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。     

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。     

阻燃涂料处理胶合木短柱四面受火后力学性能试验研究

通过4组14根胶合木短柱四面受火后力学性能的对比试验,研究不同截面尺寸、表面处理、受火时间后胶合木柱的剩余承载力、破坏形态和炭化速度的变化规律。研究表明,四面受火20~60min后,胶合木柱剩余承载力随受火时间增加而显著降低,下降幅度为21%~73%,且下降幅度随截面尺寸的增加而减小,截面尺寸为200×200时,下降幅度为28%~73%,截面尺寸为300×300时,下降幅度为21%~51%。胶合木柱炭化速度随受火时间增加有所降低。提出的基于实测炭化速度剩余承载力改进计算方法的计算结果与试验结果吻合较好,可用于预测四面受火胶合木柱的剩余承载力。     

工程竹柱四面受火后力学性能的试验研究

考虑目前常用的工程竹类型胶合竹和重组竹,通过2组10根工程竹柱四面受火后力学性能的对比试验,研究了不同受火时间后工程竹柱剩余承载力、破坏形态和炭化速度的变化。结果表明:不同受火时间后工程竹柱的剩余承载力明显降低,受火10~20min后降低幅度达29.0%~83.1%。四面受火后工程竹柱剩余承载力下降程度随受火时间增加而增加,随截面尺寸增加而减小。剩余承载力下降主要是由于四面受火后工程竹柱表面炭化引起的有效截面面积减少,以及四面受火后靠近炭化层的高温分解层强度明显劣化所致。各组对比试件的初始刚度均明显大于不同受火时间后试件。由于角部遭受两个方向的热传递,四面受火后工程竹柱角部炭化后变为弧形,等效成矩形截面后的等效炭化速度比非角部影响区的平均炭化速度大;胶合竹柱的炭化速度比重组竹柱的炭化速度略高。     

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。     

木梁四面受火炭化速度及剩余受弯承载力试验研究

为研究我国常用树种木构件的抗火性能,进行了4组共12根木梁四面受火试验、以及受火后的剩余受弯承载力试验研究。结果表明,木梁有效面积因受火炭化而减小,边角棱角不再存在,呈圆弧状,靠近炭化层的高温分解层木材强度明显劣化;表面无防火措施木梁的平均水平炭化速度为0.827mm/min,平均竖向碳化速度为0.848mm/min;受火木梁受弯试验过程中跨中截面基本符合平截面假定,破坏模式基本同对比木梁;极限承载力、极限位移、刚度、弯曲弹性模量随着受火时间增加而减小;防火涂料能有效降低炭化速度,提高受火后剩余承载力、极限位移、刚度,防火效果显著。     

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。     

木梁三面受火后力学性能的试验研究

木梁三面受火后截面分为三个区:外侧为炭化层,承载力完全丧失;中间为高温分解层,承载力明显劣化;内部为正常层,承载力无影响。通过4组15根木梁三面受火后力学性能的对比试验研究,了解不同受火时间后木梁剩余承载力、破坏形态和炭化速度的变化。研究结果表明,三面受火后木梁初始刚度明显降低,剩余承载力显著减小。三面受火后木梁承载力下降原因主要包括:受火后木梁表面炭化使有效面积减小,中和轴上升;受火后靠近炭化层的高温分解层木材强度明显劣化。由于角部遭受两个方向的热传递,使木梁下角部炭化加速后变为弧形。随着受火时间增加,木梁炭化速度有所降低;且竖向炭化速度略大于水平炭化速度。     

古建筑木结构透榫节点力学模型研究

为研究古建筑木结构透榫节点的M-θ力学模型，在分析透榫节点构造特征与受力机理的基础上，建立其数值模型，用透榫节点的试验数据验证了该数值模型的正确性，并分析了节点缝隙、木材横纹弹性模量和大榫头长度对透榫节点受弯承载力的影响。根据受力分析结果，建立以弹性点、屈服点与极限点为特征点的三折线多参数M-θ力学模型，其结果与多数的试验结果基本吻合，并将该力学模型应用于木构架的受力分析。研究结果表明：透榫节点的滞回耗能能力强，节点的变形主要集中在榫头处。当榫头与卯口之间的缝隙增大时，节点的受弯承载力降低。随木材横纹弹性模量的提高和大榫头长度的增加，节点的受弯承载力有一定提高。文章建立的M-θ力学模型能较好反映透榫节点的受力过程，适用于木构架的受力分析，其荷载 位移骨架曲线与试验结果基本吻合。研究成果可为古建筑木结构的维修与保护提供参考。     

古建筑木结构基于结构潜能和能量耗散准则的地震破坏评估

为了掌握古建筑木结构地震作用下的破坏过程及对应的破坏状态,对震后古建筑木结构的破坏程度做出合理的评估,基于燕尾榫柱架和枓栱铺作层低周反复荷载作用下的滞回特性和能量耗散原理,将燕尾榫柱架和枓栱铺作层作为两个耗能构件,计算其在低周反复荷载作用下的“抵抗破坏潜能”;根据古建筑木结构振动台试验,计算各工况地震作用下每一耗能构件所耗散的能量;基于构件的“抵抗破坏潜能”和各工况下的地震耗能情况建立耗能构件在不同地震作用下的地震破坏评估模型,并借助能量分配系数找到各耗能构件破坏状态与整体结构破坏状态之间的关系,从而建立整体结构在不同地震作用下的破坏评估模型;应用该地震破坏评估模型,分别对燕尾榫柱架和枓栱铺作层和整体结构进行构件地震破坏评估及整体结构地震破坏评估,所得到的破坏系数能较好地反映各构件以及整体结构在不同地震作用下的破坏状态,研究结果可为古建筑木结构的抗震加固提供可靠的理论依据。     

传统地仗处理木梁三面受火后力学性能试验研究

传统地仗层既可作为传统木结构建筑油漆工艺的基层,又能有效防止木构件腐朽和虫蛀,但地仗处理对木构件防火能力影响的研究还很少.通过4组12根木梁受火后力学性能的对比试验,研究了一麻五灰传统地仗工艺对三面受火木梁耐火性能的影响,分析了是否采用一麻五灰、受火时间等参数对木梁极限承载力、初始刚度和炭化速度变化规律的影响.结果 表...     

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...     

古建筑木结构榫卯节点抗震试验研究

通过对五个按照清代工部《工程做法则例》的做法制作的燕尾榫榫卯节点模型在反复荷载作用下的试验研究,得到了各节点的破坏形式、滞回曲线、骨架曲线、变形等性能.试验表明:木结构榫卯节点具有很好的变形能力,最大加载位移为100mm;节点破坏形式为榫头从卯口内拔出即脱榫破坏,榫头和卯口均产生明显的挤压变形,但梁、柱构件没有损坏;各...     

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。     

燕尾榫节点梁柱式木框架抗火性能试验研究

为研究燕尾榫节点木框架的抗火性能，制作了4榀燕尾榫节点单层单跨木框架试件，开展了1榀木框架在常温下静力加载试验，以及3榀木框架在ISO 834标准升温条件下的持载高温试验，分析了高温下梁上的持荷水平对木框架破坏模式的影响。静力加载试验中，木框架在荷载-位移曲线上升阶段20~30kN时刚度显著增大，到破坏荷载80kN后刚度下降；临近破坏荷载时，榫头底部受压屈服，且榫头有从卯口拔出的趋势，木梁榫头部位约在二分之一高度处突然劈裂破坏，破坏时呈现明显的脆性。抗火性能试验表明，梁上的持荷水平对榫头上部的测点温度分布有较大的影响，而对榫头下部、木梁、木柱的温度分布基本无影响；持荷水平对框架的破坏模式有较大的影响，持荷水平较低的试件KJ1，其破坏模式是跨中挠度的变形速率超过规范允许的限值，耐火极限为38min，破坏具有一定的延性，而持荷水平较高的试件KJ3，其破坏模式为梁端榫头发生破坏，耐火极限为23min，破坏具有突发性。     

木结构火灾性能研究进展

在已有木结构火灾性能研究资料基础上,分析和总结了木结构火灾特征、木材炭化机理和微观结构变化、木材炭化速度模型、受火木构件剩余承载力、持荷木构件耐火极限等研究现状,并提出了需要进一步研究的重点。     

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。     

古建筑木结构燕尾榫节点刚度有限元分析

燕尾榫是古建筑木结构中梁柱节点常用的一种连接方式,其半刚性连接特性已经被较多的试验研究证实。本文运用大型通用有限元程序Abaqus,参照国内学者试验建立了燕尾榫节点的精细化有限元模型,通过对模型进行低周反复加载,研究其破坏模式、刚度和延性。结果显示燕尾榫节点具有较好的转动能力和一定的刚度及延性,但其抗弯承载力远低于被连接构件的抗弯承载力,是一种相对较"弱"的连接。     

木柱四面受火后力学性能的试验研究

木柱受火后截面演化为三个区域:外侧为漆黑的炭化层,承载力完全丧失;中间为深灰的高温分解层,承载力明显劣化;内部为颜色不变的正常层,承载力无变化。通过5组24根木柱四面受火后力学性能的对比试验研究,了解不同受火时间后木柱剩余承载力、延性、破坏形态和炭化速度的变化过程。研究结果表明,受火后木柱剩余承载力显著降低,受火木柱的初始刚度均明显低于对比试件,部分截面较小的受火木柱发生偏压破坏。四面受火后木柱承载力下降原因主要包括:受火使木柱表面炭化,木柱有效面积减小;受火后靠近炭化层的高温分解层木材强度明显劣化;随着受火时间增加,木柱截面长细比增加导致其稳定系数降低;部分木柱由于局部裂缝使炭化不均,使受火后木柱的破坏形态由轴压转变为偏压破坏。受火木柱表面有裂缝处及角部的炭化速度加大;随着含水率降低,炭化速度有所增加;随着受火时间增加,炭化速度有所降低。     

四面受火胶合木中长柱耐火极限试验研究

通过4组10根胶合木中长柱四面受火的耐火极限试验,研究截面尺寸、持荷水平、阻燃涂料等对胶合木中长柱耐火极限的影响规律。通过理论分析提出了胶合木中长柱基于炭化速度的耐火极限计算方法,并采用有限元软件建立了胶合木柱热力耦合数值分析模型。结果表明,随着持荷水平增加,四面受火胶合木柱耐火极限明显降低,当持荷比由30%增加至50%时,耐火极限平均降低24. 5 min;随着截面尺寸增加,四面受火胶合木柱耐火极限显著提高,当截面尺寸由200 mm×200 mm增加至300 mm×300 mm时,耐火极限平均增加28. 0 min;当胶合木柱表面采用阻燃涂料涂刷后,耐火极限平均增加4. 0 min。胶层、持荷水平和截面尺寸对试件内部距离边缘相同位置处的温度变化无明显影响,表面涂抹阻燃涂料可稍降低试件内部温度的上升速度。垂直胶层方向和平行胶层方向的炭化速度无明显差异,有阻燃涂料处理的木柱炭化速度略小于无阻燃涂料处理的木柱炭化速度。基于剩余截面法计算的四面受火胶合木中长柱耐火极限计算值与试验值的相对误差绝对值的平均值为6. 5%,基本满足工程精度要求。有限元模拟得到的耐火极限与试验值的平均相对误差为8....