古建筑木结构燕尾榫节点刚度分析

通过对典型燕尾榫榫卯连接的模型低周反复荷载试验,研究了榫卯半刚性连接特性和刚度退化规律.试验得出榫卯连接的弯矩一转角滞回曲线及骨架曲线,并拟合出了弯矩一转角的关系方程和榫卯接节点恢复力模型,由实验结果给出了木结构榫卯连接刚度的非线性变化.研究结果为古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供了理论基础.     

木结构古建筑抗震性能参数分析

不同构造形式及其参数取值对木结构古建筑的动力特性及抗震性能有直接影响,因此研究参数变化对结构动力性能的影响规律,对于木结构古建筑的修缮与加固保护具有重要的指导意义。基于宋代《营造法式》制作了某单层单开间殿堂式木结构模型,建立了考虑柱础滑移隔震、榫卯半刚性连接及斗栱减震性能的空间杆系有限元模型,并与单向水平地震激励下的振动台试验进行了对比;通过参数分析探索了木结构斗栱、榫卯及屋盖等不同构造方式及相应结构参数取值的改变对其抗震性能的影响。结果表明:随着斗栱刚度的增大,整体结构的自振频率收敛于上限2.08 Hz,且其耗能减震作用逐渐变弱;随着榫卯节点的刚度逐渐变大,整体结构的自振频率收敛于上限3.26 Hz,柱脚的滑移量会随之增大而柱架侧移却随之减小,而榫卯节点刚度的减小在减少柱脚滑移量的同时会使得柱架的侧移变形大大增加,榫卯节点的刚度变化对结构自振频率的影响程度大于斗栱刚度;屋盖质量的增加会降低结构的自振频率,增大斗栱的水平变形,提高整体结构的抗震能力。     

传统民居抬梁式木构架抗侧力性能试验研究

为了解北方地区传统民居抬梁式木构架的抗震性能,制作了三榀足尺木构架模型,开展了低周往复的拟静力抗侧试验,研究木构架的受力特征、滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度的退化、耗能规律等,揭示不同柱基础及荷载条件对木构架抗侧力性能的影响.研究结果表明:馒头榫连接的木构架是一种变刚度的摇摆体系,主要的表现形式为柱脚翘起,馒头榫节点的拔榫量;木构架竖向荷载下存在明显的P-△二阶效应,该影响不可忽略;在大变形下由于二阶效应不能自己复位,主要借助外部荷载进行复位;允许柱脚滑移使木构架在低周往复水平荷载下表现出更为明显的摇摆特性,相比柱脚限制的情况耗能能力减弱,捏拢效应更为严重,但在一定程度上保护馒头榫节点;竖向荷载增大有助于提升木构架的抗侧性能;作为山墙位置的木构架竖向荷载偏小,容易导致木构架的抗侧承载力与耗能能力不足.研究成果将为北方传统村落"四梁八柱"木结构民居抗震性能的评估、修缮与加固提供科学依据.     

基于节点刚度的柱面巨型网格结构静力性能研究

建立半刚性节点柱面巨型网格结构数值分析模型,考虑几何非线性和初始缺陷的影响,分别研究节点轴向半刚性、弯曲半刚性及双半刚性结构的静力性能,还提出了双半刚性节点研究的不断逼近计算方法.结果表明:只考虑节点轴向刚度时,若其增加,静力稳定承载力随之增大;只考虑节点弯曲刚度时,静力稳定承载力变化较小;两者同时考虑时,结构承载力较只考虑轴向刚度时明显降低,可见节点的轴向刚度和弯曲刚度叠加效应明显.进而考虑此叠加效应,研究了焊接球节点结构的静力性能,发现节点刚度变化会引起结构内力与位移的显著变化,可见实际工程中节点半刚性的影响不能忽视.     

钢-混凝土组合框架柱的稳定设计方法

针对钢-混凝土组合框架的特点,利用考虑滑移影响的组合梁等效刚度计算方法,考虑组合楼盖的组合效应、组合梁与柱的实际约束程度以及节点的半刚性连接特征等因素,推导出有侧移和无侧移半刚性组合框架柱组合梁的刚度修正系数,提出了有侧移及无侧移组合框架柱的稳定设计方法。算例分析结果表明,该设计方法有效地利用了组合效应和节点的延性,具有较好的经济效益。     

古建筑木结构透榫节点特性试验分析

通过透榫节点柱架模型的低周反复荷载试验.得出了透榫节点的弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、节点回复力模型.根据试验数据.分析了透榫节点的半刚性连接特性和刚度退化规律.研究结果为古建筑的抗震性能研究和修缮加固工作提供了参考依据.     

承插型盘扣式钢管支架盘扣节点扭矩-转角模型适用性研究

承插型盘扣式钢管支架盘扣节点半刚性明显,是架体力学性能的重要影响因素之一.因此对架体进行精确数值分析时,需要合理选取盘扣节点扭矩-转角数学模型.在盘扣节点抗扭试验的基础上,采用数理统计方法获取盘扣节点扭矩-转角的二参数对数模型和三线性模型.通过架体荷载试验和有限元数值计算,对比分析盘扣节点单线性模型、三线性模型和二参数对数模型的适用性.三种盘扣节点模型参数选取合理时,架体有限元数值计算结果均可满足实际工程对稳定承载力的精度要求,其中盘扣节点采用二参数对数模型时,架体极限稳定承载力有限元数值计算值与试验值吻合性最好.由于立杆荷载分配不均、上下立杆连接半刚性、构件间隙和过盈装配等因素,架体侧移和盘扣节点扭矩的有限元数值计算值与试验值相差明显,结合试验数据规律,采用系数修正法对有限元数值计算结果进行了修正.     

唐代殿堂型木构架抗侧力性能影响参数分析

唐代殿堂型木结构是中国最早的木结构建筑遗存,具有极其珍贵的历史文化和科学研究价值。为深入研究此类木构架的抗侧力性能,建立了经模型试验验证的唐代殿堂型木结构单间四柱空间木构架精细化有限元模型,探究斗栱-梁架一体化铺作层构造,柱脚管脚榫、柱头馒头榫等弱连接节点形式以及竖向荷载大小和位置对木构架滞回耗能及抗侧力性能的影响。结果表明:水平往复荷载作用下,唐代殿堂型木构架表现为摇摆抬升,其水平位移以柱架层的水平位移为主,滞回曲线呈"S"形,具有明显的"捏缩"效应,两端较饱满,正反接近对称。木构架初始抗侧刚度最大,随位移增大退化明显。铺作层为刚度较大的水平结构层,其横梁联系存在一定的冗余度。柱脚管脚榫及柱头馒头榫均可增强木构架的滞回耗能及抗侧力,但两者发挥作用的阶段不同。竖向荷载越大,木构架的滞回耗能越大,水平抗侧力也越大;其作用位置在一个柱径长度内偏移对木构架的滞回耗能及抗侧力性能无明显影响。     

木结构半刚性结点的数值模拟

榫、卯单元的部位既不是刚结点,也不是铰结点,而是具有半刚性节点性质的单元.为了准确地逼近这种半刚性的榫卯连接刚度,本文总结了木结构半刚性单元研究进展,建立了便于分析计算的榫、卯有限元模型,利用MSC有限元分析软件得到数值计算结果与十字形试验结果模型相比对,采用响应面方法和优化迭代方法得到榫、卯半刚性单元的参数值.该分析方法和结果可应用于大型木结构整体分析中.     

半刚性连接钢框架位移和内力的计算

本文提出了半刚性连接钢框架位移和内力计算的刚度矩阵法,另外还提出了在水平荷载和竖直荷载作用下内力的简化计算方法。水平荷载作用下内力的计算用替代刚架法,竖直荷载作用下内力的计算可用弯矩分配法或分层法。本文对常见的五种高强螺栓梁柱节点连接的连接刚度进行了综合计算分析,总结出了在正常使用荷载下横梁线刚度同节点刚度比值的取值范围。     

Effects of interface slip and semi-rigid joint on elastic seismic response of steel-concrete composite frames

The stiffness matrix of semi-rigidly connected composite beams considering interface slip was established and the calculation method for elastic seismic response of composite frame was derived. The corresponding calculation programs were developed. Introducing the dimensionless quantities that were related to the connector shearing stiffness and the joint rotation stiffness, the influences of interface slip and semi-rigid joint on composite frame were transferred to quantitative parameter analysis, taking account of cross sectional properties, materials and linear stiffness of composite beam synthetically. Based on the calculation programs, free vibration frequencies and seismic responses of semi-rigid joint steel-concrete composite frame considering interface slip were calculated. The influences of interface slip and semi rigid joint on dynamic characteristics and seismic response were analyzed and the seismic design advices were presented. The results show that the interface slip decreases the free vibration frequencies and increase the seismic responses of composite frame. The semi-rigid joint reduces the free vibration frequencies and increases seismic responses of composite frame compared with rigid joint. With the increase of joint rotational stiffness, the elastic seismic responses of composite frame increase firstly and then decrease. The effects are related to the ratio of joint rotation stiffness to linear stiffness of composite beam.     

古建筑木结构的承载及抗震机理

从古建筑木结构的材料劣化损伤、材性衰退、柱脚节点、榫卯节点缝隙与性能、斗栱性能与构架性能等几个方面探讨古建筑木结构的承载机理。从宏观和微观尺度分析古建木构材料性能,建立构件层次的古木材性时变模型;提出木柱摇摆-抬升的力学模型及精细化分析方法;建立榫卯节点缝隙概率分布模型,构建榫卯节点模型及分析方法;分析单朵斗栱力学性能及斗栱层的协同作用;通过摇摆木构架的试验和理论分析总结节点摩擦耗能、重屋盖高位储能、构架长周期摇摆释能的综合抗震机理。     

T形钢连接梁柱半刚性节点初始转动刚度计算公式

为了确定T形钢连接半刚性节点的初始刚度,分析T形钢连接梁柱节点的变形特征.以节点处与梁端受拉侧翼缘相连的T形钢为研究对象,将T形连接件翼缘受力视为简支梁,建立T形钢连接节点在弹性阶段的初始转动刚度计算模型,推导初始转动刚度的计算公式.采用数值模拟和已有试验数据,对所推导公式进行对比分析.结果表明,节点的初始转动刚度主要取决于T形钢连接件的翼缘厚度、T形钢翼缘上螺栓的位置和梁的高度,通过推导公式所得的初始刚度大于数值模拟和试验所得刚度.为了更加准确地预测节点初始转动刚度,引入刚度修正系数,分别采用修正后的刚度公式和已有的计算公式计算案例.结果表明,修正后的刚度公式能够更好地符合试验结果.     

半刚性节点钢框架-十字加劲钢板剪力墙结构的数值分析

为了研究半刚性节点钢框架-加劲钢板剪力墙结构体系的抗震性能和传力机理,模拟实际框剪结构的底部两层,对一榀单跨两层1/3缩尺半刚性节点钢框架-十字加劲钢板剪力墙结构进行了抗震拟静力试验研究,在试验模型的基础上,建立了非线性有限元模型,并验证了模型的有效性.考虑影响结构抗震性能的4个主要因素:节点刚度、剪力墙厚度、框架柱的刚度、肋板刚度比,进行了4个系列16个有限元模型的变参数分析.结果表明:降低节点刚度有利于提高结构的延性和耗能能力;增加柱的刚度和肋板厚度可提高结构的初始刚度、承载力和延性性能;增加内填墙板的厚度,将降低试件的延性性能;内填墙板在加载初期非常有效,承担70%～85%的水平剪力,研究为该种结构体系的工程应用和理论分析提供依据.     

半刚性节点钢框架系统的强度可靠性分析

为了更为准确地评估钢框架系统可靠性,将实际的半刚性连接节点视为转动弹簧单元,推导了半刚性梁元节点失效的减缩刚度矩阵和等效节点力公式.采用分枝限界法研究了半刚接框架的系统强度可靠性,并与刚接和铰接结构进行了对比.算例表明,含有半刚性节点的主要失效路径和失效概率发生了较大变化,其系统可靠性介于刚接与铰接结构之间,节点刚度对钢框架系统可靠性的影响较大.     

变截面门式刚架的几何非线性性能

基于二维等截面梁元几何非线性有限元理论,按照更改的拉格朗日列式法,推导了等截面梁元弹性刚度矩阵与几何刚度矩阵,并推广到变截面梁元;通过对刚架几何非线性性能的分析,结果表明刚架刚度、刚架高度以及水平荷载对刚架几何非线性的影响较大。     

半刚性节点初始刚度的组件式计算模型

为了简便、准确地模拟半刚性梁柱节点的力学性状,在欧洲规范（EuroCode3）组件方法的基础上,建立各种荷载模式下T型件的组件式模型,并通过将梁柱半刚性节点等效为一系列T型件的组合,建立由一系列等效弹簧与杆件组成的半刚性梁柱节点的组件式计算模型.与EuroCode3相比,该方法的特点在于以T型件为基本分析单元,采用单个弹簧代替多个弹簧来模拟每个T型件.结果表明,T型件的拉力-位移关系曲线与精细数值计算、试验成果吻合良好,且计算的梁柱节点初始刚度、弯矩-转角关系曲线与试验值很接近,验证了本文方法的正确性.     

半刚性节点单层球面网壳的弹塑性稳定性分析

为了研究半刚性节点单层球面网壳的稳定性能,提出其适用的分析方法,利用大型有限元软件ANSYS建立螺栓球节点的实体模拟方法和半刚性节点单层球面网壳的数值模型.通过试验数据与数值分析结果的比较,证明方法的可行性,进而模拟工程中常用的螺栓球节点,求得其弯曲刚度,对30 m跨度的螺栓球节点单层球面网壳进行稳定性分析.结果表明:节点的弯曲刚度不同时,网壳的稳定性能及其失稳模态变化明显;节点的扭转刚度和节点域不同时,网壳的稳定性能基本没有变化;荷载分布不同时,网壳的稳定性能发生改变.节点的弯曲刚度和不同的荷载分布形式是影响单层半刚性球面网壳稳定性能的重要因素.