循环荷载作用下木材顺纹受力特性与本构模型研究

木材循环受力特性与本构模型是木结构在地震、疲劳荷载作用下受力分析的关键。作者设计并加工了一种适用于顺纹循环加载的棱柱体狗骨状木试件与配套夹具,基于35个试件的单调受拉、单调受压等单调加载和循环受拉、循环受压、等幅拉-不等幅压、等幅拉压等循环加载试验,分析木材在不同加载条件下的变形特征、破坏模式、应力-应变全曲线性质与加卸载刚度变化行为,并结合木纤维损伤与断裂特征,进一步揭示木材单调/循环受力全过程变形机制。结果表明:木材顺纹拉应力呈前期稳定发展、后期随机跌落特征;顺纹受压在峰值荷载后产生屈曲和剪切两种典型局部化变形模式;循环加卸载骨架曲线与木材单调受拉/受压特征相似,卸载后的反向再加载刚度显著退化。在此基础上,建立能够综合描述木材单调与循环受力行为的统一本构模型,并由试验验证其正确性。研究结果可为木结构数值分析与力学评估提供依据。

考虑地震应变率效应的木材单轴受压本构模型

地震作用下木结构的精细化分析应考虑木材的应变率效应.为确定地震应变率对木材单轴受压力学性能的影响,选取落叶松和樟子松两种木材,分别设计了横纹试件与顺纹试件,通过其在地震应变率10^(-3)s^(-1)、10-2 s^(-1)、10-1 s^(-1)和准静态应变率10^(-4)s^(-1)作用下的单轴受压试验,研究了木材应力-应变关系、破坏模式、弹性模量、抗压强度等的变化规律.结果表明:木材抗压强度、弹性模量的单轴受压地震应变率效应明显;随着地震应变率水平的增大,木材抗压强度提高更为显著.进一步建立了考虑地震应变率效应的木材单轴受压本构模型,编写了相应的UMAT子程序,并将其嵌入ABAQUS有限元软件中.在此基础上,对木材进行了单轴受压数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,验证了本构模型、UMAT子程序的正确性.研究成果可为木结构的抗震分析提供本构支持.

多层古建筑木结构柱脚节点力学性能研究

开展了多层古建筑木结构柱脚节点试验研究,揭示了不同楼层柱脚节点的变形机理并评估了其力学性能,基于受力机理和刚体摆动特性建立了多层古建筑木结构柱脚节点简化力学模型。研究表明:上部楼层柱脚节点以木枋横纹嵌入变形为主且变形显著,底层柱脚节点以木柱顺纹受压变形为主但变形较小。随着竖向荷载的增加,柱脚节点弯矩承载力增加,但上部楼层柱脚节点弯矩-转角滞回曲线捏拢现象明显,强度退化因子在0.8~0.9;底层柱脚节点弯矩-转角滞回环高度重叠,强度退化因子大于0.95。上部楼层柱脚节点耗能能力随竖向荷载的增加而增加,处于较低竖向应力状态的柱脚节点耗能增幅较为显著。简化力学模型与试验曲线吻合良好,可用于多层古建筑木结构性能分析。

木质摩擦转动节点连接胶合木框架抗震性能试验研究与理论分析

传统钢填板连接胶合木框架在地震作用下梁端、柱端易发生劈裂破坏导致修复困难。该文研发了一种由木质摩擦转动梁柱节点与配置柱靴柱脚节点组成的新型胶合木框架,并分别对1/2缩尺单层单跨的一榀传统胶合木框架与一榀新型胶合木框架试件进行低周反复荷载试验,研究两类胶合木框架在破坏形态、滞回性能、耗能能力等方面的区别。结果表明:在侧向变形较小时,两类胶合木框架均无明显破坏,但随着变形增大,传统胶合木框架梁端发生明显劈裂破坏,而木质摩擦转动节点连接胶合木框架基本完好,震后可继续正常使用或易于修复;木质摩擦转动节点连接胶合木框架在承载力、刚度基本与传统胶合木框架接近时,其耗能性能显著提升,等效黏滞阻尼系数提升了约1倍。通过理论分析建立了木质摩擦转动节点连接胶合木框架的滞回模型,模型计算结果与试验结果吻合良好。基于上述结果,所研发木质摩擦转动节点连接胶合木框架可在进一步研究后推广应用。

古建筑抗震与振动控制若干关键技术研究

古建筑作为重要的物质文化遗产,蕴含着极高的历史、文化和科学价值。在强烈地震或持续交通振动作用下,古建筑可能会发生破坏甚至坍塌。为研究地震和振动对古建筑的影响规律以确保其安全,采用模型试验、数值仿真、理论分析、现场测试等多种手段,开展古建筑抗震和振动控制的相关研究,取得以下主要成果:完善古建筑状态诊断技术,提高检测精度;在揭示古建筑木结构抗震机理及砖石结构地震破坏规律的基础上,提出适宜的古建筑抗震性能提升技术;优化古建筑容许振动标准,建立古建筑振动响应预测方法和多道防线振动控制技术。成果可为古建筑抗震与振动控制保护及其进一步深入研究提供参考。

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。

考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型及其数值实现

木结构在服役过程中可能遭遇地震作用,木材表现出明显的地震应变率敏感性,需要建立考虑地震应变率效应的木材非线性本构模型。文章系统梳理已有研究中木材在不同地震应变率水平、不同纹理方向的试验结果,分析其不同纹理方向考虑应变率影响的强度与弹性模量绝对值统计规律性,建立木材考虑地震应变率效应的强度与弹性模量地震应变率影响系数表征模型。在此基础上,基于连续介质损伤力学建立考虑地震应变率效应的木材三维弹塑性损伤本构模型,编写相应的UMAT子程序,并将其嵌入ABAQUS有限元软件中。采用所建立的弹塑性损伤本构模型对木材进行顺纹与横纹受压加载模拟,模型结果与试验结果吻合较好,验证了所建本构模型及UMAT子程序的正确性。研究成果可为木结构的抗震分析与评估提供更符合实际的本构模型支持。

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。

古建筑木结构叉柱造式斗栱节点抗震性能试验研究

斗栱是中国古建筑特有的形制,具有建筑装饰、传递荷载和耗能减震等综合作用。为研究叉柱造式斗栱节点的抗震性能,以独乐寺观音阁平座层叉柱造式斗栱为研究对象,参照宋《营造法式》三等材的营造方法,制作5个叉柱造式斗栱节点。通过低周反复荷载试验,研究叉柱造式斗栱节点的破坏形态、滞回特性、抗转动承载力、转动刚度、刚度退化和耗能等抗震性能,分析不同营造形式、不同竖向荷载等因素对斗栱节点抗震性能的影响以及双朵斗栱协同工作效应。试验结果表明:叉柱造式斗栱节点主要破坏形态是柱叉、散斗的劈裂,栌斗的开裂和受压屈服,枋弯曲断裂以及构件的分离与滑移。斗栱节点的弯矩-转角滞回曲线呈"S"形,滞回环"捏缩"效应明显;双枋斗栱节点的滞回曲线对称性好,而单枋斗栱节点的正、负向滞回曲线显著不对称。斗栱节点弯矩-转角骨架曲线的发展过程可划分为基本弹性阶段、弹塑性上升阶段和平稳破坏阶段三个阶段,并根据试验结果建立斗栱节点的弯矩-转角简化计算模型。竖向荷载越大,节点抗转动承载力和转动刚度越大,根据试验结果建立斗栱节点转动刚度的竖向荷载影响系数计算公式。研究成果对我国叉柱造式古建筑木结构的保护具有重要参考价值。

残损古建筑木结构燕尾榫节点抗震性能试验研究

残损是现存古建筑木结构的普遍状况,显著地降低了结构的抗震性能。为研究残损对燕尾榫节点抗震性能的影响,参照宋《营造法式》殿堂三等材的尺寸要求,制作了3个比例为1∶3.2的燕尾榫节点模型,包括1个完好节点、1个模拟榫头真菌腐朽的残损节点和1个模拟榫头虫蛀的残损节点。榫头真菌腐朽和榫头虫蛀分别采用在榫头表面钻一定深度的孔和在榫头钻通孔的方法来模拟。通过低周反复加载试验对残损节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线和耗能性能进行了研究,分析了残损燕尾榫节点抗震性能的退化规律。结果表明:残损燕尾榫节点的破坏形态与完好节点的破坏形态类似,主要表现为榫头和卯口有明显的挤压变形、榫头沿枋纵向部分拔出,枋柱整体完好,但残损节点的榫头拔出更早、拔出量更大,模拟虫蛀节点有榫角被挤碎;残损燕尾榫节点的滞回曲线也有明显的"捏缩"效应,但滞回环饱满度较差;残损节点的转动弯矩、转动刚度均明显低于完好节点,但耗能能力基本不变化;当两种不同残损类型的残损程度相近时,人工模拟真菌腐朽节点的转动弯矩更高、转动刚度更大。

汶川地震中木结构建筑震害分析与思考

汶川大地震突如其来,建筑物大量倒塌或严重破坏.地震发生后,笔者奔赴四川绵竹、陕西宝鸡、宁强等灾区,进行了为期10余天的抗震救灾与调研工作.经调查发现,木结构建筑表现出优越的抗震性能,仅有少数年久失修的木结构建筑发生倒塌及部分木结构民居破坏严重,绝大部分木结构建筑只发生轻微破坏甚至完好无损.根据古建筑木结构在汶川地震中的震害,分析了木结构建筑震害轻微的原因,借鉴木结构建筑的抗震机理,提出了灾后重建的建议.

古建筑木结构直榫节点抗震性能试验研究

为了研究不同形式直榫榫卯节点的抗震性能,参照《营造法式》及相关文献的构造要求,考虑不同榫头形式、不同模型比例、不同榫头伸出长度及不同材料对直榫榫卯节点抗震性能的影响,制作了14个T型直榫榫卯节点。通过直榫节点的低周反复加载试验,得到了不同形式直榫节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、转动刚度及其退化规律和耗能等性能。试验结果表明:直榫节点的破坏形态主要是卯口、榫头的挤压变形和榫头部分拔出,梁、柱无明显破坏;直榫节点弯矩-转角滞回曲线形状呈反‘S’型,单向直榫节点的滞回环对称且饱满度较好,透榫节点、半榫节点的正向和反向滞回曲线呈现不对称性且饱满度较差,半榫节点尤为明显;单向直榫节点、透榫节点的承载力和转动刚度较大且相差不多,半榫节点较小;单向直榫节点的承载力大致与模型比例的平方成正比,但不符合模型相似关系;单向直榫节点增加榫头长度有助于提高其转动刚度,但当榫头长度大于柱径时,其提高幅度减小;透榫节点的耗能能力好于单向直榫节点和半榫节点;不同木材种类对直榫节点的承载力、转动刚度等性能有明显影响;直榫节点的转角可以达到1/8rad,表现出良好的变形能力。研究成果可为古建筑木结构的抗震分析提供依据。

残损古建筑木结构叉柱造式斗栱节点抗震性能退化规律研究

为研究残损叉柱造式斗栱节点的抗震性能及其退化规律,以独乐寺观音阁平座层叉柱造式斗栱为研究对象,参照宋《营造法式》三等材的营造方法,制作4个叉柱造式斗栱节点,并采用人工模型方法,模拟构件表面腐朽、虫蛀及裂缝等三类残损斗栱节点。通过低周反复荷载试验,研究残损斗栱节点的破坏形态、滞回性能、抵抗弯矩承载力、转动刚度、耗能及其退化规律。试验研究表明:残损叉柱造式斗栱节点的破坏形态与完好斗栱节点相似,残损节点模型的破坏更显著、更严重;残损斗栱节点的弯矩-转角滞回曲线呈弓形,滞回环捏缩效应较小,层间滑移现象减弱;不同残损斗栱节点的抵抗弯矩承载力和转动刚度都有一定程度的降低;残损节点的耗能能力都有所提高;残损斗栱节点仍具有较好的变形能力和延性。初步建立了节点的残损度与其抗震性能退化之间的关系。研究成果对我国现存叉柱造式古建筑木结构的残损评估和保护具有重要参考价值。

CFRP布加固木梁界面粘结应力的试验研究和理论分析

为了研究CFRP布加固木梁的界面粘结应力,对6根CFRP布加固的木梁进行了静力试验,得到了碳纤维布端部的应变分布。由相邻两测点的应变计算出了CFRP布与木材的平均界面粘结剪应力。忽略碳纤维布和木梁的剪切变形,推导了在任意荷载作用下两者之间的界面粘结剪应力和粘结正应力的计算公式,并根据边界条件给出了在两点对称集中荷载作用下公式中的系数,应用该公式计算了试验梁碳纤维布端部的界面粘结剪应力和正应力,结果表明粘结剪应力的计算值与试验值吻合较好,说明该公式是可行的。

传统风格钢筋混凝土梁-柱节点抗震性能试验研究

传统风格现代建筑结构是继承和创新地域建筑文化的良好载体,但由于构造方法不同,使其与常规现代结构有较大的区别。通过4个模型比例为1∶1.5的传统风格钢筋混凝土梁-柱中节点的低周反复荷载试验,研究了该类节点的破坏机理、承载能力、滞回特性和耗能能力等抗震性能,分析了体积配箍率、上下梁净间距对该类节点抗震性能的影响。结果表明:传统风格钢筋混凝土梁-柱节点在加载过程中形成了上、中、下3个小核心区,最初裂缝出现在下核心区,随后为上核心区和中核心区,最终破坏时3个小核心区均出现了"X"形剪切裂缝,其中下核心区破坏最为严重;随着体积配箍率的增大,节点极限承载力提高,滞回曲线更为饱满;随着上、下梁间距的增大,节点极限承载力基本不变,滞回曲线饱满度明显下降。与常规钢筋混凝土梁-柱节点相比,传统风格钢筋混凝土梁-柱节点的位移延性系数和极限阶段的耗能系数较小,延性和耗能性能相对较差。

碳纤维布加固木梁抗弯性能的试验研究

通过8根矩形木梁的静力试验,研究了碳纤维布加固木梁的抗弯性能,包括破坏特性、极限荷载、刚度、截面应变及端部碳纤维布应变等结构性能。试验结果表明,碳纤维布加固木梁具有良好的效果,可为古建木结构的维修加固提供新的方法和试验依据。

传统木结构单向直榫节点转动弯矩-转角关系理论分析

以传统木结构中最简单的单向直榫节点为研究对象,分析其受力机理,推导了单向直榫节点转动弯矩-转角理论计算公式,并借助试验数据对该公式进行了验证,理论计算结果与试验结果吻合较好.以理论公式为基础,对影响单向直榫节点转动弯矩的参数进行了分析,结果表明:当榫头长度与柱径之比小于1时,榫头长度的增加能显著提高单向直榫节点的转动弯矩和初始转动刚度;榫头宽度的增加同样能够提高单向直榫节点的转动弯矩以及初始转动刚度;摩擦系数的增大能够在一定程度上提高节点的转动弯矩,但对节点的初始转动刚度影响不大.研究结果可为传统木结构的抗震性能评估和修缮加固提供一定的参考.

碳纤维布加固木柱轴压性能试验研究

采用CFRP布作为加固材料,对8根木柱进行了轴心抗压试验,分析了木柱加固前后的力学性能,包括木柱的破坏形态、木柱和碳纤维布的荷载-应变关系以及加固柱极限承载力提高情况,并分析了加固柱极限承载力的影响因素。由试验结果可以看出,木柱的破坏形态多样,最容易在有缺陷的部位发生局部破坏;经碳纤维布环箍约束后,木柱抗压强度有明显的提高,提高幅度约在10%~20%之间;木材自身强度、木柱的缺陷、受力方式、碳纤维布间距及碳纤维布层数对加固柱极限承载力均有影响。

木材径向反复受压应力-应变模型研究

通过木材小清材试样的单调加载和反复加卸载试验,研究了木材径向全表面受压试样在单调加载和反复加卸载作用下的应力-应变关系.试验结果表明:单调加载应力-应变曲线和反复加卸载骨架曲线在应变小于0.16时基本重合,在应变大于0.16时,两者数值差异逐渐增大,但仍可由同一数学模型进行描述;木材反复卸载、再加载过程中,再加载路径与卸载路径分别由线性和双折线模型表达.综合考虑木材单向横纹受压以及反复加卸载过程中的典型特征,建立了反复荷载作用下木材径向全表面受压应力-应变模型.基于所建模型编写了MATLAB程序,对比分析了模型计算结果与试验结果,两者吻合较好.

轻型定向秸秆板-榫卯连接木骨架剪力墙抗震性能试验研究

为了促进适合我国国情的轻型木结构发展,介绍了一种自主开发的轻型定向秸秆板-榫卯连接木骨架剪力墙,该剪力墙由墙体模块、顶梁板、底梁板三部分组成,墙体模块的木骨架间采用榫卯连接,面板采用定向秸秆板。通过12片分别由3个剪力墙模块组成的剪力墙的水平单向加载和低周反复加载试验研究,得到了剪力墙的破坏特征、抗剪强度、滞回性能、延性及耗能等性能指标,分析了洞口大小、洞口位置及竖向荷载对剪力墙抗震性能的影响以及剪力墙与单个墙体模块抗震性能的区别。结果表明:剪力墙的破坏主要是面板破坏及面板与钉的连接破坏,剪力墙的抗剪强度比墙体模块的要低约10%,滞回曲线呈明显的反S型并有明显滑移,等效粘滞阻尼系数约为0.13。