采用钢管榫卯节点连接的节段预制拼装桥墩抗震性能研究

为分析钢管榫卯节点连接构造对节段预制拼装桥墩抗震性能的影响,以福建省某互通立交桥匝道桥为背景进行研究。首先进行钢管榫卯节点连接的足尺节段预制拼装桥墩试设计,采用MIDAS Civil软件建立实桥模型,对试设计的足尺节段预制拼装桥墩开展静力承载力验算;然后按1∶3.75比例缩尺,设计、制作1根整体现浇桥墩(RC)试件和1根钢管榫卯节点连接的节段预制拼装桥墩(PSBP-MTJ)试件,开展拟静力试验;最后对比分析两试件的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线与延性、累积滞回耗能、刚度退化与残余位移。结果表明:两试件的破坏模式类似,均为整体压弯型破坏,PSBP-MTJ试件塑性铰区因墩底灌浆套筒的存在而上移;两试件滞回曲线饱满无捏缩,耗能能力相当;PSBP-MTJ试件水平承载能力较RC试件提高约19%;PSBP-MTJ试件的拼装节段之间无剪切滑移出现,预应力筋延缓了其刚度退化,显著提高了其自复位性能,其残余位移仅为RC试件的67%,且残余位移与最大位移比值显著小于未采用无粘结预应力筋连接试件。

木结构榫卯节点力学性能分析与加固方法综述

古木建筑中广泛采用的榫卯连接具有出色的耐久性和抗震性能。然而各种因素对榫卯造成的劣化和损伤会威胁到整体结构的安全。因此,探究榫卯的力学特性、损坏类型、修复方式对保护木结构建筑具有重要意义。首先,介绍了榫卯的历史渊源,根据朝代划分简要梳理了各类榫卯的发展历程,应用情况。其次,详细分析了榫卯节点的力学性能和耗能减震机理,概述了其破坏原因和形式。接着,根据榫卯的破坏形式,重点从传统材料、新型材料两个方面对加固方法进行归纳,从实用性及美观性等方面比较各种加固方法及其适用范围,并对近年来工程案例分类总结。最后,本文对未来榫卯节点破坏的预防,修复和监测提出了相关展望,以期为未来研究和实践提供有益的参考。

残损榫卯节点抗震性能及加固方式研究综述

残损榫卯节点是古建筑木结构常见问题,研究其抗震性能,对于木结构建筑的设计和施工具有指导意义。国际社会众多学者通过试验和有限元模拟的方法,研究在不同连接方式、不同松动程度和不同建筑状态下对榫卯节点抗震性能的影响;针对不同残损程度的榫卯节点,提出相应的加固策略,并分析榫卯节点在不同加固方式下抗震性能的变化。综合分析认为,无论哪种残损类型,对节点的抗震性能都有明显的影响,应尽早对残损节点的维修和加固采取措施。

多种榫卯节点类型抗震性能数值模拟分析

传统木结构建筑越来越受到人们的喜爱,木结构建筑的需求量也在逐渐增加。在设计木结构建筑时,结构类型、节点类型等的选择是设计人员首要考虑的要素。为探究不同类型节点的抗震性能,本文通过ABAQUS有限元分析软件建立了燕尾榫节点模型,并进行数值模拟分析,明确了节点在受弯作用下的受力情况,并采用已有试验数据验证了该模型的准确性。在此基础上,采用相同方法建立了其它类型榫卯节点的模型。结果表明:直榫透榫型节点的抗弯承载能力较强,耗能能力较好,但刚度退化较严重;半榫型节点的抗弯承载能力较差,但刚度退化较弱;台阶型半榫节点的耗能能力最强,而直半榫节点较弱。

残损古建筑木结构不对称榫卯节点抗震性能试验研究

为研究残损古建筑木结构不对称榫卯节点的力学特性,共设计4个足尺古木结构榫卯节点,包括1个连接完好及3个存在不同松动程度的不对称榫卯节点,通过拟静力试验获得其弯矩-转角滞回曲线,对其滞回特性、骨架曲线、耗能能力及刚度退化规律等进行分析。结果表明,残损节点滞回曲线呈反“Z”形,捏缩效应显著;存在松动的不对称榫卯节点峰值弯矩及转动刚度均小于连接紧密的节点试件,而极限转角大于连接紧密的节点试件。随着节点松动程度的不断增大,各试件峰值弯矩、转动刚度峰值及滞回耗能逐渐降低。控制位移不变时,连接紧密完好节点的滞回耗能及刚度明显高于松动节点;各不对称榫卯节点正、负向刚度不等。同时,本研究获得了不同松动程度下节点的正、负向刚度理论公式,为工程加固修缮提供理论依据。

古建筑木结构榫卯节点加固研究

古建筑木结构在漫长的使用周期里,受自然环境和人为因素的影响,容易出现裂缝、腐朽、虫蛀、孔洞等不同形式的损伤,尤其是作为连接构件的榫卯拔榫现象比较常见,因此研究古建筑木结构榫卯节点的加固尤为重要。根据加固材料的不同,对传统加固技术和新型加固技术的研究现状进行总结,并对未加固的榫卯节点进行有限元模拟,分析榫卯节点存在的主要问题,建议对古建筑进行预防性加固和加强学科交叉研究,以期能够更好地保护古建筑。

木结构榫卯节点抗震性能研究进展

榫卯节点具有典型的半刚性连接特性,榫卯节点的抗震特性则决定着整体结构的稳定性。文中从榫卯节点滞回曲线和拟合恢复力模型两个方面,对榫卯节点的性能研究现状进行了梳理。在榫卯节点滞回曲线方面,阐述了直榫和燕尾榫受力特点与破坏特征,并基于低周反复荷载试验得出滞回曲线总体呈“Z”字形,有明显“捏拢”效应。在拟合恢复力模型方面,归纳了榫卯节点在加载过程中的趋势,并介绍了四参数幂函数模型,此模型可以反应不同尺寸的榫卯连接下连接刚度的变化规律,能够更准确的反应构件在地震反应中的结构抗震性能。通过对榫卯节点性能的研究成果回顾,发现目前没有形成统一的榫卯节点抗震性能计算方法、对于残损榫卯节点无法实现100%还原等问题。

闽浙木拱廊桥榫卯节点受力性能研究

为研究闽浙木拱廊桥榫卯节点受力性能,本研究建立了廊桥节点有限元模型,并验证了建模方法合理性。研究对直榫节点与燕尾榫节点进行分析,考察了榫头长度、节点连接角度和苗杆直径对节点受力性能的影响。结果表明:随着连接角度、苗杆直径的增大,直榫节点的极限承载力变大,直榫节点的极限承载力随着榫长增加先增大后减小。榫长与苗杆直径的增大可提高直榫节点的初始转动刚度,其中榫长对直榫节点受力性能的影响最为显著。榫长、节点连接角度和苗杆直径增加均能提高燕尾榫节点的初始转动刚度和极限承载力。

新型梁柱榫卯节点单调加载试验研究

新型梁柱榫卯节点是一种能够进行标准化生产、装配化施工、实现木结构建筑全榫卯连接的新型节点形式。通过使用机械臂对该榫卯节点进行自动化加工制作,从而实现该类榫卯木结构建筑的工业化生产、智能化建造。为了探究该新型节点的受力性能,对其十字形梁柱榫卯节点进行单调加载试验,研究该节点的承载能力、破坏模式、刚度以及变形性能。采用数值模拟的方法对榫卯节点进行仿真分析,所得模拟结果与试验结果吻合较好。研究结果表明:节点榫头主要横纹受压,受力屈服后变形明显,而卯口顺纹受压变形较小,节点最终破坏形式为榫头拔出,在薄弱截面处发生弯曲破坏,柱身和梁身基本完好。在此基础上,建立了单梁组成的T形梁-柱节点精细化有限元分析模型,研究梁柱节点中榫头朝向对节点初始刚度、强度以及延性的影响。结果表明,榫头凹面朝下初始刚度较大,可以有效提高节点的强度和延性。

残损及松动榫卯节点力学性能研究现状

榫卯节点是中国古代木结构建筑的特色,其几何形状和摩擦力的精细配合赋予了建筑稳定性和抵御灾害的能力。然而由于环境或人为等原因,榫卯节点可能出现残损和松动等问题。本文对主要的榫卯节点类型进行了简单介绍,然后分别总结了部分学者对残损榫卯节点及松动榫卯节点力学性能的研究。研究结果显示损伤和松动会显著影响节点的承载能力、刚度和耗能能力,且损伤形式、松动程度等均为重要的影响参数。这些研究结果对于了解和评估残损及松动榫卯节点的力学性能提供了重要依据,对于古木建筑的维护和修复具有重要参考价值。

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固构架的破坏特征、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、碳纤维布加固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。

古建筑榫卯节点抗震性能试验

为保护古建筑,采用低周反复加载试验方法,基于故宫太和殿某开间梁柱尺寸,制作了1∶8的缩尺比例的4梁4柱模型,考虑榫卯节点形式为燕尾榫,进行了低周反复加载试验,研究了古建筑榫卯节点的抗震性能。通过试验,获得了榫卯节点的M-θ滞回曲线,分析了节点的骨架曲线、耗能能力、刚度退化及延性性能,归纳了节点恢复力拟合曲线计算公式。结果表明,古建筑榫卯节点的M-θ滞回曲线以Z形为主,具有明显的捏拢特性;随着节点转角增大,其骨架曲线趋于平缓,体现了良好延性;节点承载力较小,耗能能力及刚度随着转角增大而降低。

江浙地区抬梁和穿斗木构体系典型榫卯节点受力性能

针对江浙地区抬梁和穿斗木构体系中馒头榫、透榫、半榫及瓜柱柱脚直榫4种典型榫卯节点,通过试验研究其在低周反复荷载作用下的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、转角刚度、延性系数及耗能能力.结果表明:馒头榫、透榫、半榫节点的滞回曲线均呈Z形,具有明显的捏拢特性,而瓜柱柱脚直榫节点的滞回曲线呈反S形,较不饱满;这4种榫卯试件均经历了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段,耗能能力随着节点转角的增加而减小;在节点耗能能力上,按从优到劣排序分别为半榫、馒头榫、透榫、瓜柱柱脚直榫.研究结果可为抬梁和穿斗木构建筑的计算分析及保护修缮提供理论基础.

古建筑榫卯节点加固方法振动台试验研究

为保护古建筑,采用振动台试验方法,研究了中国古建筑榫卯节点的有效抗震加固方法。基于某古建筑的实际尺寸,制作了1∶8缩尺比例的木结构空间框架模型,其中梁和柱采用燕尾榫形式连接。分别考虑马口铁、钢构件和CFRP布加固榫卯节点,进行了振动台试验。通过白噪声激励,获得了构架加固前后的基频及阻尼比;通过输入不同加速度峰值的El-Centro波,获得了典型节点的位移响应、加速度响应及减震系数等抗震参数。结果表明,构架加固前后的基频J(钢构件)>J(CFRP布)>J(马口铁)>J(未加固);阻尼比D(未加固)>D(马口铁)>D(钢构件)>D(CFRP布);构架位移响应峰值umax(CFRP布)<umax(钢构件)<umax(马口铁);构架加速度响应峰值amax(钢构件)<amax(CFRP布)<amax(马口铁);减震系数β(钢构件)<β(CFRP布)<β(马口铁)。因此,对于不同的加固方法而言,马口铁最差,CFRP布较好,钢构件最佳。

钢构件加固古建筑榫卯节点抗震试验

为探讨古建筑榫卯节点的有效抗震加固方法,提出了一种钢构件加固方法.基于故宫太和殿某开间结构原型,制作了1∶8缩尺比例的木结构空间框架模型,考虑梁柱连接为燕尾榫形式,进行了低周反复加载试验,其中未加固构架试验进行了3组,加固试验进行了2组.基于试验相关数据,获得了节点的弯矩-转角滞回曲线和骨架曲线,对比分析了节点加固前后的耗能能力,刚度退化和延性等抗震指标.结果表明:钢构件加固榫卯节点后,节点拔榫量减小,抗弯承载力提高,刚度退化不明显,加固后的节点仍有较好的耗能能力和延性.因此钢构件具有良好的加固效果.

不对称榫卯节点正反向受弯性能试验研究

对透榫、半榫、十字箍头榫3种不对称榫卯节点的正反向受弯性能进行了单调加载试验,获得了节点的弯矩-转角、拔榫量-转角关系曲线以及节点的破坏形态.结果表明:透榫和十字箍头榫正反向受弯破坏形态分别为榫头变截面处顺纹撕裂继而榫根折断和榫根附近处受弯破坏,而半榫正反向受弯破坏形态均为脱榫破坏.透榫和半榫节点正向受弯承载力和破坏时的极限转角比反向受弯小很多;十字箍头榫节点正反向受弯承载力比较接近,但正向受弯破坏时的极限转角比反向受弯大很多.3种榫卯节点的拔榫量和转角均具有很好的线性关系.此外,榫头上侧缝隙对榫卯节点的受弯性能有着重大影响.

木结构古建筑中斗栱与榫卯节点的抗震性能——试验研究

在地震作用下，由于榫、卯之间相互挤压，产生较大的塑性变形，其转动变形刚度退化，凸显出其“柔性”连接特征，使整个结构的抗侧移刚度降低，从而有效地减轻了地震对结构的破坏作用。基于试验滞回曲线，分别建立了相应的节点力矩-转角位移和水平力-位移的恢复力模型，引入了量化其耗能减振能力的“滞回耗能因子”，并建立了相应的理论计算公式，对榫卯节点和斗栱模型的耗能因子进行了计算，结果表明，斗栱结构的滞回耗能因子高于榫卯节点的1-2个数量级，因而从理论上证明了铺作（即斗栱）层应是木结构古建筑的主要减振与隔震作用结构层。

CFRP加固古建筑榫卯节点振动台试验

为保护古建筑,采用振动台试验方法,研究碳纤维增强塑料(CFRP)加固古建筑榫卯节点的抗震性能。基于某古建筑的实际尺寸,制作了1∶8缩尺比例的古建筑木结构空间框架模型,并考虑榫卯连接为燕尾榫形式,进行了振动台试验。通过白噪声激励,获得了构架的基频及阻尼比;通过输入不同峰值的El-Centro波,获得了构架的动力放大系数、典型节点的位移及加速度响应特征。结果表明:CFRP加固榫卯节点后,构架基频增大,阻尼比减小;在地震波作用下,加固后的构架具有更小的位移及加速度响应,且随着地震波峰值增大,减震效果越明显;此外,在地震波作用较强时,加固构架的动力放大系数明显小于未加固构架的;因此,CFRP加固古建筑榫卯节点具有较好的减震效果。

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.

古建筑木结构榫卯节点刚度的地震损伤分析和识别

在缩尺比为1∶3.52的殿堂式古建筑木结构振动台试验基础上,获得了地震作用下榫卯节点初始刚度和屈服刚度损伤规律。根据建立的古建筑木结构简化力学模型,利用静动力凝聚方法确立了结构刚度与榫卯节点刚度之间的关系,推导了结构状态方程和观测方程。结合力锤敲击试验和仿真计算,获得了结构位移、速度和加速度响应。考虑噪信比5%噪声干扰,采用奇异值分解的偏最小二乘法(PLS-SVD)和扩展卡尔曼滤波法(EKF)对结构刚度损伤进行了识别。根据结构刚度识别结果,计算了榫卯节点初始刚度和屈服刚度损伤识别值。结果表明:榫卯节点初始刚度损伤先增大后减小,屈服刚度损伤一直增加;静动力凝聚、偏最小二乘和扩展卡尔曼滤波的混合算法对榫卯节点初始和屈服刚度识别精度较高,适用性较好。