木结构直透榫节点加固试验及有限元分析

为研究钢板阻尼器加固木结构直透榫节点的抗震性能,对加固前后的试件开展拟静力试验及数值模拟。结果表明:采用钢板阻尼器加固节点后,试件节点处应力明显降低,主要应力集中在钢板核心处,滞回曲线的捏缩效应明显降低,榫卯节点的承载力和刚度都得到有效提升;试验结果与模拟结果较为吻合。

古建筑木结构透榫节点力学模型研究

为研究古建筑木结构透榫节点的M-θ力学模型,在分析透榫节点构造特征与受力机理的基础上,建立其数值模型,用透榫节点的试验数据验证了该数值模型的正确性,并分析了节点缝隙、木材横纹弹性模量和大榫头长度对透榫节点受弯承载力的影响。根据受力分析结果,建立以弹性点、屈服点与极限点为特征点的三折线多参数M-θ力学模型,其结果与多数的试验结果基本吻合,并将该力学模型应用于木构架的受力分析。研究结果表明:透榫节点的滞回耗能能力强,节点的变形主要集中在榫头处。当榫头与卯口之间的缝隙增大时,节点的受弯承载力降低。随木材横纹弹性模量的提高和大榫头长度的增加,节点的受弯承载力有一定提高。文章建立的M-θ力学模型能较好反映透榫节点的受力过程,适用于木构架的受力分析,其荷载-位移骨架曲线与试验结果基本吻合。研究成果可为古建筑木结构的维修与保护提供参考。

透榫节点的受弯性能

对透榫节点进行单调加载试验,获得其弯矩-转角关系曲线以及破坏形态,并运用有限元软件ABAQUS对榫头的变形状态和应力分布进行数值模拟.结合试验研究和数值模拟,建立了节点弯矩-转角关系的简化力学模型.研究结果表明:透榫节点正、反向加载时的破坏形态分别为榫头变截面处顺纹撕裂破坏和榫头下侧的受弯破坏;节点正向加载时的受弯承载力和极限转角小于反向加载时的受弯承载力和极限转角;节点的抵抗力矩主要由小出部位与卯口之间的相互作用来提供;榫头上侧缝隙对节点的初始滑移段影响显著;节点正、反向加载时的弯矩-转角关系均可简化为三折线模型.

带空隙透榫节点弯矩-转角关系理论分析

为研究带空隙的典型不对称榫卯节点——透榫节点的弯矩-转角关系,构建了节点的埋置嵌压作用力学模型.通过建立平衡方程、物理方程及几何关系,推导了节点的弯矩-转角理论计算公式,并与试验结果进行了对比,分析表明:理论计算结果与试验结果吻合较好.进一步定量分析了空隙g以及摩擦因数μ对节点弯矩和初始转动刚度的影响,结果表明:随着空隙g的增大,透榫节点正反向初始转动刚度均逐渐减小,且与空隙g基本呈线性变化;正反向加载情况下,透榫节点弯矩和转动刚度均随摩擦因数的增大而逐渐增大,尤其在节点屈服后表现更加突出;节点间空隙是节点弯矩和转动刚度的主要影响因素,摩擦因数对节点弯矩和转动刚度的影响略小于空隙的影响.所得结果可为古建筑木结构的加固保护提供理论依据.

古建筑木结构透榫节点受力性能的影响因素分析

建立了透榫节点的ABAQUS有限元分析模型,并将模拟分析结果与透榫节点在低周反复荷载作用下的试验结果进行了比较.在此基础上,研究了榫头高度、滑动摩擦系数、横纹弹性模量、顺纹弹性模量、顺纹抗拉强度以及轴压比等参数对古建筑木结构透榫节点受力性能的影响.分析结果表明:随着节点榫头的高度和摩擦系数的增大,透榫节点的刚度不断增大;木材的顺纹和横纹弹性模量仅对节点在弹性阶段的刚度有一定影响;顺纹抗拉强度对节点刚度几乎无影响;随着榫头高度、摩擦系数、弹性模量以及顺纹抗拉强度的增大,透榫节点的抵抗弯矩值均有不同程度的提高;一定范围内,轴压比对受力性能几乎无影响.

不同松动程度下古建筑木结构透榫节点弯矩-转角关系分析

对古建筑木结构透榫节点的受力机理进行分析,推导了不同松动程度下透榫节点弯矩-转角理论计算公式.为验证理论计算公式的合理性,以6个缩尺比为1/3.2的透榫节点模型试验为对象,其中包括1个连接完好紧密无松动透榫节点和5个连接不紧密有不同松动程度的透榫节点,获得了不同松动程度下透榫节点的弯矩-转角骨架曲线,将理论计算结果与试验结果进行对比分析,两者吻合较好.分析结果表明:随着摩擦系数的增大,透榫节点的转动弯矩和初始转动刚度逐渐增大;增大透榫截面高度,可有效提高透榫节点承载能力;榫头埋置嵌入长度随着木材摩擦系数、榫头插入卯口长度的增大而增加,随着榫头截面高度的增加而减小;随着节点松动程度的增大,透榫节点承载能力逐渐降低.

不同松动程度下古建筑透榫节点抗震性能试验研究

现存古建筑木结构中均存在不同程度的残损,榫卯节点的松动属于其中典型的一种.为研究不同程度的节点松动对透榫节点的抗震性能影响,参照清《工程做法则例》以1∶3.2缩尺比,制作了6个透榫节点模型,其中1个完好节点和5个不同松动程度节点.通过低周往复加载试验,得到了完好节点与不同松动程度节点的破坏形态、弯矩-转角滞回曲线与骨架曲线、强度与刚度退化曲线、变形及耗能能力等力学性能.结果表明:透榫节点榫颈截面处木材纤维拉断,出现裂缝并斜向榫头端部延伸,发生弯曲破坏;各节点滞回曲线形状均由S形过渡到Z形,且随着松动程度增大,捏拢效应越明显;松动节点的转动弯矩、刚度和耗能能力均比完好节点低,且随着松动程度增大不断降低;各个节点的变形能力均较好,但松动节点的极限转角要大于完好节点,并随节点松动程度的增大而增大.

榫卯侧向紧密度对台阶透榫节点抗震性能影响试验研究

制作卯口为定值、榫头宽度不同的台阶透榫节点模型,将节点模型分为宽松、适中和过紧3个模型。通过低周反复加载试验研究榫卯节点榫头与卯口侧向间紧密度对榫卯节点抗震性能的影响。同时通过采用简易云纹技术(在榫头受力部位画出5 mm×5 mm方格网),观察试验过程中榫头发生嵌压破坏的现象及过程。结果表明:紧密程度对节点耗能、极限承载力、初始刚度和延性具有较大影响,榫卯越紧密,脆性特征越明显。极限承载力大小关系:过紧节点模型>适中节点模型>宽松节点模型;初始刚度大小关系:过紧节点模型>适中节点模型>宽松节点模型;等效黏滞阻尼系数大小关系:适中节点模型>过紧节点模型>宽松节点模型;过紧的榫卯节点模型延性差,脆性特征明显,极限转角正向仅为0.08 rad,反向0.06 rad,而宽松、适中节点模型最小极限转角均达到了0.12 rad。

木楔加固对松动透榫节点抗震性能的影响

为研究木楔加固对带缝隙透榫节点在反复荷载作用下受力性能的影响,制作了包括完好节点、松动节点及木楔加固节点的3组足尺透榫节点模型。通过试验室足尺试验对比分析了3组节点的变形特征和破坏特点,研究了节点的弯矩转角滞回曲线、刚度变化特性、耗能和应力状态等受力特点。结果表明:完好和松动节点的破坏形式为变截面出现延伸至榫头根部的木材顺纹撕裂破坏。木楔加固节点的破坏特征为木楔挤压破坏;木楔加固后,节点的滑移现象和捏拢效应减弱;松动节点抵抗外荷载的能力和耗能能力等特性均显著降低,木楔加固后节点的各项性能明显提高,其弯矩较松动节点的弯矩提高约30%。

明销透榫节点抗弯性能研究

为研究我国西南地区民族木结构中的主要榫卯节点——明销透榫节点的抗弯性能及其影响因数,设计了两个足尺节点进行单调加载试验,获得了其弯矩-转角关系曲线以及失效形态,并运用ABAQUS软件对影响节点抗弯能力的因数进行数值模拟分析。研究结果表明,明销透榫节点的失效主要是由于榫头顺纹受压变形与卯口横纹受压撕裂破坏,柱与枋本身较为完好;穿销透榫节点表现出更好的抗拔榫性能;明销透榫节点的抗弯能力的强弱主要取决于枋的横纹受压变形能力的强弱;摩擦系数和榫头高度的增加均可以显著提升节点屈服弯矩,同时榫头高度的增加使得节点的最大弯矩有较大幅度提升。

清式木建筑透榫节点加固方法的试验研究

我国传统木结构建筑的各构件间主要采用榫卯连接,这种节点形式在较大水平地震作用下容易出现局部拔榫、节点松脱现象,不利于结构的稳定和承载。为此针对榫卯节点的抗震性能及加固进行试验研究。依据清工部《工程做法则例》设计制作了4个足尺透榫节点试件,其中3个试件分别采用竹斜撑、角钢和碳纤维(简称CFRP)布进行加固。在改进榫卯节点拟静力试验装置的基础上完成了低周反复荷载试验,分析了对比节点和加固节点的破坏机理、承载力、延性、刚度退化、耗能和榫头拔出过程。试验结果表明,竹斜撑、角钢和CFRP布加固节点的正向峰值荷载较对比节点分别提高了92.4%、54.6%和63.0%,反向峰值荷载则分别提高了61.5%、75.7%和39.0%。对比节点和角钢加固节点初期刚度基本相同,且随转角增加出现先增大后减小的过程;竹斜撑加固和碳纤维布加固节点的初始刚度显著大于对比节点,随着转角的增加呈单调减少。此外,竹斜撑和角钢加固节点的榫头拔出长度明显小于相同转角下对比节点的榫头拔出长度,表明竹斜撑和角钢均起到了延缓榫头拔出的作用。

武侯祠桂荷楼穿斗木构架透榫节点抗震性能研究

以武侯祠桂荷楼穿斗节点为原型,模拟了等厚单向透榫节点在拟静力荷载作用下的应力应变特征和抗震性能,探讨了榫高、榫厚和柱径三种因素对节点力学性能的影响。研究表明:等厚单向透榫耗能性能好,但节点受力复杂,榫头根部应力集中,小榫头根部易发生撕裂和折断现象;榫高、柱径对节点等效黏滞阻尼系数、节点刚度和承载力有显著影响,而榫厚影响不明显。最后,根据透榫节点弯矩转角关系提出三折线模型,建立了模型参数与榫高、榫厚、柱径的函数关系来预测节点性能。本文研究成果可为穿斗木构架结构的榫卯节点尺寸设计、抗震理论研究和文物修缮设计提供建议和参考。

循环往复荷载作用下透榫节点模型试验研究

目前古建筑木结构的研究主要是以拟静力试验为主,而研究榫卯节点的动力试验相对较少。为了研究不同试验工况作用下透榫节点的动力特性,根据清工部《工程做法则例》制作了缩尺比例为1∶5.3的透榫节点模型,通过长期反复循环加载试验,研究透榫节点模型的枋顶位移在激振过程中的变化规律,拔榫量变化规律,枋顶位移变化与拔榫量变化关系等。试验结果表明:节点的位移变化随着加载幅值的增加而变大且随着加载频率的增大而减小;节点位移也随着循环次数的增大逐渐变大最后趋于稳定,说明开始节点残余变形较大,且累积位移发展速度较快;透榫节点枋顶位移与拔榫量呈线性相关性;同时当加载频率固定时可以将节点位移统一,最后利用指数衰减函数拟合得出相应的位移参数。研究结果可以为现存传统木结构建筑透榫节点的稳定性提供参考。

长期循环荷载下透榫节点刚度退化及耗能规律的试验研究

现存的古建筑在经历长期循环荷载作用后刚度和耗能能力均会出现衰减,为研究透榫节点在长期循环荷载作用下的刚度退化和耗能规律,参照清《工程做法则例》相关构造要求,制作了缩尺比例为1:5.3的透榫节点模型。通过长期循环加载试验,研究透榫节点在不同加载频率、加载次数下刚度及耗能能力的变化。研究表明:长期循环荷载下透榫节点的刚度和耗能能力的退化集中在前10,000次循环加载中,并在后期趋于稳定。研究结果可为透榫节点的抗震性能评估提供参考。

残损古建筑木结构不对称榫卯节点恢复力特性

为研究残损古建筑木结构榫卯节点的恢复力特性,共设计了4个古木结构不对称榫卯结构,包括1个完好无残损的榫卯节点试件和3个不同残损程度的榫卯节点试件,分析低周反复荷载作用下试件的滞回特性,并通过分析试件刚度退化规律及滞回规则,提出了古木结构不对称榫卯节点的特征参数计算公式,建立了能够反映不同残损程度古建筑木结构榫卯节点真实受力状况的恢复力特征曲线。结果表明:不对称榫卯节点滞回曲线的形状随着残损程度的增加由S形向反Z形转变,捏缩效果逐渐显著;各试件骨架曲线的正向加载和反向加载显著不对称;恢复力特征曲线与试验结果拟合效果较好,表明所建恢复力模型具有一定的适应性,可用于残损古木结构节点的弹塑性分析。

透榫和单向直榫木节点耐火极限的试验研究

通过五个榫卯原木节点耐火极限试验,对透榫和单向直榫木节点的升温规律和耐火极限等进行了研究,主要考虑了节点类型和荷载比两个参数对其耐火极限的影响。结果表明:常温下单向直榫节点试件的承载力比透榫节点试件的承载力高;各测点温度随着受火时间的增加而升高,且停火之后温度下降较慢;测点离木截面表面距离越近,温度越高;相同类型的榫卯节点,随着荷载比的增加耐火极限减小;相同荷载比时,单向直榫节点耐火极限比透榫节点稍高。

碳纤维布加固透榫木构架抗震性能试验

榫卯节点在地震中极易损坏,加固榫卯节点成为加固木结构建筑的关键。通过对3榀按照《中国古建筑木作营造技术》制作的透榫木构架,分别采用3种不同碳纤维(CFRP)布加固方案加固的构架进行水平低周反复加载试验,得到未加固构架和3种不同加固构架的破坏模式、拔榫量、P-Δ滞回曲线、骨架曲线、刚度退化及耗能能力等。通过试验研究表明:经CFRP布加固后,3种不同加固构架的CFRP布破坏程度不一样;拔榫值在加载后期较未加固构架明显减小;加固构架的承载力与刚度提高,其中双层分离式CFRP布加固提高的最多;节点的耗能能力稍有降低。3种CFRP布加固方法均取得了较好的加固效果,双层分离式加固效果最优。