古建筑木结构燕尾榫节点力学模型研究

在古建筑木结构中,燕尾榫节点广泛用于水平构件与柱头相交的部位.为了研究古建筑木结构中燕尾榫节点的弯矩-转角(M-θ)力学模型,在分析燕尾榫节点构造特点和受力机理的基础上,建立其数值模型,采用已有的燕尾榫节点试验数据验证了数值模型的正确性.根据受力分析的结果,建立以屈服点、极限点为特征点的双折线多参数M-θ力学模型,给出...     

基于摇摆柱的古建筑木结构柱脚节点力学模型研究

在古建筑木结构中,木柱通常直接平摆浮搁于础石之上,形成只有受压而无受拉能力的柱脚节点。在地震作用下,木柱会发生摇摆,柱脚为半刚性节点。为研究地震作用下古建筑木结构柱脚节点的摇摆机理,对柱脚节点的受压状态进行分析,并对木柱的摇摆过程进行分类,给出了不同摇摆过程的判定条件,建立了柱脚节点的弯矩-转角（M-θ）力学模型;通过与柱脚节点的弯矩-转角曲线试验结果进行对比,验证了该力学模型的正确性;将该M-θ力学模型应用于古建筑木结构的地震分析中,分别建立了柱脚半刚性连接和铰接的数值模型,并与振动台试验结果进行对比。研究结果表明：木柱的摇摆过程可分为全截面弹性摇摆、小截面弹塑性摇摆、大截面弹塑性摇摆以及全截面弹塑性摇摆等4类;采用M-θ力学模型得到的柱脚节点弯矩-转角曲线计算结果与拟静力试验结果的差异在10%以内;与铰接的柱脚节点相比,采用柱脚半刚性连接计算的古建筑木结构在地震作用下的动力响应更接近振动台试验结果,结构的加速度峰值、位移峰值与振动台试验结果的差异均在20%以内。     

残损古建筑木结构单向直榫榫卯节点抗震性能试验研究

现存古建筑木结构均有不同程度的残损,而榫卯节点的残损对整体结构的安全性影响最大。为了研究不同残损类型、不同残损程度对单向直榫榫卯节点抗震性能的影响,制作了7个缩尺比例为1∶4.8的单向直榫榫卯节点模型,包括1个完好节点模型、3个人工模拟榫头真菌腐朽的残损节点模型和3个人工模拟榫头虫蛀的残损节点模型。榫头真菌腐朽和榫头虫蛀分别采用在榫头表面钻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单向直榫榫卯节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律和耗能性能等进行了研究。试验结果表明：单向直榫榫卯节点的破坏形态主要为榫头部分拔出、榫卯接触处挤压变形,柱和枋基本完好;所有节点的弯矩-转角滞回环形状呈反S形,且残损程度越大,滞回环捏拢效应越明显;残损节点的转动弯矩、刚度和耗能能力明显低于完好节点,且随着残损程度增加逐渐降低;相同残损程度的人工模拟真菌腐朽节点的弯矩和刚度大于人工模拟虫蛀节点,但耗能能力低于人工模拟虫蛀节点。     

广府古建筑木结构箍头榫节点抗震性能研究

为研究广府古建筑木结构中广泛采用的箍头榫节点的抗震性能，以梁截面高度、柱直径、梁榫宽和柱顶轴压力为研究参数，设计制作了8个缩尺节点试件进行低周反复荷载试验，得到了不同研究参数下箍头榫节点试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、承载力退化、刚度退化及能量耗散能力等。研究表明：各箍头榫节点试件转角达到0.1rad时，仍可维持稳定的承载状态，其承载力退化不明显，具有较好的承载性能以及良好的延性。试件的破坏形态包括柱内侧梁榫顶部(或底部)顺纹拉裂破坏、柱外侧梁榫竖向劈裂破坏和水平劈裂破坏；各节点的弯矩-转角滞回曲线均呈反Z形，且有明显的“捏缩”现象；在试验设计参数范围内，节点的转动刚度、极限弯矩和耗能能力均随着梁截面高度和柱直径的增大而增大，并随着梁榫宽的增大呈现出先增大后减小的趋势，一定范围内改变柱顶轴压力对试件抗震性能影响不大。采用有限元软件ABAQUS建立了箍头榫节点模型，并与试验进行了对比验证，结果表明该模型可较好地模拟反复荷载作用下的节点滞回性能。通过参数分析进一步研究了不同参数下箍头榫节点的弯矩-转角曲线，结果表明节点的屈服弯矩和极限弯矩基本与梁截面高度、柱直径大小呈线性正相关关系。     

古建筑木结构燕尾榫节点抗震性能及尺寸效应试验研究

为研究燕尾榫节点的抗震性能,考虑竖向荷载、普柏枋、雀替及尺寸效应的影响,对7个按宋《营造法式》制作的燕尾榫节点模型进行了水平低周反复荷载试验,对比分析节点的破坏形态、滞回特性、转动弯矩、转动刚度和耗能等抗震性能及其随各影响因素的变化规律。结果表明：燕尾榫节点破坏主要表现为榫头部分拔出,榫头与卯口间产生明显挤压变形,枋、柱整体完好;未施加竖向荷载的节点出现榫头沿柱纵向滑移现象;带普柏枋节点榫头拔出量较小,在普柏枋与馒头榫连接边缘发生局部剪切变形;带雀替节点在转角较大时,通过暗销连接的枋与雀替逐渐分离。节点弯矩 转角滞回曲线以反“Z”形为主,有明显的“捏缩”效应;竖向荷载越大,滞回曲线越饱满;带普柏枋燕尾榫节点的滞回曲线更平滑,对称性较好;带雀替燕尾榫节点的滞回曲线左右明显不对称。燕尾榫节点的正向转动弯矩随竖向荷载的增大而逐渐降低,而反向转动弯矩逐渐提高;普柏枋显著提高了节点的正反向转动弯矩,而雀替仅提高节点的正向转动弯矩。带普柏枋节点的转动刚度较大,而耗能能力较弱;雀替在与枋脱离前可以有效提高节点的耗能能力。不同尺寸燕尾榫节点的转动弯矩与转动刚度不满足模型相似关系,拟合的尺寸影响关系可为实际工程提供理论参考。     

多层木结构古建筑榫卯节点拼装技术研究

在木结构古建筑中,建筑的损坏多数由榫卯节点的破坏而引起的,因此木构件之间的相互结合至关重要。传统的施工方法是先确定节点方式再进行拼装施工,以致不同的节点构造给施工带来了困难。大悲阁工程并没有一味的追求传统,而是根据该工程构造,先确定拼装汇榫的施工流程,再根据不同构件的受力要求,选择相应的榫卯结构并结合现代结构技术和工艺,这样既方便施工,又能提高构件的承载能力和整个木结构体系的稳定性。     

西南民居穿销透榫节点抗弯性能研究

西南传统民居主要为榫卯连接的木结构,穿销透榫连接方式是其主要连接方式之一,为了研究西南地区木结构中的穿销透榫节点力学性能,以实际工程为例设计了两个足尺节点并进行节点弯曲的单调加载试验,获得节点的弯矩-转角曲线、拔榫量-转角曲线和弯矩-应变曲线,并观察节点的失效形态.研究发现穿销透榫节点在单调加载的情况下,其弯矩-转角曲线大致为弹性受力阶段、塑性发展阶段,节点破坏主要为木材的局部压缩导致节点变形过大而失去承载能力.在试验基础上,建立穿销透榫节点单调加载下的理论模型,推导出节点的理论公式,并运用有限元软件对节点单调加载抗弯性能进行数值模拟分析,将理论模型、试验数据和数值模拟进行比较,三者吻合度较好.     

透榫和单向直榫木节点耐火极限的试验研究

通过五个榫卯原木节点耐火极限试验,对透榫和单向直榫木节点的升温规律和耐火极限等进行了研究,主要考虑了节点类型和荷载比两个参数对其耐火极限的影响.结果 表明:常温下单向直榫节点试件的承载力比透榫节点试件的承载力高;各测点温度随着受火时间的增加而升高,且停火之后温度下降较慢;测点离木截面表面距离越近,温度越高;相同类型的榫...     

传统木结构柱脚节点力学模型及有限元模型研究

木柱直接立于柱础石上是传统木结构中柱脚节点最常见的连接样式。在水平反复荷载作用下,由于木柱与础石之间一般不存在任何的连接,木柱会以柱脚与柱础石相接触的边缘点为转动支点发生转动,进而产生摇摆,其在摇摆状态下的受力性能对整个结构的稳定发挥了积极的作用。为研究传统木结构柱脚节点在地震作用下的转动性能,以浮搁柱础连接为研究对象,首先分析了木柱在水平反复荷载作用下的受力机理,建立了柱脚节点理论计算公式;随后依据柱脚滞回曲线的特点,提出了含有柱脚弹簧单元的木柱杆系有限元分析模型。结果表明：柱脚节点力学模型的计算结果与试验曲线吻合良好;木柱杆系有限元分析模型有效地反映了木柱在摇摆状态下的滞回特点。     

古木结构中抬梁式和穿斗式木构架受力性能试验研究

为从木构架层次把握我国古建筑木结构的基本受力性能,根据相关文献和现场测绘设计并制作了抬梁式木构架和穿斗式木构架各1榀,进行了恒定轴压下的水平单调加载试验。通过试验研究获得了两类典型木构架的破坏模式、荷载-位移关系、榫卯节点的破坏形态、柱顶侧移-加载位移关系、榫卯节点的拔榫量-转角关系等。研究结果表明,在加载过程中,木构架中榫卯节点逐个破坏,半榫节点发生脱榫破坏,透榫发生变截面处顺纹撕裂破坏和榫头下侧受弯破坏,最终两榀木构架均发生整体倾覆破坏;抬梁式木构架和穿斗式木构架的极限位移角分别为1/6.6、1/4.0,均具有良好的变形能力,但抬梁式木构架的水平荷载承载效率明显低于穿斗式木构架;柱顶侧移随着加载位移的增加而近似线性增加;榫卯之间的初始缝隙在加载初期逐渐闭合,会引起部分榫卯节点拔榫量为负值,之后,主要榫卯节点的拔榫量随节点转角的增大而增大。     

古建筑木结构偷心造和计心造斗力学性能数值分析

古建筑木结构的斗拱做法有偷心造和计心造两种基本形式,为研究这两种斗拱力学性能的差异,以饶益寺大佛殿的偷心造与计心造斗拱为研究对象,建立偷心造与计心造斗拱的有限元模型,用某斗拱的试验数据验证了有限元模型的正确性,并分析这两种斗拱在竖向荷载和水平低周反复荷载作用下的力学性能.研究结果表明:在竖向荷载作用下,由于计心造斗拱的横拱比偷心造斗拱多,其竖向荷载-位移曲线有一个明显的强化阶段,导致其极限承载力比偷心造斗拱大29.9％;在水平低周反复荷载作用下,两种斗拱的滞回曲线都比较饱满,均表现出较好的耗能能力,但二者相差不大.     

单层殿堂式古建筑木结构动力分析模型

殿堂式古建筑木结构由于其独特的构造特点而具有与现代建筑结构不同的抗震性能,现有的结构动力分析模型对于古建筑木结构不再适用。基于其水平地震作用下的受力性能及动力破坏形态,给出了关键构件的简化分析模型,将柱架简化为“摇摆柱”,将枓栱铺作层简化为“剪弯杆”;根据简化分析模型及整体结构质量分布情况,提出了单层殿堂式古建筑木结构的两质点“摇摆-剪弯”动力分析模型;结合构件试验以及动力学理论推导得到了动力分析模型不同受力状态下各参数的计算方法及适用范围,并与振动台试验结果进行对比。结果表明,提出的动力分析模型可以较好地反映单层殿堂式古建筑木结构在水平地震作用下的动力反应。     

木结构钢板螺栓连接节点承载力计算分析及试验研究

为便于木结构工程设计,提出了钢板螺栓连接承载力计算式,并提出了受弯螺栓连接节点承载力上限和下限的计算方法。设计制作了钢填板螺栓连接节点试件,并进行了复合受力节点承载力试验研究。试验结果表明,各受力工况下试验节点的承载力平均值均介于所计算的承载力上、下限之间,且基本等于所计算的承载力上、下限的平均值。从而验证了所提出的钢板螺栓连接承载力计算式和连接节点承载力计算方法的正确性和适用性,为设计提供了可靠依据。     

古建筑木结构的结构性能研究综述

台基、柱脚的平摆浮搁、梁柱节点的半刚性榫卯连接、柱架的生起和侧脚、梁端的雀替、枓栱铺作层以及“大屋盖”等特殊的营造技术,以及水平地震作用下古建筑木构架良好的自复位性能,使得古建筑木结构能历经千百年保存至今。在分析古建筑木结构发展背景和营造特点的基础上,综述了国内外对古建筑木结构木材材性、台基层、柱架层、枓栱铺作层、屋盖层的力学性能,整体结构抗震性能以及修缮加固等方面的研究现状,综合各研究方法和研究内容,指出了目前古建筑木结构结构性能研究领域中存在的问题和尚未涉及的方面,为古建筑木结构结构性能的进一步深入研究以及古建筑的保护提供参考。     

钢结构仿古建筑双梁柱中节点的受力机理

为研究钢结构仿古建筑双梁柱中节点的抗震性能,对4个全焊双梁柱中节点进行了水平低周反复加载试验。通过观测试件在侧向力作用下的受力过程和破坏形态,分析双梁柱中节点的受力机理。根据梁截面形式的不同,将其分为箱型截面梁与工字型截面梁2类,依据仿古建筑独特的构造特点,将各试件节点核心区划分为上、中、下3个区域。通过量测各区域内的应变大小,分析该类结构节点核心区在侧向力作用下的受理机理及破坏模式,并建立双梁柱节点的斜压杆受力模型。试验结果表明:仿古建筑双梁柱节点的破坏形式主要为沿下核心区对角线的剪切破坏,并通过理论计算分析提出一种考虑轴压比与梁截面形式的双梁柱中节点抗剪承载力修正公式。