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。     

黔东南州传统木结构暗销钉直榫节点力学性能研究

贵州省黔东南州是穿斗式木结构集中区域,全州现存几十万栋木质民居,且都采用榫卯节点进行连接。为了给黔东南地区木结构的性能研究提供理论基础,以黔东南木结构带暗销钉的直榫节点为研究对象,分析其受力,建立带暗销钉直榫节点力学模型,推导出直榫节点M-θ公式,并与相关试验数据进行对比,发现理论公式与试验结果基本吻合。     

木构建筑典型榫卯连接刚度分析

以木构建筑透榫、半榫和燕尾榫为研究对象,采用有限元方法动态模拟节点低周反复荷载试验,获得不同节点弯矩-转角(M-θ)滞回曲线和骨架曲线,拟合出节点刚度退化曲线,并从中观察透榫、半榫和燕尾榫的破坏形式,以及节点构造对计算结果的影响。分析结果给出透榫、半榫和燕尾榫刚度随外荷载和相对变形呈非线性变化,以及不同节点刚度特性的差异性刻画。研究结果可为传统木结构建筑抗震性能研究提供理论基础。     

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。     

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。     

带雀替木结构燕尾榫节点抗震性能研究

为研究带雀替燕尾榫节点的抗震性能,对2个按宋《营造法式》制作的燕尾榫节点进行了水平低周反复加载试验,并结合有限元软件ABAQUS,对比分析了节点的破坏形态、滞回性能、转动弯矩等抗震性能参数。结果表明:随转角的增大,枋与雀替逐渐分离;带雀替燕尾榫节点的滞回曲线左右明显不对称,雀替仅可提高节点的正向转动弯矩。经试验验证,所建立的带雀替燕尾榫节点模型可有效模拟节点在反复荷载作用下的受力状态。研究结果可为古建筑木结构的修缮、保护提供参考。     

古建筑木结构骨架火灾下的温度场分析

针对我国古建筑存在的火灾危险性,利用ABAQUS建立某古建筑一榀木结构骨架的有限元模型,分析不同受火时间下木构架的温度场,给出各木构件的炭化速度及其变化规律以及榫卯节点的炭化规律、柱半高截面上部分点的温度变化规律。在一定的受火时间内,木构件的炭化速度呈现减小、增大、再减小趋势;竖直方向的炭化速度大于水平方向的炭化速度。在一段受火时间内,燕尾榫颈及其榫槽窄部出现有一定程度的炭化,且燕尾榫头与榫槽在靠近宽端的接触面均未出现明显炭化,瓜柱直榫头与榫槽也未出现明显炭化。     

基于摇摆柱原理的古建筑木结构柱架抗侧分析及试验验证

古建筑木结构柱架的抗侧能力对整体结构的抗震性能有着重要的影响。通过对柱架受力机理进行分析,得出在水平反复荷载作用下柱架的受力变形以侧移为主,类似于"摇摆柱";柱摇摆产生的埋置嵌入作用是柱架产生抵抗弯矩的根本原因;基于"摇摆柱"原理,并结合试验提出水平反复荷载作用下古建筑木结构柱架抗侧弯矩的理论计算公式,其计算结果与试验结果吻合良好;将试验与理论计算得出的M-θ骨架曲线进行拟合,分别得出了三组柱架的抗侧刚度公式。     

考虑局压效应的榫卯节点力学性能研究

木结构榫卯节点在受力过程中处于局部受压状态,通过木材横纹、顺纹方向的中部局压、端部局压、全截面受压性能的试验研究,得到了相应的材性参数;设计了钢榫头-木卯口、木榫头-钢卯口、木榫头-木卯口三组不同形式的分离式直榫节点试件,通过单调加载试验,对局部受压区域的应变分布特征进行了研究;基于试验研究得出的榫卯节点受力机理,建立了考虑局压效应的直榫节点力学模型。研究结果表明：木材横纹局压的抗压强度和弹性模量均高于全截面受压,顺纹局压与全截面受压的材性参数基本一致;榫卯节点受力区域的榫头应变远大于卯口应变,榫卯节点的受力挤压变形主要集中在榫头,而卯口变形可忽略;考虑局压效应的榫卯节点力学模型计算结果比未考虑局压效应所得的结果更符合试验结果。     

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。     

古建筑燕尾榫节点破坏机理及有限元分析

为了准确把握节点传力与木构架力学性能的关系,进而为整体结构的安全性评价提供依据。按照《清式营造则例》大式建筑的尺寸,建立了四个缩尺比为1：2的单间一榀燕尾榫构架模型,通过对其竖向加载,得出了节点的受力关键部位、主要破坏形式;结合理论和有限元分析进一步验证了节点的受力机理。文中提供的数据和结论,可供古建筑研究者在进行类似结构分析中提供参考。     

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。     

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。     

墙体参与工作的木构架古建筑抗震分析方法

针对木构架古建筑抗震分析中常忽略维护墙体作用的问题,进行了墙体与木构架的构造特征、力学性能和布置方案对整体结构抗震性能的影响分析。基于地震灾害统计资料,归纳了墙体与木构架的损伤特征,及其对古建筑总体震害程度的表述方法。运用动力特性现场实测和有限元分析方法,研究了墙体对古建筑基本周期和地震作用的影响程度。研究结果表明,木构架古建筑中的墙体对结构的整体抗震刚度有较大的贡献;包括墙体模型的基本周期与实测基本周期较为接近;而忽略墙体模型的基本周期显著大于实测基本周期,且计算的地震作用值偏不安全。根据古建筑抗震鉴定要求,并考虑砖砌墙体的脆性,提出了基于位移控制的、包括墙体微裂和开裂工作状态的木构架古建筑三阶段抗震分析方法。     

正交胶合竹木（CLBT）研究进展

正交胶合木(CLT)结构因其具有施工便捷、结构性能优良和易于维护保养等优点在欧洲和北美等地获得了广泛关注,并越来越普遍地应用于多层甚至高层建筑之中。我国有丰富的竹资源,同时竹材具有良好的力学性能、可加工性和耐久性。在可工业化生产的结构用胶合竹(Glubam)基础上,作者借鉴CLT的概念进一步提出了正交或交错胶合竹木(简称CLBT或CLTB)。在综述国内外学者在正交胶合木结构的力学性能、连接方式和抗震性能等方面的研究成果基础上,介绍正交胶合竹木的力学与物理性能试验结果,包括正交胶合竹木板梁的弯曲试验、柱的轴心受压试验以及墙体的热学和声学性能试验等,提出基于高阶剪切变形理论的解析模型用以估算CLBT梁、柱在相应荷载作用下的变形量,并通过试验验证该模型的准确性。相关初步研究结果表明：正交胶合竹木CLBT有良好的力学性能和与正交胶合木相当的保温隔热及隔声性能;采用国产速生杨木与Glubam胶合竹组坯制备的正交胶合竹木梁板的力学性能不逊于采用进口木材的同类竹木梁板。因此,正交胶合竹木的研发与应用将有助于进一步合理利用我国的速生林资源和丰富的竹资源;竹木等生物质材料在建筑中的应用对于实现碳中和具有重要的促进意义。     

Research progress of cross-laminated timber and bamboo (CLBT)

正交胶合木(CLT)结构因其具有施工便捷、结构性能优良和易于维护保养等优点在欧洲和北美等地获得了广泛关注，并越来越普遍地应用于多层甚至高层建筑之中。我国有丰富的竹资源，同时竹材具有良好的力学性能、可加工性和耐久性。在可工业化生产的结构用胶合竹(Glubam)基础上，作者借鉴CLT的概念进一步提出了正交或交错胶合竹木(简称CLBT或CLTB)。在综述国内外学者在正交胶合木结构的力学性能、连接方式和抗震性能等方面的研究成果基础上，介绍正交胶合竹木的力学与物理性能试验结果，包括正交胶合竹木板梁的弯曲试验、柱的轴心受压试验以及墙体的热学和声学性能试验等，提出基于高阶剪切变形理论的解析模型用以估算CLBT梁、柱在相应荷载作用下的变形量，并通过试验验证该模型的准确性。相关初步研究结果表明：正交胶合竹木CLBT有良好的力学性能和与正交胶合木相当的保温隔热及隔声性能；采用国产速生杨木与Glubam胶合竹组坯制备的正交胶合竹木梁板的力学性能不逊于采用进口木材的同类竹木梁板。因此，正交胶合竹木的研发与应用将有助于进一步合理利用我国的速生林资源和丰富的竹资源；竹木等生物质材料在建筑中的应用对于实现碳中和具有重要的促进意义。     

残损木柱受力性能退化试验研究与有限元分析

梁、柱等构件存在腐朽等局部残损是现存古建筑木结构的普遍状况,其显著地降低了木结构受力性能。为研究残损木柱受力性能退化规律,采用局部去除腐朽木材的方法模拟木柱上的局部残损,对4根不同残损程度的矩形木柱进行了轴心受压试验,得到了残损木柱的荷载-侧移、荷载-应变关系曲线,分析了残损木柱的破坏模式、承载力及刚度退化规律。试验结果表明,随着残损程度增加,残损木柱逐渐由轴压破坏变为偏压破坏,受压承载力显著降低。采用ABAQUS有限元软件对4种不同残损程度的木柱受压性能进行了模拟分析,模拟结果与试验结果吻合较好。在此基础上,分析了残损区域深度、长度等因素对木柱受力性能退化的影响规律。分析结果表明：随着损伤区域深度的增大,承载力降低幅值随之增大;随着损伤区域长度的增大,承载力降低趋于缓和。     

型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点受力性能非线性分析

在型钢再生混凝土柱-钢梁组合框架节点拟静力试验基础上,采用ABAQUS有限元软件建立了组合框架节点的数值计算模型,对该组合框架节点在水平荷载作用下的受力非线性行为进行了有限元分析,获取了组合框架节点的破坏过程、破坏形态、应力云图、荷载-位移曲线及荷载特征值,并对节点的承载力计算值与试验值进行了比较,验证了有限元计算模型的合理性,进而分析了有限元拓展参数对组合框架节点受力性能的影响规律。结果表明:有限元计算结果与试验结果吻合较好,该有限元模型能较好地模拟该组合框架节点在水平荷载作用下的受力性能;另外,提高再生混凝土强度或者箍筋强度对组合框架节点的抗剪承载力是有利的,但节点的延性变形能力有所降低;组合框架节点的抗剪承载力随着型钢强度的提高而显著增加,但节点的变形能力变化不大;增加体积配箍率或型钢配钢率可以明显提高组合框架节点的抗剪承载力和变形能力。