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，给出了考虑模型尺寸和材料特性的特征点计算式，其计算结果与大量试验数据吻合，并将该力学模型应用于木构架的受力分析中。研究结果表明：燕尾榫节点的挤压变形主要集中在榫头处，而卯口变形可忽略；提出的M-θ力学模型反映了燕尾榫节点的整个受力过程，适用于木构架的受力分析，其加载点荷载-位移曲线与试验结果基本吻合。研究成果可为中国古建筑木结构的维修与保护提供参考。     

古建筑木结构柱脚节点受力性能试验研究

在古建筑木结构中,将木柱直接平摆浮搁于础石之上,形成连接上部结构与台基之间的柱脚节点,其只承受压力而不承受拉力。在反复荷载作用下,木柱会沿柱脚边缘转动。为研究柱脚节点在地震、风荷载等作用下的受力性能,参考宋代《营造法式》制作了3个七等材足尺柱脚节点模型。通过低周反复荷载试验对柱脚节点的受力特点、滞回特性、转动刚度、刚度退化、柱脚截面等效半径和柱脚边缘点应变等特性进行研究,并分析了竖向荷载对上述性能的影响。试验结果表明：在反复荷载作用下,柱脚边缘出现受压变形,其转动支点交替变化;滞回曲线呈反Z形,产生捏拢现象;柱脚节点恢复弯矩和柱脚截面等效半径首先随转角增加而增加,而后逐渐趋于稳定;柱脚节点的初始转动刚度较大,随后刚度随转角增加逐渐减小;在反复荷载作用下,柱脚节点产生刚度退化现象,加载过程中,柱脚转动刚度为正值,表明其具有较好地转动性能;柱脚恢复弯矩、转动刚度、边缘点应变随竖向荷载增加明显增加,柱脚截面等效半径随竖向荷载增加而减小;通过试验拟合得到了竖向荷载对恢复弯矩和转动刚度的影响系数。     

传统木结构柱脚节点力学模型及有限元模型研究

木柱直接立于柱础石上是传统木结构中柱脚节点最常见的连接样式。在水平反复荷载作用下，由于木柱与础石之间一般不存在任何的连接，木柱会以柱脚与柱础石相接触的边缘点为转动支点发生转动，进而产生摇摆，其在摇摆状态下的受力性能对整个结构的稳定发挥了积极的作用。为研究传统木结构柱脚节点在地震作用下的转动性能，以浮搁柱础连接为研究对象，首先分析了木柱在水平反复荷载作用下的受力机理，建立了柱脚节点理论计算公式；随后依据柱脚滞回曲线的特点，提出了含有柱脚弹簧单元的木柱杆系有限元分析模型。结果表明：柱脚节点力学模型的计算结果与试验曲线吻合良好；木柱杆系有限元分析模型有效地反映了木柱在摇摆状态下的滞回特点。     

考虑楼板影响的钢结构半刚性连接节点弯矩-转角分析模型

在不考虑楼板影响的情况下,采用现有的双线性模型、多项式模型、三参数幂函数模型、欧洲规范EC 3模型的M-θ(弯矩-转角)曲线对钢结构外伸端板半刚性梁柱节点进行曲线拟合,并进行有限元分析。由于考虑了楼板的影响后,钢结构外伸端板半刚性梁柱节点的M-θ曲线与现有的半刚性节点M-θ模型存在较大的误差,说明现有的半刚性节点M-θ模型已经不适用于目前的实际情况。针对实际情况,考虑了楼板的影响,进行了带楼板的钢结构半刚性梁柱节点的有限元分析,并基于欧洲规范EC 3提出了考虑楼板影响的弯矩-转角模型。研究结果表明,所提出的考虑楼板影响的钢结构半刚性连接节点弯矩-转角分析模型较好地反映了半刚性连接节点弯矩-转角的实际性能,可供钢结构设计时参考。     

加劲肋对齐平端板半刚性节点力学性能影响

以装配式住宅工程为研究背景,通过有限元计算和试验研究特定型钢截面下加劲肋对于齐平端板连接半刚性节点力学性能的影响。根据试验加载现象、有限元计算结果和节点所受弯矩与梁柱相对转角曲线(M-θ曲线),表明加劲肋能改变这种齐平端板半刚性节点的初始刚度,提高节点极限承载能力,但提高效果并不显著,在此工程应用中可不设置节点域加劲肋。     

钢框架节点性能模拟综述

在钢结构门式刚架设计中,通常采用节点理想铰接或刚接的简化分析方法。但实际上梁柱节点具有一定刚度(即半刚性),这种简化方法不能反映节点的实际性能。20世纪开始逐渐出现了半刚性节点的分析方法,从最初的转角-位移方程和力矩分配法到刚度矩阵法,直至现在的融合整体和节点结构分析的迭代法。研究表明,框架分析中应该考虑节点转动性能,通常采用弯矩-转角曲线来描述。为确定节点的力学性能,可采用分析模型、经验模型、试验模型、力学模型、数值模型等,其中力学模型应用最普遍。介绍了各模型的优、缺点及主要特征。分析半刚性连接框架时必须模拟节点性能,这就与弯矩-转角性能的数值模型有关。基于分析模型,可输入弯矩-转角特性,包括:线性、双线性、多线性和非线性特性。虽然在力学模型中多采用多线性特性,但最准确的还是连续非线性特性。综述了钢节点研究的3个方面:1)半刚性节点分析方法;2)节点力学性能分析方法;3)弯矩-转角数值分析方法。     

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。     

半刚性连接的研究进展

在进行空间桁架建模时,在节点的处理上通常会采用理想化处理,即简化成铰接或者刚接,但这种简化方法与工程实际相比有一定差别,会导致计算结果的误差[1]。因此,本文通过节点的弯矩-转角关系,采用半刚性节点来模拟桁架的连接方式,务求以一种最切合实际的方式模拟桁架模型。现时M-θr关系曲线的数学模型主要有以下几种:1.线性模型;2.多项式模型;3.B样条模型[2]。本文采用的是线性模型,通过输入弯矩-转角的特征常数来模拟节点的转动刚度。务求用SAP2000得出不同节点模拟方式桁架的受力性能差别。     

半刚性螺栓球节点空间网壳结构受力性能研究

空间结构中常用的节点多数都是介于刚接和铰接之间的一种半刚性节点。国内对用于空间结构中的半刚性节点以及半刚性节点网壳的研究目前还比较少。基于半刚性节点的试验研究,得到了螺栓球半刚性节点在弯矩荷载和压弯荷载共同作用下的弯矩-转角曲线。利用大型通用有限元分析软件ANSYS建立了用于空间半刚性网壳结构的有限元分析模型。最后,将由试验得到的节点的弯曲刚度带入半刚性凯威特单层网壳的数值模型中,考虑几何参数和节点刚度对半刚性网壳稳定性的影响,展开了大规模的弹塑性全过程分析,通过系统的参数分析,较为全面地掌握了半刚性单层网壳的稳定性能,并进一步总结得出了螺栓球半刚性节点单层球面网壳的稳定承载力公式。     

半刚性节点单层球面网壳结构的抗震性能及其设计方法

由单根或多根螺栓现场拼装而成的半刚性节点单层球面网壳逐渐受到工程设计人员及一些学者的关注。这种节点具有一定的弯曲刚度和扭转刚度,是介于刚接和铰接节点之间的一种半刚性节点。利用文献中的弯矩-转角曲线对凯威特型半刚性螺栓球节点单层球面网壳的抗震性能进行了较为系统的分析,包括其自振特性及杆件地震内力系数随矢跨比、跨度、屋面质量、杆件截面、地震动、节点弯曲刚度等参数的变化规律;通过大规模参数分析,采用基于包络响应的地震内力系数统计方法,给出凯威特型半刚性节点单层球面网壳考虑杆件弯矩影响的地震内力系数取值;提出基于地震内力调整系数的凯威特型半刚性节点单层球面网壳的实用抗震设计方法,可为工程设计提供参考。     

半刚性连接组合梁框架足尺模型模拟地震振动台试验

为了研究半刚性连接组合梁框架在地震作用下动力特性以及破坏模式,为半刚性框架抗震设计及在地震区的使用提供依据,进行了1个足尺半刚性连接组合梁框架结构模型振动台试验研究。通过试验,分析了小震、中震和大震作用下半刚性连接组合梁框架结构的动力特性、位移反应、加速度反应、半刚性组合节点内力反应、结构破坏模式。研究结果表明:半刚性连接组合梁框架具有较好的抗震性能,在罕遇地震作用下(1.20g),整体结构仍然没有明显损坏,结构破坏形式为半刚性组合节点和柱脚处产生较大塑性变形,半刚性连接框架结构完全可以在高抗震设防烈度地区使用。对试验框架建立有限元分析模型,进行结构的非线性动力时程分析,计算结果与试验结果较为接近。     

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。     

箱形柱芯筒式双法兰连接平面框架抗震性能试验研究

为解决施工现场闭口截面柱焊接难的问题,提出一种便于钢结构高效连接的箱形柱芯筒式双法兰连接及其在多遇、设防以及罕遇地震作用下的设计方法,依此设计了一榀5层原型结构,并对7:10缩尺的子结构进行拟动力和拟静力试验,研究结构的滞回性能、各典型部位应变、刚度、法兰板滑移和螺栓拉力等受力性能.拟动力试验结果表明,结构在El Ce...     

古建筑木结构的结构性能研究综述

台基、柱脚的平摆浮搁、梁柱节点的半刚性榫卯连接、柱架的生起和侧脚、梁端的雀替、枓栱铺作层以及“大屋盖”等特殊的营造技术,以及水平地震作用下古建筑木构架良好的自复位性能,使得古建筑木结构能历经千百年保存至今。在分析古建筑木结构发展背景和营造特点的基础上,综述了国内外对古建筑木结构木材材性、台基层、柱架层、枓栱铺作层、屋盖层的力学性能,整体结构抗震性能以及修缮加固等方面的研究现状,综合各研究方法和研究内容,指出了目前古建筑木结构结构性能研究领域中存在的问题和尚未涉及的方面,为古建筑木结构结构性能的进一步深入研究以及古建筑的保护提供参考。     

基于摇摆与剪切协同的柱脚叉接木框架抗侧荷载-位移曲线模型

榫卯连接木框架是传统木结构中的基本承力构件,研究表明其在竖向和水平荷载共同作用下具有摇摆和剪切两种抗侧机制。文章综合考虑木框架摇摆与剪切变形,根据变形协调和弯矩平衡条件,推导竖向荷载和水平荷载共同作用下,柱脚叉接榫卯连接木框架抗侧荷载-位移关系的曲线模型,提出木框架抗侧弹性极限荷载点、峰值荷载点及其切线刚度和下降段刚度的计算方法。基于叉接柱脚木框架抗侧试验对模型进行验证,结果表明：理论模型与试验结果吻合较好,模型计算结果误差小于15.5%。理论研究成果对于传统木结构抗震性能分析和设计具有参考价值。     

腹板角钢连接节点新的设计模型

腹板角钢连接是一种在工程中被认为是完全铰接的连接形式,但随着研究的深入,有大量的成果表明其具有明显的半刚性特性,同时对于这种M-θ关系曲线在尾部有一定上翘的刚度较弱的连接,采用已有的M-θ曲线方程不能很好描述其曲线特性。在已有的试验数据基础上,提出一种能更好描述此种节点特性的新的设计模型,并对模型中的控制参数的计算提出了分析方法。     

中国古建筑木结构模型的振动台试验研究

通过一殿堂木结构 1∶3 5 2模型的模拟地震振动台试验 ,研究了结构动力特性及地震反应的变化规律。将榫卯和斗拱的力学模型比拟为变刚度弹簧单元 ,进行了动力时程分析。结果表明 ,由于大震下柱底与础石的滑移和榫卯与斗拱的摩擦阻尼作用 ,大幅度减少了上部结构的地震响应。因此 ,中国古建筑木结构具有良好的耗能与减震性能 ,它所蕴涵的受力机理 ,对现代建筑也有一定的借鉴作用。     

单檐歇山式木构古建抵抗强震试验调查

为更好地保护我国古建筑,以单檐歇山式木构古建筑为例,采用振动台试验方法,研究了强震作用下我国明清官式木构古建的抗震性能。根据清工部《工程做法则例》的相关规定,参照故宫某单檐歇山式木构古建构造特征,制作了一个十等材古建筑试验模型。该模型包括平摆浮搁柱底、榫卯连接、斗拱、梁架、瓦顶、墙体等构造。通过对模型输入烈度逐渐增强的1940年El-centro波,并考虑地震波为水平双向作用,分析强震作用下不同构造的试验现象,开展详细的震后调查,获得不同构造在强震作用下的抗震性能和震害机制。结果表明：强震作用下,我国明清官式木构古建的振动形式表现为柱架、斗拱、梁架及屋顶的近似同步往复摇摆;主要震害包括柱底偏移、榫卯节点开裂及拔榫、斗拱偏移及错位、额枋-垫板分离、墙体倒塌等,但承重木构架受损不严重,结构未产生倒塌。其良好抗震性能的原因与古建筑的构造特征密切相关。     

古代殿堂式木结构建筑模型振动台试验研究

对按照《营造法式》制作的古代殿堂式木结构建筑心间缩尺模型进行了模拟振动台试验研究。选用E l Centro波、Taft波、兰州波作为输入地震动。测量了台面、柱脚、柱头、木梁的位移和加速度响应。对模型的破坏形态、自振周期、阻尼比、动力响应、滞回耗能进行了分析。试验结果表明:自振周期T的变化范围为0.48~0.67s,阻尼比ξ的变化范围为0.029~0.046,模型的自振周期和阻尼比随着地震加速度的增强而增大;模型的动力放大系数β<1,且随着地震加速度的增强而减小;铺作层、柱础层都是通过摩擦滑移来耗能,柱架榫卯节点的耗能能力最强,在模型的耗能、减震中起着主要作用。