Study on mechanical properties of double-layer hex-tri timber reciprocal frame of mortise-tenon connections

互承结构构件和节点形式简单统一，通过组装小尺寸构件即可实现大跨度结构。而木材易于加工，适用于互承结构。为此，提出一种格构式木构件，通过简单的榫卯连接，可组装为双层六边-三边形榫卯互承木结构。分别搭建了单、双层六边-三边形互承木结构试验模型，相比于单层榫卯互承木结构，双层榫卯互承木结构的强度、刚度有显著提升。采用通用有限元软件ABAQUS建立了双层六边-三边形榫卯互承木结构数值模型，并通过足尺试验验证了有限元模型的正确性；在竖向荷载作用下，格构式木构件中的最大弯曲应力出现在卯眼处弦杆与腹杆的连接位置，腹杆的设置很大程度上减小了卯眼与榫头位置的应力集中现象。根据六边-三边形互承网格的几何拓展规律，考察了单、双层六边-三边形榫卯互承木结构的拓展性，提出的双层六边-三边形榫卯互承木结构可通过二次拓展达到最大跨度，可应用于较大跨度的屋盖结构。     

某传统木结构廊庑结构分析及模型简化

传统木结构是由柱、梁、枋、檩、椽、斗拱等木构件通过榫卯连接形成框架结构体系,承受来自屋面和楼面的竖向荷载以及风荷载和地震作用。以营造法式为基础建立了一榀传统木结构廊庑,考虑到各节点接触关系复杂,首先采用ABAQUS对各榫卯节点的转动刚度进行了有限元分析,然后将计算模型简化为杆系模型。通过实体模型和简化模型的对比,得出在竖向荷载作用下和水平荷载作用下构件变形的比较结果,表明考虑节点的转动刚度后杆系模型具有足够的计算精度。     

基于有限元的云南木结构民居榫卯节点的静力性能分析

云南典型的木结构民居通常采用榫卯连接,文章采用有限元软件ABAQUS建立带榫卯连接的单间一榀的木构架计算模型,通过摩擦接触模拟榫卯节点,并分析得出木构架及榫卯节点在竖向静力荷载作用下的应力及变形状态。     

古建筑木结构多尺度建模方法及抗震性能分析

在保证计算精度前提下,为降低抗震性能计算的有限元分析费用,采用通用有限元软件ANSYS建立了古代木结构非线性有限元模型。深入探讨了利用多尺度建模方法解决古代木结构抗震计算问题。为实现宏观结构模型和局部微观模型界面的变形协调,采用了多点约束法,将榫卯节点域作为关键区域用实体单元进行精细尺度建模,对梁柱构件非关键区域则采用梁单元进行建模。基于木框架和直榫节点拟静力试验数据,对比了多尺度模型和实体单元模型在破坏模态和滞回曲线的异同点,验证了该界面连接方法的有效性。基于多尺度建模方法,选取某在役期内的古代木结构边跨框架进行弹塑性动力时程分析,并比较了实体单元模型和多尺度模型的地震响应及计算效率。结果表明:多尺度有限元模型能很好地模拟古代木结构的边界条件以及整体结构的动力响应,同时还可大幅提高计算效率,能够在计算精度和计算效率之间寻找到一个平衡点,为古代木结构抗震分析提供有力的技术支持。     

耳板式组合桁架节点试验及有限元分析

以某槽形梁-钢桁组合结构桥梁下弦节点为原型,根据相似理论,制作了3个1∶3的节点模型。通过对模型进行水平单调静力加载和有限元模拟分析,对节点的破坏形态、极限承载力及各组成构件的受力性能进行了研究。结果表明:节点模型的破坏形态主要包括受压腹杆局部屈曲和节点核心区混凝土的开裂;节点核心区刚度大,承载力高,PBL剪力键群和节点板能有效地将弦杆和腹杆连接成整体;采用有限元软件对节点进行分析合理可行。     

世博会英国国家馆主展馆结构设计要点及试验研究

新颖的建筑理念给世博会英国国家馆的结构设计带来许多研究课题,尤其是主展馆钢桁架-重型木结构以及亚克力刺杆的设计。钢桁架-重型木结构的研究与设计尚无经验可循,通过合理的结构设计理念及计算假定,运用两种思路对其进行比对设计,确保结构的整体力学性能、构件的强度和稳定以及结构位移等多项指标满足相关规范的要求。首先利用刚度等效的原则将钢-木混合结构等代为壳单元,用ROBOT软件对结构进行有限元建模分析,得出木结构壳单元的应力,对木结构构件进行设计;然后将钢楼板、木墙和木结构屋顶等代为交叉的工字形梁单元,用SAP2000软件进行校核。最后通过的亚克力刺杆进行风洞、疲劳以及徐变的试验研究,确定刺杆的风荷载效应,并确保其在1.5年服役期内疲劳、徐变效应下不产生破坏。     

型钢桁架腹杆端部扩大节点的力学讨论

采用H形或箱形截面作为弦杆和腹杆的桁架形式被广泛用于大跨度结构中。其腹杆与弦杆的连接节点一般采用一种腹杆端部扩大的连接形式。需要注意的是,端部扩大节点看似能减小应力集中,但仔细分析就会发现,此类节点的力学性能并不合理。分析了型钢桁架中端部扩大节点的受力机理,并采用有限元分析软件ANSYS对腹杆端部扩大节点进行了弹塑性分析。分析结果显示,此类节点力学上存在不合理性。进一步提出了较为合理的节点形式供结构工程师参考。     

抬梁式仿古木结构建筑的吊装及拼装施工技术研究

普陀山观音法界正法讲寺工程的圆通宝殿为仿宋木结构建筑,其建筑制式为殿堂九间,屋顶形式为重檐歇山顶,木结构梁架形式为抬梁式,柱础及大尺寸木构件采用单点吊装的施工方法。木结构框架的拼装遵循"分段对称、分层同步"的原则,并通过移柱法完成梁柱榫卯节点的连接。经专项验收,圆通宝殿的施工精度满足各项规范要求,成形效果良好。     

古建筑榫卯节点刚度分析

研究古建筑榫卯节点刚度取值,对古建筑的保护修缮加固具有重要意义.以木结构建筑为例,从基本承重构件梁柱的微元开始,导出木梁木柱的挠曲线方程,用弹簧作为榫卯节点约束,以边界条件输入,导出榫卯节点刚度值;以钟楼为工程实例,建立ANSYS有限元模型,对结果和实测数据进行对比分析.结果表明,本文提出的计算方法,适用于木结构古建筑的榫卯节点刚度分析计算.     

某胶合木网壳结构及其植筋连接节点设计

本文介绍一栋大跨度胶合木餐饮建筑的设计,屋面采用单层网壳结构,胶合木构件之间采用植筋连接节点。在有限元软件中建立整体结构计算模型,进行结构受力分析和构件截面验算,结果表明结构整体的强度和刚度均满足设计要求。综合考虑结构体系抗侧刚度需求和建筑外观要求,设计了一种可以将钢连接件完全隐藏在木构件中的植筋连接节点形式,参照国内外相关规范对该节点的植筋连接和中心钢连接件进行了设计验算,结果表明该节点具有较高的承载能力和足够的抗弯刚度。     

梁柱式木结构框架抗震性能试验研究

通过对3个钢填板连接形式的梁柱式木结构框架的缩尺模型,以及一个按照《营造法式》制作的古建木结构框架模型在水平低周反复荷载作用下的试验研究,得到了钢填板连接纯框架、钢填板连接隅撑框架、钢填板连接斜撑框架及榫卯连接纯框架的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律、变形及耗能等性能。试验结果表明：破坏均发生在钢填板连接及榫卯的节点处;钢填板连接框架与榫卯连接框架的滞回曲线有明显的不同;与纯框架相比,隅撑和斜撑框架的强度和刚度有显著增加;梁柱式木框架具有非常好的变形能力。     

传统楼阁式木塔施工期性能监测和模拟研究

为研究传统楼阁式木塔施工期性能变化，通过55次现场监测分析新建唐式7层楼阁式木塔的施工工艺和施工期受力性能，基于结构响应数据的模态识别归纳了结构性能时变发展规律。基于已有试验结果，采用OpenSees软件pinching4滞回模型建立并验证了木塔三维有限元模型计算的合理性，并进一步研究了榫卯节点、斗栱节点和梁柱框架墙体的荷载效应和抗力的比值及其发展规律。结果表明，木塔框架核心筒和完整结构的自振频率比值约为80%，结构频率随构件安装就位而不断增加，并随非结构构件的增加而下降。其中，4层结构构件使结构第1阶自振频率增加27.3%；墙体安装使第1阶自振频率最大提高9.3%；屋面防水等非结构构件使结构第1阶自振频率最多下降10.5%，而楼板则对结构频率无明显影响。有限元模拟结果表明，结构主要构件在施工过程中荷载效应小于相应构件承载力的6%，结构施工期安全性风险小。     

Numerical study of built-up double-Z members in bending and compression

The use of the finite element method (FEM) for the design of composed, thin-walled, structural steel members is considered. The bolted double-Z frame member is an interesting and economical engineering solution, already used in practice [1]. However, the European recommendations for the design of steel structures do not consider built-up members from cold-formed steel profiles. Finite element analysis is used to capture the various buckling effects that shape the response of slender thin-walled members. From the finite element model, the importance of initial imperfections and stiffness of connections is identified. The experimentally validated model predictions show that a non-linear finite element analysis can predict the member behaviour, in terms of failure mode and ultimate load, yield line pattern, overall stiffness and local strain in the cold-formed profiles. To obtain a good prediction, overall and localised initial imperfections should be considered and included in the analysis.     

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。     

半刚性钢框架滞回性能的数值模拟分析

利用有限元分析软件ANSYS对单腹板角钢连接、双腹板角钢连接、顶底角钢连接、带双腹板的顶底角钢连接四种不同连接方式的钢框架进行非线性有限元分析。采用Kishi-Chen幂函数模型和COMBIN 39单元模拟半刚性连接的非线性行为。通过比较四种不同连接方式钢框架的滞回曲线,探讨半刚性连接方式对钢框架耗能能力的影响,为半刚性连接钢框架的设计提供参考。     

基于无损检测的梁柱式木框架受火后剩余承载力研究

为利用无损检测评估木框架受火后剩余承载力,进行了两榀梁柱式木框架受火试验、阻抗仪无损检测试验以及火灾后剩余承载力试验研究,了解不同受火时间下木框架炭化速度、破坏形态和剩余承载力的变化规律,并采用ABAQUS软件对受火后木框架进行数值模拟分析,验证其极限承载力及破坏规律。研究结果表明：受火后木框架构件梁柱炭化速度相差不大,其炭化速度随受火时间的增大而减小;受火后木材材性参数与阻抗值存在一定的线性回归关系;考虑小试件强度转化为构件强度的影响因素后,受火后木框架构件材性参数亦可通过阻抗值获得;受火后木框架极限承载力明显降低,最终为梁跨中底部拉裂破坏;结合无损检测手段获得的受火后木框架构件材性参数,进行有限元模拟的结果与试验吻合,因此采用无损检测对受火后木框架剩余承载力评估是可行的。     

矩形钢管混凝土在华敏帝豪大厦中的应用研究

华敏帝豪大厦塔楼结构方案在综合考虑结构抗震性能、建筑功能及经济性后,外围框架柱和转换斜撑采用矩形钢管混凝土构件。介绍了矩形钢管混凝土结构的计算、构造和节点,着重阐述了钢管混凝土斜撑转换构件的设计和构造,并用有限元程序ANSYS对重要节点进行分析。工程实践表明,矩形钢管混凝土结构承载力高、抗震性能好,可显著减小柱断面,与钢框架梁连接方便。最后介绍了矩形钢管混凝土施工中的重要问题。     

Finite element modeling and parametric analysis of timber–steel hybrid structures

This paper presents finite element modeling and a parametric analysis of prototype timber–steel hybrid structures, which are composed of steel moment‐resisting frames and infill wood‐frame shear walls. A user‐defined element was developed to model the behavior of the infill wood shear walls based on the concept of pseudo‐nail model. The element was implemented as a subroutine in a finite element software package abaqus . The model was verified by reversed cyclic test results and further used in a parametric analysis to investigate the lateral performance of timber–steel hybrid shear walls with various structural configurations. The results showed that the infill wall was quite effective within small drift ratios, and the elastic lateral stiffness of the hybrid shear wall increased when a stronger infill wall was used. In order to ensure the structural efficiency of the hybrid shear wall system, it is beneficial to use relatively strong timber–steel bolted connections to make sure the shear force can be transferred effectively between the steel frame and the infill wall. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

国家体育场焊接方管桁架单K节点设计研究

结合国家体育场大跨度钢结构设计,提出了大尺寸焊接薄壁箱形截面桁架单K节点的几何构型方法,可用于折线形弦杆、弦杆侧壁与腹杆侧壁不垂直等多种情况,适用范围较大。通过调整节点板件之间的角度,使其传力合理。综合采用调整板厚、设置加劲肋等方式,提高节点的承载力,实现“节点与构件等强”的设计理念。此外,通过缩尺模型对所提出的单K节点进行验证性试验,试件的应力分布与有限元计算结果非常接近,节点具有较大的安全储备。