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。     

传统木结构典型榫卯节点基于摩擦机理特性的低周反复加载试验研究

为研究榫卯节点接触面间的摩擦效应对榫卯节点减震耗能能力的影响,通过改变榫卯节点接触面间的摩擦系数,对3种古建筑中常用的透榫节点、燕尾榫、梁下有枋透榫节点模型进行低周反复荷载试验,并对基于摩擦特性的节点耗能能力的影响进行量化分析。研究结果表明：摩擦对3类节点的破坏形态、承载力及延性影响不大;透榫及梁下有枋透榫节点滞回曲线呈现出典型的反Z形,捏缩效应比较明显,且摩擦系数小的模型滞回环面积明显小于摩擦系数大的模型,燕尾榫节点滞回曲线较为饱满,未出现明显捏缩效应,摩擦系数改变对燕尾榫节点滞回环面积影响较小;摩擦对透榫及梁下有枋透榫节点初始刚度影响较大;透榫节点摩擦系数为0.38时的等效黏滞阻尼系数是摩擦系数为0.20时的2倍多,梁下有枋节点摩擦系数为0.38时的等效黏滞阻尼系数是摩擦系数为0.20时的1.4倍,摩擦对燕尾榫节点等效黏滞阻尼系数的影响主要体现在对节点耗能能力达到峰值的发挥速度上。     

胶合木梁柱直榫-L型钢板连接节点抗震性能试验研究

通过4组14个胶合木节点试件的单调和低周反复加载试验,研究了梁柱直榫钢板连接节点的抗震性能。试验研究表明,胶合木梁柱直榫-钢板节点性能主要取决于木螺钉锚固性能和榫卯挤压变形能力;节点试验初期,木螺钉与木材的咬合力会使节点刚度较大,试验后期木螺钉横纹拔出致使节点承载力降低,由于榫卯挤压使得节点破坏形式为塑性破坏模式;同等条件下,直榫-钢板节点的极限承载力和刚度均大于胶合木纯榫卯节点,节点承载力和刚度随螺钉直径的增加而增加,随榫头长度减小而减小。     

传统民居穿斗式木结构栓榫节点抗震性能试验研究

以川西传统民居穿斗式木结构中的栓榫节点为研究对象，参照当地典型工程，制作了4个缩尺比为1∶1.33的榫卯节点，并对其进行低周反复加载试验，得到了栓榫节点的破坏形态、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律以及耗能能力等抗震性能指标；利用ABAQUS软件建立有限元模型，分析梁截面高度和栓子截面尺寸对榫卯节点承载力的影响。结果表明：节点的破坏形态主要为半榫节点榫头拔出、采用方形栓子节点榫头发生剪切破坏、采用圆形栓子节点榫头发生折断破坏；柱子基本完好，榫头破坏较为严重；所有节点的弯矩-转角滞回曲线均呈Z形，滞回环的捏拢效应较为明显；采用方形栓子节点的受弯承载力、转动刚度和耗能能力均大于半榫节点，且随着方形栓子截面尺寸的增大而逐渐增大；栓榫试件破坏时节点转角均大于半榫试件，说明栓子的存在能够提高榫卯节点的变形能力；枋截面高度对榫卯节点承载力影响较大，方形栓子边长和圆形栓子直径分别为10~30mm和10~20mm时较为合理。研究结果可为传统民居穿斗式木结构的定量参数化设计和抗震性能分析提供参考。     

榫卯间缝隙对古建筑木结构燕尾榫节点承载性能影响的有限元分析

以宋《营造法式》为标尺,建立分析2个一榀燕尾榫柱架有限元模型,包括节点无缝隙柱架模型和节点有缝隙柱架模型。在不同竖向荷载下,对2种模型进行水平往复加载模拟,得出2种模型的滞回曲线及骨架曲线,以分析屋顶质量和榫卯间缝隙对木结构节点承载性能的影响。结果表明:木结构的屋顶质量越大,结构整体刚度越大,耗能越可观;2种柱架的榫头与卯口之间存在较明显的挤压变形,滞回曲线都呈现"捏缩"现象,但节点有缝隙模型由于榫卯节点之间的缝隙导致节点紧密度下降,其滞回环饱满度差,结构耗能能力弱,抗震性能差。通过对比分析节点无缝隙和有缝隙模型的计算模拟结果,得出燕尾榫榫卯节点的破坏方式和缝隙对燕尾榫柱架造成耗能减少、刚度降低的影响,为古建筑抗震性能研究和榫卯节点处修缮加固提供借鉴。     

BFRP加固榫卯节点抗震性能试验研究

通过玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)加固圆形截面木结构榫卯节点的水平低周反复荷载试验,对加固后榫卯节点的抗震性能进行了研究,主要包括滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律、变形等。试验结果表明,BFRP加固榫卯节点的滞回曲线和未加固榫卯节点的滞回曲线图形明显不同,BFRP加固能够有效提高榫卯节点的承载力和刚度。根据榫卯节点刚度和极限承载力提高的比例,提出了BFRP加固榫卯节点的加固设计经验公式。     

不同工法玄武岩纤维布加固榫卯节点抗震性能试验研究

根据工程情况,通过对比不同工法玄武岩纤维布(BFRP)加固榫卯节点后的榫卯节点力学性能,探讨不同工法下BFRP加固榫卯节点的抗震性能;主要包括滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律、极限承载力和最大刚度等.试验结果表明,不同工法下BFRP加固榫卯节点的滞回曲线图形明显不同,榫卯节点的极限承载力和最大刚度也有较大幅度差距...     

不同松动程度的古建筑燕尾榫节点抗震性能试验研究

为研究松动对燕尾榫节点抗震性能的影响,参照清工部《工程做法则例》,制作了6个缩尺比为1∶3.2的燕尾榫节点,包括1个完好节点和5个不同松动程度的节点,燕尾榫节点的松动采用削减榫头尺寸的方法来模拟。通过低周反复加载试验,对节点的破坏形态、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律和耗能能力等进行了研究。结果表明:节点的破坏形态主要为榫头部分拔出、榫头和卯口间发生挤压变形、卯口处木材纤维翘起,柱和枋基本完好;所有节点的弯矩-转角滞回环形状均呈反Z形,且节点松动程度越大,其滞回环捏拢效应越明显;松动节点的弯矩、刚度和耗能能力均低于完好节点,且随着节点松动程度的增大而逐渐降低;所有节点破坏时节点转角均达到0.12 rad,且弯矩未出现下降段,说明松动后燕尾榫节点具有较好的变形能力。研究成果可为现存传统木构建筑燕尾榫节点的抗震评估提供参考。     

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;相同类型的榫卯节点,随着荷载比的增加耐火极限减小;相同荷载比时,单向直榫节点耐火极限比透榫节点稍高.     

残损古建筑木结构叉柱造式斗栱节点抗震性能退化规律研究

为研究残损叉柱造式斗栱节点的抗震性能及其退化规律,以独乐寺观音阁平座层叉柱造式斗栱为研究对象,参照宋《营造法式》三等材的营造方法,制作4个叉柱造式斗栱节点,并采用人工模型方法,模拟构件表面腐朽、虫蛀及裂缝等三类残损斗栱节点。通过低周反复荷载试验,研究残损斗栱节点的破坏形态、滞回性能、抵抗弯矩承载力、转动刚度、耗能及其退化规律。试验研究表明:残损叉柱造式斗栱节点的破坏形态与完好斗栱节点相似,残损节点模型的破坏更显著、更严重;残损斗栱节点的弯矩-转角滞回曲线呈弓形,滞回环捏缩效应较小,层间滑移现象减弱;不同残损斗栱节点的抵抗弯矩承载力和转动刚度都有一定程度的降低;残损节点的耗能能力都有所提高;残损斗栱节点仍具有较好的变形能力和延性。初步建立了节点的残损度与其抗震性能退化之间的关系。研究成果对我国现存叉柱造式古建筑木结构的残损评估和保护具有重要参考价值。     

含耗能雀替的榫卯节点抗震性能试验研究

榫卯节点是一种半刚性的连接节点,抗弯能力相对较弱,接近于铰接特征。为了提升榫卯节点的承载力、刚度以及耗能能力,根据榫卯节点的力学特征设计了耗能雀替,通过对不同顶层段距比例、不同厚度、不同宽度的耗能雀替进行低周反复荷载试验及有限元模拟,得到其滞回曲线和骨架曲线。建立12个含不同尺寸耗能雀替的榫卯节点参数化模型,通过有限元模拟,得到其滞回曲线、骨架曲线和耗能曲线。结果表明：耗能雀替在受压与受拉状态均具有良好的耗能特性,具备双向耗能、多点屈服、可参数化设计等优点;增加钢板厚度和宽度可以有效提升耗能器的承载力和刚度,顶层首段段距适当减小可提高耗能雀替的力学性能;采用耗能雀替加固榫卯节点后,耗能雀替钢板的屈服大大提高了榫卯节点的耗能能力,增加内层钢板厚度的耗能雀替可以更有效地提升榫卯节点的抗震性能。     

抬梁式木构古建榫卯节点受弯破坏数值分析

榫卯节点是木构古建梁柱连接的典型形式,节点的受力性能对木构架整体稳定性有着重要影响。为保护古建筑,采用数值模拟方法,以抬梁式木构古建的两种典型榫卯节点形式—直榫和燕尾榫为例,研究了弯矩作用下榫卯节点的破坏形式及破坏特征。基于两种榫卯节点的典型构造特征,建立了受弯荷载作用下的有限元模型。通过在梁侧面施加逐步增大的位移荷载(共10mm)来研究两种节点的拉、压、剪应力分布特征及节点的弯矩-转角关系,获得了节点在不同加载值的相应内力峰值及转角刚度变化情况。结果表明:在弯矩荷载作用下,直榫的榫头容易产生拉、压、剪破坏,而卯口相对不易产生破坏;而燕尾榫榫头与卯口都容易产生拉、压剪破坏,且破坏程度比直榫严重;另一方面,燕尾榫节点的转动刚度要大于直榫,因而不易产生转动,一旦发生转动,其破坏的可能性要大于直榫节点。     

中国古建筑木结构榫卯节点加固的试验研究

通过对3个按照<营造法式>制作的二等材殿堂式木构架的缩尺模型,以及3个碳纤维布和2个扁钢加固榫卯节点的构架模型在水平低周反复荷载作用下的试验研究,得到了未加固构架、碳纤维布加固构架及扁钢加同构架的破坏特征、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:所有构架的梁、柱构件完好无损,破坏均发生在榫卯节点;未加固构架、碳纤维布加同构架及扁钢加固构架的滞回曲线有明显的不同;碳纤维布和扁钢加固后构架强度和刚度增加,而耗能能力却有所降低;木构架具有非常好的变形能力.扁钢加固适合于强度或刚度明显不足且较隐蔽的榫卯节点.而碳纤维布加固适合于破损程度较小的榫卯节点.     

3种材料加固古建筑木构架榫卯节点的抗震性能

采用扒钉、CFRP布(碳纤维增强塑料布)和钢箍3种材料加固古建筑木构架榫卯节点.通过人工加载方式,进行低周反复加载试验,分析3种材料加固后榫卯节点M-θ(弯矩-转角)滞回曲线、M-θ均值骨架曲线、耗能能力、刚度退化和延性的变化,对比了3种材料加固榫卯节点的抗震效果,并对3种材料在木构架加固工程中的应用提出建议.结果表明:榫卯节点加固前后均有良好的变形能力;CFRP布加固节点承载力＞钢箍加固节点承载力＞扒钉加固节点承载力;CFRP布加固节点耗能能力＞钢箍加固节点耗能能力＞扒钉加固节点耗能能力;CFRP布加固节点刚度退化＞扒钉加固节点刚度退化＞钢箍加固节点刚度退化;CFRP布加固节点延性＞扒钉加固节点延性＞钢箍加固节点延性.建议扒钉用于小型木构架加固;CFRP布用于中小型木构架加固;钢箍用于中大型木构架加固.     

新型竖向半燕尾榫节点抗震性能研究

传统榫卯连接较为常见的有燕尾榫、透榫、半透榫等。鉴于传统燕尾榫存在削弱柱横截面面积、传统透榫地震时易拔出等缺陷,本文提出了一种用于木结构建筑梁柱的竖向半燕尾榫节点连接结构。分别制作了传统透榫、新型竖向半燕尾榫(边柱与中柱连接)、新型竖向半燕尾榫(中柱与梁连接)节点模型,并按照缩尺比例1∶4. 8进行制作,用于对比分析新型竖向半燕尾榫节点的抗震性能。通过低周往复试验对3个模型进行研究。试验结果表明:3个模型都是梁柱几乎没有发生破坏,透榫节点主要是拔出破坏,而新型竖向半燕尾榫是榫颈拔断破坏。从滞回曲线来看,3个模型的滞回曲线都呈反S形,且都具有一定程度的捏拢效应,但新型竖向半燕尾榫节点的捏拢效应要低于传统直榫。新型竖向半燕尾榫节点的转动弯矩、刚度和耗能能力优于传统直榫节点。     

传统榫卯节点木框架抗震加固方法的试验研究

为增强传统木结构的抗震性能,研发了竹支撑加固、单向钢拉杆耗能支撑加固和角钢加固三种加固方法。通过包括对比木框架试件和加固木框架试件在内的4榀足尺榫卯节点木框架试件的低周反复试验,研究了加固前后榫卯节点木框架的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、耗能性能与榫卯节点的弯矩-转角关系。试验结果表明,三种加固方法均能不同程度提高榫卯节点木框架的侧向承载能力,并且具有良好的耗能能力。在合理设计基础上,提出的加固方法与施工工艺可为传统木结构的抗震加固提供有效的技术支撑。     

不同拔榫程度的古建筑燕尾榫节点受力性能分析

现存的古建筑燕尾榫节点中容易出现拔榫现象,为研究拔榫对燕尾榫节点受力性能的影响,利用ABAQUS软件对拔榫节点进行了有限元分析,得到了燕尾榫节点的弯矩-转角曲线和节点的应力分布状态,并针对拔榫程度对节点转动刚度和承载力的影响进行了分析。结果表明:燕尾榫节点的受力可分为弹性段和强化段;榫头和卯口在顺纹方向均未达到屈服,而在横纹方向上已进入强化段;随着节点拔榫程度的增大,节点的弹性刚度、强化段刚度及承载力均减小,且随着节点拔榫程度的增加,其减小的幅度在降低。研究可为燕尾榫节点的加固提供一定的参考。     

橡胶加固木榫卯节点的滞回性能研究

地震作用下,穿斗式木结构中榫卯节点由于自身构造特性,榫头和卯口产生相对转动,相互挤压以至节点松动,导致承载能力减弱。采用橡胶块对透榫节点区域进行加固,通过结构矩阵推导得到其刚度矩阵方程,从理论上近似得到加固效果,并对比分析数值模拟结果和往复荷载试验结果,得到橡胶加固节点的滞回性能。结果表明:该加固方法可以有效地利用橡胶良好的弹塑性性能,阻碍柱枋相对转动和滑移,延长榫卯节点的工作状态;橡胶变形提高了节点耗能能力和滞回性能。     

广府木祠堂典型榫卯节点参数化分析

通过有限元软件ABAQUS对广府木结构祠堂的典型节点箍头榫和直榫进行参数分析,充分考虑节点承载力和刚度的影响因素和木材正交各项异性的材性特点,两类节点各选取一定数量建立三维实体有限元模型,分析并获得各种参数变化下节点弯矩承载力和节点转动刚度的变化规律。本文还对节点的M-q曲线进行了双线性拟合,给出了考虑节点各尺寸参数的拟合公式,研究结果将为广府木祠堂修缮和结构加固提供节点承载力和节点转动刚度计算依据和取值参考。     

基于分式析因设计的燕尾榫节点抗弯性能研究

为研究节点尺寸、木材材性和摩擦因数等因素对燕尾榫节点在单向荷载作用下抗弯性能的影响,采用分式析因设计方法,结合有限元模拟技术获得了32组不同工况下燕尾榫节点的初始转动刚度和极限弯矩承载力样本值。基于统计分析给出了不同影响因素对燕尾榫节点抗弯性能影响显著性程度的量化指标,并分别建立了燕尾榫节点初始转动刚度和极限弯矩承载力关于显著性因素的回归模型,最后结合回归模型给出了可直接用于古建筑木结构整体结构计算的燕尾榫节点三参数幂函数模型。结果表明:不同评价指标下各因素显著性程度存在差异,但总体而言,榫高、榫长和摩擦因数这3个因素对燕尾榫节点的初始转动刚度和极限弯矩承载力的影响最为显著;在一定范围内,基于回归模型获得的燕尾榫节点三参数幂函数模型具有一定的可靠性,可利用该公式直接计算获得燕尾榫节点的弯矩 转角曲线,且计算简单便于应用;所得结果可为现存古建筑木结构的燕尾榫节点抗弯性能分析提供参考依据。