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。     

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。     

反复荷载作用下方钢管混凝土柱与钢梁连接节点非线性有限元分析

本文首先选择合适的本构模型作为约束混凝土循环本构模型的骨架曲线,提出了考虑局部屈曲和开裂的钢材循环本构关系;进而建立两类方钢管混凝土柱与钢梁连接节点———缀板焊接连接节点和穿芯螺栓-端板连接节点的空间非线性分析模型,对其在低周反复荷载作用下的滞回性能进行了非线性分析计算。结果表明:由有限元模型所得的单调荷载-位移曲线与试验所得的低周反复荷载作用下的骨架曲线极为相似,但在峰值荷载后差异较大;由有限元模型所得的在低周反复荷载作用下滞回曲线也与在反复荷载作用下试验所得的相一致。有限元模型能准确地预测上述两类节点的弹塑性行为和整体抗震性能,可用于节点滞回性能的非线性参数分析研究。     

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。     

考虑高径比影响的木结构柱抗侧能力试验研究

古建筑木结构柱的抗侧能力对木构架整体稳定性有着重要影响。为研究木柱抗侧能力,考虑高径比影响,参考宋《营造法式》制作三个不同高径比的足尺木柱模型。通过低周反复荷载试验研究木柱的受力特征、水平力-位移滞回曲线、骨架曲线、抗侧刚度、刚度退化规律和延性等力学特性,并分析高径比对上述性能指标的影响,提出木柱荷载位移简化模型。试验结果表明：在反复荷载作用下,木柱出现摇摆现象;木柱水平力-位移滞回曲线形状呈S形,具有捏拢效应;在较小侧移下,木柱具有较好的抗侧能力,其抗侧刚度随柱头位移增加呈先快后慢的非线性退化规律;高径比越小,木柱的耗能能力、抗侧刚度和延性越高,其对抗侧刚度的影响随位移增加而逐渐减小;根据试验结果建立了包含弹性段、屈服段、平台段和退化段的四线型荷载位移简化计算模型,可为古建筑木结构整体抗侧能力分析提供参考。     

配置柱靴胶合木柱抗震性能试验研究

为减轻胶合木结构的地震损伤和提升结构抗震性能,提出在木柱柱脚套入钢质柱靴,柱靴通过设置碟形弹簧的高强螺栓与基础连接,形成一种基于摇摆原理的配置柱靴胶合木柱。对4个1/2缩尺的配置柱靴胶合木柱进行了低周反复荷载试验,研究了柱靴底板宽度、碟形弹簧初始预紧力与刚度对木柱抗侧力、滞回性能及自复位性能等的影响。结果表明：不同于普通螺栓钢填板柱脚的横纹劈裂破坏,配置柱靴胶合木柱主要表现为与柱靴接触部位木材的横纹局部损伤;在竖向荷载和碟簧预紧力的共同作用下,配置柱靴胶合木柱的滞回曲线为典型的“双旗帜形”,木柱表现出良好的自复位能力和耗能能力;增大柱靴底板宽度、碟形弹簧初始预紧力和刚度,均会增大木柱的抗侧力、耗能能力与自复位能力。在分析配置柱靴胶合木柱工作机理的基础上,建立了配置柱靴胶合木柱弯矩-位移角简化模型,模型计算结果与试验结果吻合较好。     

钢-混凝土组合梁与钢管混凝土柱节点的非线性有限元分析

以简化的Varma模型作为钢材的循环本构关系模型,建立了2类钢管混凝土柱与组合梁连接节点——梁钢筋贯通钢管节点和梁钢筋与上加强环焊接连接节点的三维非线性分析模型,并采用有限元软件ANSYS对其在低周反复荷载作用下的滞回性能进行了非线性分析。结果表明：由有限元模型得到的低周反复荷载作用下的滞回曲线及骨架曲线与试验所得的结果吻合较好,但在屈服荷载后差异较大;如能恰当地选择材料的本构关系、计算模型和破坏准则,则能够采用有限元模型准确地预测上述2类节点的弹塑性行为和整体抗震性能,并用于节点滞回性能的非线性参数分析。     

H形梁-柱弱轴角钢折形腹板连接的抗震性能分析

为了研究箱形节点域的H形柱钢框架梁柱弱轴角钢折形腹板连接的抗震性能,参考梁柱强轴连接的削弱参数,共设计了9个等肢角钢折形腹板弱轴连接系列试件和1个传统平腹板弱轴连接试件。利用有限元软件ABAQUS对折形腹板节点在循环荷载作用下的受力性能进行模拟分析,研究了角钢折形腹板节点的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线及塑性转动能力。研究结果表明,在循环荷载作用下,节点屈服以前,削弱参数对节点的滞回曲线影响不大;节点屈服之后,削弱参数对节点的滞回曲线、骨架曲线有一定的影响。研究结果还表明,角钢折形腹板弱轴连接节点的滞回性能、承载力、塑性变形能力均优于传统平腹板弱轴连接节点,滞回环更加稳定饱满,塑性转动能力提高了18.3%,延性系数均大于4.0。满足抗震规范要求,能够达到"强节点,弱构件"的设计理念。     

钢管混凝土柱新型柱脚节点的试验研究

对新型钢管混凝土柱脚节点进行了静力加载和低周反复加载试验研究。给出了静力荷载下的荷载 变形曲线、低周反复荷载下的荷载 变形滞回曲线以及关键部位的应变数据。试验证明 ,此类型柱脚节点工作性能可靠 ,具有良好的耗能能力。     

某传统木结构廊庑结构分析及模型简化

传统木结构是由柱、梁、枋、檩、椽、斗拱等木构件通过榫卯连接形成框架结构体系,承受来自屋面和楼面的竖向荷载以及风荷载和地震作用。以营造法式为基础建立了一榀传统木结构廊庑,考虑到各节点接触关系复杂,首先采用ABAQUS对各榫卯节点的转动刚度进行了有限元分析,然后将计算模型简化为杆系模型。通过实体模型和简化模型的对比,得出在竖向荷载作用下和水平荷载作用下构件变形的比较结果,表明考虑节点的转动刚度后杆系模型具有足够的计算精度。     

装配式自复位摇摆钢框架的恢复力模型

传统的钢框架结构在强烈地震作用下梁端和柱脚通常会出现塑性铰,导致结构产生较大的塑性变形。为此,提出了一种装配式自复位摇摆钢框架结构,阐述了该结构的构造形式与工作机理,通过理论分析建立了该结构的恢复力模型。设计了单层和双层的传统钢框架结构模型和装配式自复位摇摆钢框架结构模型,通过有限元软件ABAQUS对结构模型的滞回性能进行了有限元分析。对比研究表明：采用所建立恢复力模型的计算结果与有限元分析结果吻合较好,验证了恢复力模型的正确性;装配式自复位摇摆钢框架模型在循环荷载作用下滞回曲线为旗帜形,具有良好的自复位性能;当加载至层间位移角0.02rad时,装配式自复位摇摆钢框架的梁柱节点和柱脚无塑性铰出现,结构基本无损伤,而传统钢框架结构受损严重。     

基于三维弹塑性损伤演化的斗拱节点滞回性能分析

斗拱节点是传统木结构中典型的木-木连接节点之一,其滞回性能对结构的整体抗震性能至关重要.为跟踪斗拱节点在低周反复荷载作用下的损伤演化过程,基于木材三维弹塑性损伤本构模型开展了斗拱节点滞回性能的有限元模拟分析.计算结果表明,有限元模型能合理表征节点滞回曲线的捏拢效应、强度软化行为和刚度退化行为.有限元模型对节点的初始刚度和水平承载力的预测结果与已有试验结果吻合较好,模拟误差小于12.5％.该模型能合理反映栌斗和木枋在加载过程中的转动变形和斗拱节点的损伤演化过程.参数分析结果表明,斗拱节点的承载力和耗能能力随轴向压力的逐渐增加而增加,当轴向压力超过40kN后,节点的承载力增幅降低.     

钢框架T型钢连接节点的受力性能研究

通过拟静力试验以及有限元ALGOR程序,对钢框架T型钢连接节点进行了低周反复荷载作用下试验研究和非线性有限元分析,研究了T型钢连接节点的破坏形式、受力性能。分析结果表明:T型钢连接节点具有较好的延性,翼缘刚度的不同对延性影响较大;T型钢连接节点的滞回曲线稳定饱满,具有较为理想的抗震耗能作用;翼缘的厚度对T型钢连接强度的影响较大。     

带悬臂梁段拼接的梁柱连接有限元分析

在考虑几何、材料、状态三重非线性的基础上,对此类节点钢梁拼接节点承载力不同的两个试件进行精细的三维非线性有限元分析,得出此类节点在单向荷载作用下的P-Δ曲线和在循环荷载下的滞回曲线,并将此类节点的性能与无拼接节点的刚性梁柱连接的性能进行对比。结果表明,拼接节点承载力较低的此类节点有良好的延性、塑性转动能力和耗能能力。     

方钢管混凝土柱-工字型钢梁节点荷载-位移滞回曲线建模与分析

针对钢管混凝土柱-钢梁节点的梁端荷载-位移滞回曲线多采用试验数值分析方法,缺乏理论建模分析的不足,提出一种方钢管混凝土柱-工字型钢梁节点荷载-位移滞回曲线的建模与分析方法。该方法分析钢筋混凝土梁柱节点梁端位移的建模方法,提出节点构件梁端荷载-位移的计算模型,并采用T-L双线性模型建立节点构件的弯矩-曲率恢复力的计算模型,同时,提出钢梁节点荷载-位移滞回曲线分析流程。以典型的方钢管混凝土柱-工字型钢梁缀板连接节点为例,采用提出的节点荷载-位移计算模型计算节点荷载-位移滞回曲线,并采用ANSYS建立其三维有限元数值分析模型,对节点构件滞回性能进行非线性有限元数值仿真模拟。理论计算、仿真模拟和静态试验对比分析的结果表明:采用提出模型计算的荷载-位移滞回曲线和骨架曲线与仿真模拟及试验数据结果的吻合度高,能够反映出节点受力的基本特性。     

一种可更换消能摇摆钢柱柱脚节点性能研究

介绍一种适用于双肢消能摇摆钢柱的可更换铰接柱脚节点构造及其静力试验研究.双肢消能摇摆柱是一种由两个钢柱肢及连接两柱肢的软钢系杆构成的结构构件,能够有效控制结构在地震作用下的侧向变形模式防止发生"薄弱层"破坏,并利用软钢系杆屈服耗能,进而提升结构整体的抗震能力.所提出的柱脚节点具有转动及抗拔能力,防止柱脚在侧向作用下产生...     

广府古建筑木结构箍头榫节点抗震性能研究

为研究广府古建筑木结构中广泛采用的箍头榫节点的抗震性能，以梁截面高度、柱直径、梁榫宽和柱顶轴压力为研究参数，设计制作了8个缩尺节点试件进行低周反复荷载试验，得到了不同研究参数下箍头榫节点试件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、承载力退化、刚度退化及能量耗散能力等。研究表明：各箍头榫节点试件转角达到0.1rad时，仍可维持稳定的承载状态，其承载力退化不明显，具有较好的承载性能以及良好的延性。试件的破坏形态包括柱内侧梁榫顶部(或底部)顺纹拉裂破坏、柱外侧梁榫竖向劈裂破坏和水平劈裂破坏；各节点的弯矩-转角滞回曲线均呈反Z形，且有明显的“捏缩”现象；在试验设计参数范围内，节点的转动刚度、极限弯矩和耗能能力均随着梁截面高度和柱直径的增大而增大，并随着梁榫宽的增大呈现出先增大后减小的趋势，一定范围内改变柱顶轴压力对试件抗震性能影响不大。采用有限元软件ABAQUS建立了箍头榫节点模型，并与试验进行了对比验证，结果表明该模型可较好地模拟反复荷载作用下的节点滞回性能。通过参数分析进一步研究了不同参数下箍头榫节点的弯矩-转角曲线，结果表明节点的屈服弯矩和极限弯矩基本与梁截面高度、柱直径大小呈线性正相关关系。     

填充砖墙立帖木构架抗侧性能试验

立帖式砖木结构是以柱脚自由搁置与梁柱榫卯连接为特征，并在木构架内填充砖墙的一种传统结构体系，广泛应用于上海石库门里弄民居。为研究填充砖墙的立帖木构架平面内抗侧性能以及竖向荷载的影响，制作2个试件并开展低周反复加载试验，对其破坏形态、滞回曲线、抗侧承载力、刚度退化、耗能性能、柱脚位移进行了分析。结果表明：竖向荷载较大的木构架以填充墙剪切破坏为主，而竖向荷载较小的木构架则发生填充墙弯曲摇摆破坏并伴随平面外错位；填充砖墙立帖木构架的滞回曲线呈反S形和Z形，滑移捏缩效应显著；竖向荷载有利于提高填充墙木构架的初始刚度，延缓填充墙的开裂。     

装配式自复位摇摆钢框架抗震性能研究

为了减轻传统钢框架在强震作用下的损伤与破坏,提出了具有自复位柱脚的装配式摇摆钢框架结构,阐述了该结构的构造形式与工作机理。设计并加工了一榀缩尺比例为1/4的摇摆钢框架,对其进行了低周反复加载试验和有限元模拟,研究其抗震性能。结果表明：利用复合组合碟形弹簧的弹性恢复力能够实现柱脚在强震作用下的可控摇摆,通过梁柱节点的消能减震装置有效控制了结构的累积损伤与残余变形;摇摆钢框架的滞回曲线是较为饱满的旗帜形,表明其具有较好的自复位性能和耗能性能;在加载至层间位移角1/30时,梁柱节点和柱脚没有发生任何屈服或屈曲,主体结构保持为弹性,损伤与破坏集中在消能减震装置处,拆卸和更换消能减震装置后,再加载曲线与原曲线基本吻合,有效实现了消能构件地震损伤可更换以及结构功能可恢复的设计目标;有限元的模拟结果与试验结果吻合较好,表明所建立的有限元模型能够较好地模拟摇摆钢框架在循环加载时的滞回性能。     

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。