中国古建筑木结构斗拱的动力实验研究

本文采用现代先进的动力分析仪器首次对中国古建筑木中的斗拱进行了动力实验研究，得出了斗拱模型的频响函数曲线。

直榫节点木结构模型振动台抗震性能试验研究

采用振动台试验方法,以广州古建筑陈家祠厅堂型结构作为研究对象,制作了缩尺比1∶5的单间木结构模型,探索了直榫节点木结构建筑抗震能力,并分析了搁放柱脚、榫卯节点与屋顶3种不同构造做法的抗震机理。结果表明:直榫节点木结构建筑能抵抗9度地震作用;榫卯节点、搁放柱脚等构造具有良好的减震耗能作用,其中榫卯节点的减震性能较好,动力放大系数能降到0.236;搁放柱脚与柱顶石之间摩擦耗能较弱,动力放大系数在0.9附近波动;厅堂型结构屋顶层具有动力放大效应,其动力放大系数大于1。

角科斗栱轴压与抗震性能试验研究及数值分析

为研究角科斗栱的轴压与抗震性能,对2个足尺角科斗栱模型分别进行轴压与拟静力试验,得到了斗栱的破坏形态、荷载-位移曲线、滞回和骨架曲线、刚度和承载力退化、耗能能力及位移延性系数。结果表明:轴压荷载作用下,大斗鼓曲压溃,斜翘和搭角正翘后带正心瓜栱开裂,荷载-位移曲线具有明显的密实段、弹性段、塑性段和强化段,刚度退化严重,残余变形较大;水平荷载作用下,大斗压溃劈裂,馒头榫挤压剪断,平板枋嵌压,搭角挑檐枋拔榫,斗栱滞回曲线和骨架曲线正负向不对称,刚度和承载力退化严重,而耗能和变形能力较高。分别建立了斗栱在轴压荷载与水平荷载作用下的数值模型,在模型合理性验证的基础上,分析了木材材性和摩擦系数对斗栱轴压与抗震性能的影响。参数分析表明:随顺纹抗压强度和摩擦系数的增加,斗栱的初始刚度基本不变,而承载力显著增大;横纹径向弹性模量对斗栱的初始刚度与承载力影响均不明显。

传统木结构典型榫卯节点基于摩擦机理特性的低周反复加载试验研究

为研究榫卯节点接触面间的摩擦效应对榫卯节点减震耗能能力的影响,通过改变榫卯节点接触面间的摩擦系数,对3种古建筑中常用的透榫节点、燕尾榫、梁下有枋透榫节点模型进行低周反复荷载试验,并对基于摩擦特性的节点耗能能力的影响进行量化分析。研究结果表明:摩擦对3类节点的破坏形态、承载力及延性影响不大;透榫及梁下有枋透榫节点滞回曲线呈现出典型的反Z形,捏缩效应比较明显,且摩擦系数小的模型滞回环面积明显小于摩擦系数大的模型,燕尾榫节点滞回曲线较为饱满,未出现明显捏缩效应,摩擦系数改变对燕尾榫节点滞回环面积影响较小;摩擦对透榫及梁下有枋透榫节点初始刚度影响较大;透榫节点摩擦系数为0.38时的等效黏滞阻尼系数是摩擦系数为0.20时的2倍多,梁下有枋节点摩擦系数为0.38时的等效黏滞阻尼系数是摩擦系数为0.20时的1.4倍,摩擦对燕尾榫节点等效黏滞阻尼系数的影响主要体现在对节点耗能能力达到峰值的发挥速度上。

传统楼阁式木结构塔振动台试验研究

以7层传统楼阁式木结构塔为研究对象,对一个缩尺比例为1/5的木塔模型进行了振动台试验。试验中考虑了7度多遇至8度罕遇烈度水平,得到了不同水准地震作用下结构的加速度响应、位移响应和层间剪力分布等,并运用模态分析和系统识别理论识别了结构的动力特性。研究结果表明:模型结构1阶模态阻尼比大于10%,加速度放大系数在0.5~1.0之间;模型结构最大位移角发生在柱架层,7度基本地震作用下结构最大层间位移角为1/52,震后结构自振频率没有明显降低;7度和8度罕遇地震作用下最大层间位移角分别为1/24、4/91,震后结构1阶频率下降了17%,模型仅在局部散斗和栌斗处发生横纹劈裂和梁柱榫卯节点轻微拔榫,其余构件未发现明显破坏,说明传统木结构具有良好的抗震性能。

西安钟楼木结构模型振动台试验研究

以西安钟楼为研究对象,对其缩尺比例为1∶6的简化模型结构进行了地震模拟振动台试验,得到了模型结构在不同地震波、不同峰值加速度下的加速度响应、位移响应和破坏形态。通过分析各层测点在白噪声激励下的频率响应函数,得到了结构动力特性及其变化规律。基于试验结构模型的动力响应得到了结构剪力分布特征。试验结果表明：模型在经历了强烈地震作用后,破坏主要集中在斗栱和榫卯节点处,梁柱等主要构件未见明显损伤,具有良好的抗震性能;与钢筋混凝土结构和钢结构相比,模型结构的自振频率小、阻尼比大,模型结构震后的1阶频率下降了21%,1阶阻尼比增加了62%;模型各层的动力放大系数基本都小于1,模型具有良好的减震作用;模型的最大层间位移角发生在斗栱层,最大值为1/22,具有良好的变形性能;因为结构的质量和刚度沿高度分布不均匀,层间最大剪力在2层突然减小;在整个试验过程中,结构未发生扭转,有利于结构的抗震。

宋式带“昂”斗栱节点力学性能试验研究

古建筑中宋式斗栱节点最为显著的特征之一就是带有"下昂"。为研究具有这种特征的斗栱节点的受力性能,制作1∶3.52的缩尺模型试件进行竖向荷载试验和水平低周反复荷载试验,依据宋《营造法式》和实际建筑的"有昂无梁栿"和"有昂有梁栿"两种类型的宋式斗栱节点模型,设计并制作了以柱头斗栱节点为对象的试验模型。研究结果表明:在竖向荷载作用下,栌斗始终作为薄弱构件首先破坏;下昂与梁栿虽打断了斗栱节点分层叠加,但其依旧能保持良好的整体性;水平荷载作用下单个斗栱节点的倒三角形构造易发生转动,但加入梁栿后,节点的转动受到约束而发生滑移,此时斗栱表现良好的耗能效果,由此说明斗栱节点良好的抗震性能并非来自单个斗栱节点,而是由其通过相互约束协同工作而产生;底部暗销有较强的锚固作用,斗栱节点水平承载力主要由底部暗销的锚固力和柱与斗栱节点接触面的摩擦力组成。

木网壳结构半刚性装配式植筋节点受力性能研究

为研究新型装配式植筋木网壳节点的受力性能,设计并制作了两种不同截面形式的6组共计18个试件,开展偏心距分别为0、50 mm和100 mm的偏压性能试验,分析偏心距、轴向压力以及截面形式对节点半刚性特性的影响。结果表明:节点处发生核心区钢扣板局部屈曲、植筋屈服以及木材压裂等3种典型的破坏模式;偏心距大小对节点的破坏模式有影响,且与节点的初始转动刚度成反比;相同偏心距下,矩形截面试件节点的受弯承载力大于方形截面试件,但其转动延性不如后者;偏心距越小,轴力对节点初始转动刚度的增大效果越明显,初始转动刚度越大。根据试验得到的节点弯距-转角曲线,引入初始刚度系数、压力影响系数以及曲率形状系数,利用幂函数改进模型拟合得到了节点的半刚性弯矩-转角模型。对一单层半刚性节点球面木网壳进行整体荷载-位移全过程分析,发现其承载力远大于节点按铰接考虑的情况,且其跨中荷载-位移的全过程曲线发展趋势更加接近于节点刚接的网壳,整个结构具有良好的承载能力及延性。

穿斗式木结构民居模拟地震振动台试验研究

为研究穿斗式木结构民居的抗震性能,以位于川西抗震设防烈度7度区的典型2层穿斗式民居为原型,对一个缩尺比例为1∶2的穿斗式木结构模型进行了模拟地震振动台试验。试验中选取汶川波、兰州波、Taft波和El Centro波作为地震动输入,实测了结构在地震作用下的自振频率、阻尼比、刚度、加速度反应、位移反应、剪力分布和应变的变化规律。试验结果表明:随着地震峰值加速度的增加,模型结构的自振频率和刚度下降,阻尼比增大,各层加速度放大系数介于0.286～1.383之间;浮搁于混凝土板上的柱脚的滑移在一定程度上衰减了传入上部结构的地震作用,第2层檐柱顶高度处的榫卯节点在振动过程中耗能作用明显;当输入峰值加速度为0.22g和0.40g时,模型晃动剧烈,最大层间位移角分别为1/65和1/35;当输入峰值加速度增至0.50g时,模型依然没有倒塌,表明穿斗式木结构具有良好的整体变形能力和抗倒塌能力。

角钢加固传统民居十字形半榫节点抗震性能试验研究

为研究传统民居木结构十字形半榫节点及其角钢加固后的抗震性能,参照川西地区实际民居,按照1∶1.33的缩尺比例,制作了1个半榫节点和4个具有不同设计参数、采用角钢加固的半榫节点,并对其进行低周往复加载试验,得到了加固前后半榫节点的破坏形态、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、刚度和耗能能力等抗震性能指标。结果表明:未加固半榫节点发生拔榫破坏,滞回曲线有明显的捏拢效应;加固节点所用角钢在限制榫头拔出的情况下,改变了十字形半榫节点的破坏形态,节点破坏时榫头折断、角钢变形较大,滞回曲线较为饱满;加固后节点的承载能力得到了不同程度的提升,刚度退化现象得到明显改善,节点变形能力有所提高,而耗能能力较未加固节点并无明显降低;单侧角钢加固对节点负向受拉的承载力比正向受压的承载力提高作用更加明显,而双侧角钢加固节点正负向承载力基本一致;单侧加固节点的刚度比双侧加固节点的刚度稍小,且随着角钢厚度的增大,节点刚度的提高作用越明显;而角钢肢长变化对节点的刚度影响不大。

钢-木屈曲约束支撑增强胶合木框架抗侧性能试验研究

为研究屈曲约束支撑增强胶合木框架的抗侧性能,制作了四榀胶合木框架试件,包括一榀纯木框架、一榀胶合木支撑增强木框架以及两榀碳纤维布缠绕钢-木屈曲约束支撑增强木框架。通过水平低周反复荷载试验,对木框架的损伤模式、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化和耗能能力进行了研究,并研究了屈曲约束支撑刚度对木框架抗侧性能的影响。结果表明:侧向力作用下胶合木支撑发生平面外失稳的脆性破坏,屈曲约束支撑除端部钢板平面外弯曲外无明显损坏;胶合木支撑和屈曲约束支撑均能显著增强木框架的抗侧刚度和抗侧承载力,但相对纯木框架,胶合木支撑增强木框架位移延性系数降低了22.5%,屈曲约束支撑增强木框架位移延性系数增加约41.6%;屈曲约束支撑增强木框架刚度退化明显,但其有效刚度始终大于其他木框架;屈曲约束支撑增强木框架的总耗能约为胶合木支撑增强木框架的228%。提高约束屈曲支撑的刚度能够进一步提升木框架的抗侧性能。

藏青杨旧材无疵试样力学性质试验研究

藏青杨是藏式古建筑木结构的常用材料,但目前对该种材料的力学性质研究不足,尤其是藏式古建筑中的藏青杨旧材。为此,通过对锯解自一根典型藏式古建木结构旧梁的无疵试样进行力学测试,得到了藏青杨旧材的力学性质参数。研究表明:高宽比为1∶3试样的径向、弦向局部抗压强度较全截面抗压强度分别提升33.8%和64.2%;对于文中使用的小尺寸受拉试样,试样的锯解方式对抗拉性质影响较大;在考虑强重比的情况下,对于大多数藏式木结构构件,落叶松是更为合适的替换用材,而若仅需要对横纹径向受压构件进行替换时,红松则更合适。此外,通过试验得到的藏青杨旧材弹性常数也可作为藏式古建筑木结构仿真建模和有限元分析的基础。

内嵌钢筋外包CFRP布复合加固矩形截面木柱轴压性能试验研究

为研究内嵌钢筋外包碳纤维(CFRP)布复合加固木柱的轴压性能,对27根方形截面木柱和9根矩形截面木柱试件进行了轴心受压试验,主要考虑了不同加固方法、钢筋加固量、CFRP布包裹方式和截面形状等影响因素,观察了试件的破坏全过程及破坏形态,获取了试件的荷载-位移曲线及荷载-应变曲线,进而分析了各影响因素对木柱轴压性能的影响。研究结果表明:复合加固木柱的承载力和延性均高于单独CFRP布加固及嵌筋加固柱,采用内嵌钢筋外包CFRP布复合加固能显著提高原木柱的承载力和延性;随着钢筋加固量的增加,加固木柱试件的承载力和延性都显著提高;当CFRP布由间隔包裹变为全包时,加固木柱试件的延性有所增大,但承载力增长并不显著;在同种加固方法情况下,方形截面试件较矩形截面试件具有更高的承载力,而矩形截面试件较方形截面试件具有更好的延性。

自然干裂木柱受力性能试验与退化模型研究

干缩裂缝是木柱构件中的主要残损之一。为研究自然干裂木柱的受力性能,对9根不同干裂程度和不同柱高的圆木柱进行了轴压试验,基于各木柱的破坏形态、荷载-轴向位移、荷载-侧移、荷载-应变等关系曲线,分析了干裂木柱的破坏机制及其承载力和刚度退化规律。试验结果表明:干缩裂缝对木柱的破坏模式影响较小,干裂木柱和完好木柱的破坏形态均表现为受压屈曲破坏;当干裂木柱的综合残损程度介于4.8%~23.73%之间时,干缩裂缝对木柱的受压承载力、初始轴压刚度以及延性有着显著影响;当综合残损程度小于4.8%时,干缩裂缝对木柱的受压性能影响较小;相同柱高下干缩裂缝会使得柱中轴向和横向峰值应变增加;木柱峰值荷载对应的裂缝张开位移随着裂缝深度损失率的增加而增大。基于干裂木柱试验结果及其受力机理,通过考虑稳定系数、截面面积损失和初始偏心距影响的多参数耦合作用,提出了干裂木柱综合残损程度量化指标,建立了干裂木柱受压承载力和刚度退化模型。经验证,受压承载力和刚度退化模型计算结果与试验结果吻合较好。

木结构螺栓连接试验研究及承载力设计值确定

现行木结构设计规范只规定了相同强度等级木构件螺栓连接承载力的计算方法,不能满足工程实践中连接不同强度等级木构件的需要。采用东北落叶松和樟子松木材,分别进行了销槽承压试验和螺栓连接性能试验。试验验证了欧洲销连接屈服模式,并证明了在我国规范中螺栓连接设计考虑圆钢销塑性不充分发展的假定更符合实际情况。提出了销槽承压有效长度系数及螺栓连接承载力建议计算式,并引入了钢材的弹塑性强化系数,以体现钢材特性对承载力的影响。在保持与现行木结构设计规范可靠度一致的条件下,对螺栓连接的承载力设计值进行了校准,得到了对应于各种屈服模式的抗力分项系数。所提出的螺栓连接承载力建议计算式能用以计算不同强度等级木构件螺栓连接的承载力,且与现行规范的计算结果基本一致。

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。

传统民居穿斗式木结构栓榫节点抗震性能试验研究

以川西传统民居穿斗式木结构中的栓榫节点为研究对象,参照当地典型工程,制作了4个缩尺比为1∶1.33的榫卯节点,并对其进行低周反复加载试验,得到了栓榫节点的破坏形态、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律以及耗能能力等抗震性能指标;利用ABAQUS软件建立有限元模型,分析梁截面高度和栓子截面尺寸对榫卯节点承载力的影响。结果表明:节点的破坏形态主要为半榫节点榫头拔出、采用方形栓子节点榫头发生剪切破坏、采用圆形栓子节点榫头发生折断破坏;柱子基本完好,榫头破坏较为严重;所有节点的弯矩-转角滞回曲线均呈Z形,滞回环的捏拢效应较为明显;采用方形栓子节点的受弯承载力、转动刚度和耗能能力均大于半榫节点,且随着方形栓子截面尺寸的增大而逐渐增大;栓榫试件破坏时节点转角均大于半榫试件,说明栓子的存在能够提高榫卯节点的变形能力;枋截面高度对榫卯节点承载力影响较大,方形栓子边长和圆形栓子直径分别为10~30mm和10~20mm时较为合理。研究结果可为传统民居穿斗式木结构的定量参数化设计和抗震性能分析提供参考。

BFRP布加固圆截面木梁受弯性能试验研究

为研究玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)布加固圆截面木梁的受弯性能,对未经加工处理的足尺木梁进行三分点加载试验。试件分为4组总计12根,长度均为3 300 mm。其中1组为未加固试件,另外3组为采用不同方式粘贴BFRP布的加固试件,分别为底部粘贴、底部与侧面环向粘贴、底部与侧面螺旋缠绕粘贴。对各组试件的荷载-跨中位移、荷载-跨中截面应变和跨中截面应变等曲线进行了对比分析。试验结果表明:与未加固试件相比,底部粘贴、底部与侧面环向粘贴、底部与侧面螺旋缠绕粘贴BFRP布的试件极限荷载分别提高了16.30%、24.34%和30.54%。BFRP布加固试件在破坏过程中,木材的塑性变形明显,其抗压强度得到充分发挥,截面应变符合平截面假定。采用ANSYS有限元分析软件模拟得到试件的荷载-位移曲线,与试验结果吻合较好。有限元分析结果表明,试件的受弯承载力随着BFRP布侧面环向粘贴的间距减小而增大。最后,基于BFRP布加固圆截面木梁的三阶段破坏特征,提出其受弯承载力计算公式,计算结果与试验结果的差值小于10%,可为圆截面木梁加固设计提供参考。

钢填板-螺栓连接胶合木框架结构耐火试验与有限元分析

为研究钢填板-螺栓连接胶合木框架在火灾条件下的炭化情况和破坏模式,对常温下1榀单跨木框架试件的承载力和ISO 834标准升温条件下3榀单跨木框架试件的持荷耐火极限进行了试验研究,考察了持荷水平、隅撑设置对木框架耐火极限的影响。试验结果表明：炭化层的收缩和剥落会导致防火涂料对金属连接件的覆盖作用失效,从而加剧螺栓周围木材的炭化;未受火的对比试件的破坏模式为木梁跨中区域梁底木材顺纹受拉破坏,受火试件的破坏模式为梁端螺栓密集区域的木材横纹剪切破坏;与高持荷水平试件相比,低持荷水平试件具备更好的耐火性能,当试件的持荷水平由30%下降至10%时,其耐火极限提高了13min;框架中的隅撑提高了试件的抗火性能,减小了木梁的跨中弯矩和梁端剪力,使木梁的破坏模式由梁端脆性剪切破坏向跨中延性弯曲破坏转变,试件持荷水平为30%时,隅撑使试件的耐火极限提高了6min。在ABAQUS有限元软件中采用温度场-结构场顺序耦合分析方法和子程序定义木材本构关系,能较为准确地模拟火灾条件下胶合木框架的温度场分布和破坏模式,采用模拟木节的精细化建模方法可显著提高有限元分析结果的精度;有限元分析模型中木梁底部的木材单元因炭化而逐渐丧失承载力,导致木梁中和轴随受火时间的延长而上移。

应县木塔顶-拉复位工艺模型试验研究

针对应县木塔的变形特征和"不落架修复"的工艺要求,提出了变形木构架内部顶-拉的复位方法,设计了逐次复位、一次整体复位以及超目标复位3种施工方案;以木塔严重变形的柱圈层为对象,通过缩尺模型试验,研究了竖向荷载对柱圈层复位的影响、顶-拉复位力系与柱圈层复位的变化规律以及柱圈层复位后的回弹性能。试验结果表明:榫卯节点间的摩阻性能和构件之间的牵连作用是影响柱圈层复位的重要因素;竖向荷载越大,柱圈层需要的复位力越大,但复位力卸除后柱圈层的回弹量较小;在相同的竖向荷载下,逐次复位对柱圈层的损伤较小,复位力卸除后柱圈层的回弹量也小。