个随梁实例的计算,分析了两个半刚性参数对梁内应力分布的影响,又通过比较榫卯梁和简支梁、铰接梁及固接梁内应力分布的特点,发现剪应力对于木梁尤其是榫卯木梁的影响不能被忽略。该文最后指出,榫卯节点的刚度随荷载的增大是在不断变化的,并给出了变荷载作用下半刚性参数的确定方法。     

古建木构铺作层侧向刚度的试验研究

通过对单铺作、两铺作、四铺作模型的低周反复荷载试验,研究了枓栱侧向刚度的退化规律。试验得出了单铺作、两铺作、四铺作的力-位移滞回曲线及骨架曲线。通过试验可以看出铺作层的变形是以水平滑移为主。摩擦滑移具有耗能、隔振作用,这也是古建筑木结构有着良好的抗震性能的重要因素。试验模型的滞回曲线呈平行四边形,滞回面积饱满。这说明铺作层具有良好的滞回耗能特性。铺作层的力学模型属于线性强化弹塑性模型。根据试验得出的恢复力模型反应了铺作层的恢复力特性及刚度变化规律,适应于同类木结构的静力传递和结构动力分析计算研究。     

组合梁疲劳后的刚度退化规律及计算模型

为了研究钢-混凝土组合梁在疲劳荷载作用下刚度的退化规律,设计并制作了6根栓钉试验梁进行了静力和疲劳试验。该研究对比了不同疲劳加载次数后试件的破坏形态,重点分析了组合梁在疲劳加载过程中荷载-挠度曲线、残余挠度以及相对滑移量的变化情况;将疲劳试验过程中每根试验梁的刚度退化与残余挠度、相对滑移增长之间作了相关性分析,探讨组合梁刚度退化的实质原因;基于刚度退化函数,通过试验数据拟合,建立了用于计算钢-混凝土组合梁刚度退化计算模型。结果表明:在疲劳荷载作用下,组合梁刚度会发生不可逆的退化,刚度退化实际上是材料疲劳损伤和抗剪连接程度退化的宏观表现;随疲劳循环次数增加,组合梁刚度退化规律呈现明显的"S"型单调递减趋势;该研究建立的组合梁刚度退化规律模型,计算值与试验值吻合良好,具有一定的适用性。该研究成果为组合梁疲劳荷载作用后刚度退化模型的建立提供了一种思路和方法。     

摇摆状态下古建筑木结构木柱受力性能分析及试验研究

在古建筑木结构中,木柱常常直接浮搁于础石上。在地震、风等反复荷载作用下,木柱会出现“摇摆”现象。木柱作为整体结构的主要承重部分,其在摇摆状态下受力性能对整体结构的稳定性和整体性有着重要的影响。为研究木柱在摇摆状态下的受力性能,该文首先提出摇摆运动机理,通过理论分析得到柱脚抬升判定条件;其次,参考《营造法式》制作了七等材木柱模型,通过低周反复荷载试验验证了柱脚抬升判定条件的正确性,研究了木柱的变形特征、柱头荷载位移滞回曲线、骨架曲线、抗侧能力、刚度退化规律等特性。试验结果表明:在反复荷载作用下,木柱出现摇摆现象,柱脚与础石接触部位存在木材受压变形。当柱头位移达到10 mm时,柱脚出现一侧抬升一侧受压现象。加载过程中,柱脚未滑移;木柱荷载位移滞回曲线呈S形,具有一定的捏拢效应;木柱初始抗侧刚度最大,其抗侧能力随柱头位移增大而逐渐减弱;在柱头位移达到60 mm之前,刚度退化较明显,随后刚度退化现象减弱。     

木结构古建筑结构特性的计算研究

对蕴藏丰富历史文化信息的中国古建筑的研究和保护是抢救中华文化遗产的重要内容。本文在木结构古建筑结构特性实验研究的基础上,通过定义和引入反映木结构古建筑斗栱与榫卯节点特性的半刚性节点单元,建立适合木结构古建筑特点的3维有限元计算模型和分析方法。研制了有限元动力分析软件SAFATS。利用现场实测和模型实验结果,采用Simplex方法反演推断半刚性节点平均刚度的范围。通过有限元动力计算以及与现场实验和模型实验结果的对比分析,获得了西安北门箭楼的前6阶振动模态。     

古建筑木结构直榫节点力学模型的研究

以中国西南地区穿斗式古建筑木结构中常见的直榫节点为研究对象,对其在低周往复荷载作用下的受力机理进行了详细分析,建立了考虑节点拔榫量影响的M-θ力学模型和相应的实现算法,并给出了简化计算公式,最后采用试验数据对该力学模型进行了验证。结果表明,直榫节点的M-θ力学模型的计算结果与试验曲线吻合良好,可为中国古建筑木结构的抗震性能及加固的研究提供理论基础。     

高强混凝土框架柱的恢复力模型研究

根据108根高强混凝土框架柱在固定轴向荷载和水平反复荷载作用下的试验结果,分析和回归出试验柱的骨架曲线强化段水平投影长度、最大荷载与屈服荷载的比值和各刚度与剪跨比、轴压比、配箍特征值及总横截面面积与核心混凝土面积比值之间的关系。根据高强混凝土框架柱屈服时截面平衡条件推导出的屈服柱顶水平荷载和水平位移、按《混凝土结构设计规范》计算出的柱顶峰值水平荷载及有关试验回归公式确定出高强混凝土框架柱恢复力模型的骨架曲线及滞回曲线。研究表明:试验骨架曲线强化段在水平投影长度和屈服位移的比值与配箍特征值成正比,与轴压比、剪跨比和总横截面面积与核心混凝土面积比值成反比;试件的弹性刚度、强化刚度及退化刚度与轴压比和总横截面面积与核心混凝土面积比值成正比,与配箍特征值和剪跨比成反比;建议的恢复力模型考虑了多种影响因素,与试验结果相接近,且便于工程应用。     

位移放大型转动摩擦阻尼器增强榫卯节点抗震性能试验研究

古建木构中的榫卯节点属于典型的弱连接,地震作用时常常早于构件产生损坏,是预防性加固的关键节点。为提升榫卯节点的抗震性能,提出并设计了一种位移放大型转动摩擦阻尼器。通过对1组未设置阻尼器和3组设置阻尼器的足尺单向直榫节点进行了拟静力试验,得到并对比分析了加固和未加固节点的破坏状态、弯矩-转角关系、骨架曲线、强度退化曲线、刚度退化曲线以及耗能能力,分析了阻尼器的位移放大效应和拔榫抑制能力。结果表明:相对于未加固节点,设置摩擦型阻尼器节点的抗弯承载力最高提升了2.3倍;摩擦阻尼器具有显著的位移放大作用,其最大转动角度为榫卯节点转角的4.5倍;在不显著提升节点刚度的同时大幅度提高了榫卯节点的滞回耗能能力,且提高程度随螺栓预拉应变的增大而增大,最大可提升3.9倍;所研发阻尼器可有效抑制节点拔榫量,且抑制作用随螺栓预拉应变的增大而显著提高。研究结果可为古建木构的科学加固提供技术借鉴。     

古建筑木结构燕尾榫节点弯矩-转角模型研究

古建筑木结构燕尾榫节点由于其独特的构造特征而具有与其他节点不同的性能,已有的分析模型不能完全适用于燕尾榫节点。在分析燕尾榫节点受力机理的基础上,根据节点的力学平衡和变形协调关系对燕尾榫节点的弯矩-转角关系进行了理论推导,结合已有的燕尾榫节点拟静力试验结果,提出了以屈服点、极限点为特征点的燕尾榫节点弯矩-转角双折线模型,给出了模型特征点参数计算公式。结果表明,用该模型所得弯矩-转角曲线与试验骨架曲线基本吻合。研究成果可为古建筑木结构的修缮加固提供理论依据。     

形状记忆合金丝加固古建筑木结构直榫节点抗震性能研究EI北大核心CSCD

古建筑木结构中的半刚性榫卯节点在地震中往往先于梁柱等构件发生破坏,是加固保护的关键部位。设计了一种新型形状记忆合金(SMA)丝预防性加固装置,对采用该装置的5个直榫节点及1个未加固节点进行了低周反复荷载试验,研究了采用不同根数和不同预拉应变的SMA丝加固节点的破坏形态、弯矩-转角关系、强度退化、刚度退化、耗能性能、自复位能力以及变形能力,并提出了SMA丝加固直榫节点的抗弯承载力计算方法。结果表明:SMA丝加固节点的抗弯承载力均有不同程度的提升,加固节点的最大抗弯承载力为未加固节点的1.49倍;与未加固节点相比,加固节点的强度退化不严重,表明SMA丝可以在节点转角较大时,仍能持续为节点提供抗弯承载力;加固节点最大转动刚度是未加固节点的2.24倍;随着节点转角的增大,未加固节点的耗能能力逐渐减小,而加固节点的耗能能力先增大后减小;在相同的转角下,随着SMA丝根数和预拉应变的增加,节点相对残余变形均减小,自复位能力增强。研究成果可为古建筑木结构榫卯节点的预防性加固保护提供参考。     

不同轴压比下榫卯接缝装配整体式剪力墙受弯性能试验研究

设计了4个榫卯接缝装配整体式剪力墙试件,通过拟静力试验研究了轴压比对墙体受力性能的影响,研究结果表明,墙体均发生弯曲破坏,榫卯接缝横向凸起根部预制混凝土剥落,减弱了墙体根部混凝土压溃区域,避免突然丧失承载力。榫卯接缝整体性良好,开裂时墙体位移角为1/780~1/560。随着轴压比的提高,榫卯接缝横向凸起根部预制混凝土剥落区域增加,但墙体根部混凝土压溃区域并未增加;试验轴压比达到0.30(设计轴压比0.54),破坏状态时根部混凝土未发生压溃现象,墙体在高轴压比下表现出良好的变形能力。提高轴压比,有助于提高墙体的刚度和承载力;但峰值荷载后刚度退化速率加快;位移延性系数降低。     

残损古建筑木结构燕尾榫节点抗震性能试验研究

残损是现存古建筑木结构的普遍状况,显著地降低了结构的抗震性能。为研究残损对燕尾榫节点抗震性能的影响,参照宋《营造法式》殿堂三等材的尺寸要求,制作了3个比例为1∶3.2的燕尾榫节点模型,包括1个完好节点、1个模拟榫头真菌腐朽的残损节点和1个模拟榫头虫蛀的残损节点。榫头真菌腐朽和榫头虫蛀分别采用在榫头表面钻一定深度的孔和在榫头钻通孔的方法来模拟。通过低周反复加载试验对残损节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线和耗能性能进行了研究,分析了残损燕尾榫节点抗震性能的退化规律。结果表明:残损燕尾榫节点的破坏形态与完好节点的破坏形态类似,主要表现为榫头和卯口有明显的挤压变形、榫头沿枋纵向部分拔出,枋柱整体完好,但残损节点的榫头拔出更早、拔出量更大,模拟虫蛀节点有榫角被挤碎;残损燕尾榫节点的滞回曲线也有明显的"捏缩"效应,但滞回环饱满度较差;残损节点的转动弯矩、转动刚度均明显低于完好节点,但耗能能力基本不变化;当两种不同残损类型的残损程度相近时,人工模拟真菌腐朽节点的转动弯矩更高、转动刚度更大。     

Testing and modeling of a traditional timber mortise and tenon joint

The structural safety and behaviour of traditional timber structures depends significantly on the performance of their connections. The behaviour of a traditional mortise and tenon timber joint is addressed using physical testing of full-scale specimens. New chestnut wood and old chestnut wood obtained from structural elements belonging to ancient buildings is used. In addition, the performance of different semi and non-destructive techniques for assessing global strength is also evaluated. For this purpose, ultrasonic testing, micro-drilling and surface penetration are considered, and the possibility of their application is discussed based on the application of simple linear regression models. Finally, nonlinear finite element analysis is used to better understand the behaviour observed in the full-scale experiments, in terms of failure mode and ultimate load. The results show that the ultrasonic pulse velocity through the joint provides a reasonable estimate for the effectiveness of the assembly between the rafter and brace and novel linear regressions are proposed. The failure mechanism and load–displacement diagrams observed in the experiments are well captured by the proposed non-linear finite element analysis, and the parameters that affect mostly the ultimate load of the timber joint are the compressive strength of wood perpendicular to the grain and the normal stiffness of the interface elements representing the contact between rafter and brace.     

动力荷载下传统风格建筑双梁-柱节点抗震性能试验研究

为研究传统风格建筑混凝土双梁-柱节点的破坏特征及抗震性能,进行了2个节点试件的动力循环加载试验,包括一个典型传统风格建筑混凝土双梁-柱节点和一个单梁-柱节点。观察了节点试件的受力过程及破坏特征,研究了试件的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、承载能力、刚度及承载力退化、延性和耗能能力,并对其破坏模式进行了分析。研究结果表明:相对于单梁-柱节点,传统风格建筑混凝土双梁-柱节点承载力和刚度较高,其耗能能力和位移延性略小于单梁-柱节点;两者刚度退化规律基本一致。总体上,传统风格建筑混凝土双梁-柱试件的变形及耗能能力较强,抗震性能良好。在试验研究的基础上,利用ABAQUS软件对传统风格建筑混凝土双梁-柱节点进行了非线性数值模拟,研究了轴压比、混凝土强度、上下梁间距等参数对其力学性能的影响。结果表明:随混凝土强度和上下梁间距的增大,试件的承载力随之提高;随轴压比增大,试件的承载力有一定提高,但延性降低;随混凝土强度的提高,延性逐渐降低。     

古建筑木结构燕尾榫节点弯矩-转角关系理论分析

基于燕尾榫节点受力机理的分析,对燕尾榫节点的转动弯矩进行了理论分析,推导了燕尾榫节点弯矩-转角理论计算公式,并与试验结果进行了对比分析,理论分析结果与试验结果吻合较好;在计算公式的基础上,对燕尾榫节点转动弯矩的影响参数进行了分析,结果表明:在一定范围内,随着摩擦系数的增大,燕尾榫节点的转动弯矩和初始转动刚度也逐渐增大;当摩擦系数超过0.5时,节点的初始转动刚度增加幅度逐渐减小;榫头长度和榫头的“收乍”角度的增大均能够提高燕尾榫节点的转动弯矩以及初始转动刚度;榫头高度的增大能够一定程度地提高燕尾榫节点的转动弯矩,但对节点的初始转动刚度影响不大。所得结果可为古建筑木结构的受力分析提供依据。     

考虑位置函数的胶合木植筋粘结-滑移关系研究

胶合植筋技术是一种新型的木结构连接技术,具有承载力高、刚度大、美观且防火效果好等优点,已被成功应用于木结构建筑及桥梁领域。木结构植筋与混凝土植筋类似,涉及到3种材料、2个界面,木材-植筋之间的粘结属多重介质间的粘结问题。木结构植筋节点是否具备良好的结构性能,除了各材料的基本性能有保证外,另外就是界面是否具备良好的粘结性能。该文基于三折线粘结-滑移关系模型,推导了植筋应力、界面粘结应力及相对滑移沿锚固长度分布的解析解,并与试验结果对比,结果表明,理论值与试验值吻合良好。通过实测加载过程中植筋内部的应变及加载端植筋与木材之间的相对滑移,研究了植筋-木材之间的粘结应力及相对滑移沿锚固长度的分布规律,最终建立了考虑位置函数的胶合木植筋粘结滑移关系。