榫卯灌浆钢管框架节点抗震性能试验研究

为探索建筑钢结构低能耗循环利用技术,研究方钢管柱-矩钢管梁采用榫卯连接、砂浆灌浆阻滑的钢框架节点的抗震性能。对榫卯灌浆节点及传统全焊接节点进行了低周往复荷载试验,对比分析其破坏形态、荷载-位移滞回曲线、延性系数以及极限承载力,并建立有限元分析模型,与试验结果进行对比。研究表明:榫卯灌浆节点在弹性阶段的承载力与全焊接节点相当,但榫卯灌浆节点的极限承载力高于全焊接节点,塑性发展平台更长;榫卯灌浆节点的破坏方式为砂浆磨损挤碎,钢构件损伤小;摩擦耗能效果好,滞回曲线饱满,且震后砂浆易修复。

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。

铝合金榫卯结构的几何特征

铝合金材料是一种优秀的轻量化材料,但由于其焊接性能差,限制了其在汽车上的大量应用。文中提出一种新的铝合金型材连接方案,即铝合金榫卯连接结构,并对其几何特点进行了研究:给出了铝合金榫卯结构的构成,即榫头、卯孔和固定结构;分析了铝合金榫卯结构的几何缺陷;定义了7组描述铝合金榫卯结构特点的基本参数;研究了铝合金型材截面轮廓及其内部结构的拓扑规律;归纳了工程中4类实用的铝合金榫卯结构类型。

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。

高温下铝合金板式节点刚度退化及其对网格结构抗火性能的影响研究

采用有限元数值模拟分析方法,研究了200~400℃时铝合金板式节点的弯曲刚度退化机理。给出了不同温度对应的弯曲刚度退化折减系数,并分析了节点的破坏模式。分析结果显示,上节点板局部变形明显,下节点板出现拉剪破坏,翼缘板沿着周围螺栓孔位置断裂,随着温度的升高腹板应力集中位置逐渐向下发展,腹板发生断裂破坏。在上述基础上,通过典型铝合金网格结构的案例分析,研究了节点弯曲刚度退化对网格结构整体抗火性能的影响。结果显示,高温下,相较于未考虑节点弯曲刚度退化网格结构,考虑节点弯曲刚度退化的网格结构变形在高温区集中,竖向变形增加了4.5%,竖向承载力下降了46%。节点弯曲刚度退化对结构抗火性能影响明显,在铝合金结构整体抗火分析中应予以考虑。

新型铝合金花环齿槽形组合节点滞回性能试验研究

板式节点是目前铝合金单层网壳最常用的节点,其主要通过上下盖板将铝合金梁的翼缘进行连接,而在腹板处并无连接,导致梁腹板的力学性能不能充分发挥。为弥补板式节点的这一不足,提出一种新型铝合金花环齿槽形组合节点(FGC节点),并通过拟静力试验探明了FGC节点的滞回性能。试验结果表明,FGC节点的滞回曲线包含4个阶段:弹性阶段、螺栓滑移阶段、孔壁承压-刚度退化阶段和失效阶段,而并无明显强度退化阶段。对比板式节点和FGC节点的试验结果可以发现,FGC节点具有更好的承载能力、变形能力和耗能能力。随着盖板厚度的增加,FGC节点的极限荷载增加,但是耗能能力降低。随着上下盖板半径的增加,FGC节点的极限荷载和耗能能力逐渐增强。随着盖板厚度的增大,增加花环齿槽体的刚度对FGC节点滞回性能影响减小。

新型密柱支撑张弦铝合金结构设计与施工关键技术研究

世博温室项目屋盖为任意不规则曲线组成的无曲率平面,采用异形多边形网格加大透光率,基于这些特点,选型最终定为张弦铝合金网格结构。本项目挤压出新型“日”字型挤压铝合金构件以更好地承受屋盖面内弯矩,保证杆件与整体结构平面内有效传力。设计了新型刚接板式节点并通过足尺试验和精细化有限元分析研究了节点刚度与极限承载力,试验及有限元对比分析结果表明,该类节点有较高的抗剪、平面内和平面外承载力。阐述了弯扭构件数字化加工工艺及不规则铝合金特殊单元式的装配式预拼装技术,引入立面幕墙与主体结构一体化设计技术,其中立面幕墙面板设计首次通过整体协同分析考虑了主体结构变形的影响,计算结果表明设计构造满足要求。重点说明了双向正交布置拉索的施工张拉模拟计算方法,验证了索力分级张拉时结构处于安全状态,张拉完毕结构变形满足要求。

基于压电传感技术榫卯结构损伤识别实验研究

以指接榫和燕尾榫结构为例,利用压电主动传感技术对榫卯结构进行健康工况和损伤工况的损伤识别实验研究。其中,指接榫考虑水平和垂直连接的榫头松动和缺损工况,燕尾榫考虑实验机加载破坏工况。对压电传感器所接收到的信号进行小波包分解,并以各频段信号能量总和作为损伤指标对损伤程度进行定量评估。实验结果表明,指接榫结构所接收的信号能量随损伤程度的不断增加而减小;加载过程中,燕尾榫结构的榫头间先挤压紧密再出现榫头破坏,所接收到的信号能量出现先增大后减小的情况。因此,利用压电主动传感技术可实现对榫卯结构的损伤识别。可为相关专业的研究生及工程技术人员基于压电传感技术进行无损检测提供实验方法。

高架桥装配式聚氨酯无缝伸缩装置结构与施工技术研究

依托杭州彭埠互通改建工程,对装配式聚氨酯无缝伸缩缝结构与施工技术进行研究。研发了装配式新型无缝伸缩装置,由可伸缩骨架和聚氨酯构成的弹性复合体,与桥梁铺装层形成一体式路面结构;实现了聚氨酯在标准化环境中预制浇筑,可精准控制环境温度、湿度、清洁度等,上覆盖耐磨层对聚氨酯具有保护作用,使其耐久性得到保证;现场采用装配式拼装工艺,省去了伸缩缝骨架现场制作、聚氨酯材料现场浇及养护的时间,缩短了工期,加快了施工速度,节约了工程成本。

注浆式榫槽接头关键构造参数影响研究

装配式地铁车站结构注浆式榫槽接头的不同几何构造影响接头的力学性能,进而制约整个结构的力学行为。针对注浆式榫槽接头关键构造参数——榫长、榫宽、接头高度、接头宽度、槽顶壁宽、槽底壁宽、榫头内缩长度,基于榫头占比率、槽壁榫宽比、榫头倾角、榫长榫宽比和内缩率5个指标进行接头构造设计要求研究。结合各个指标对接头承载性能、制作和施工便捷性的影响,提出一套接头构造设计步骤及要求,明确关键几何构造参数具体取值范围:榫宽w与截面高度H的比值宜大于0.28,各榫头之间的净距宜为0.5~1.5倍单个榫宽w,槽壁厚度t与榫宽w比值不宜小于0.4,榫头倾角α宜为75°~85°,长接头和短接头榫长l与榫宽w的比值宜分别为0.5~0.8和0.2~0.5,内缩率宜为20%~50%;研究成果可为同类装配式结构构件连接设计提供参考。

基于壳-弹簧模型的装配式车站结构纵向受力分析

随着装配式车站的大范围推广应用,其面临着越来越多的复杂地质情况。在软硬不均地层中,装配式结构为柔性结构时对差异地层具有很好的适应性,结构的纵向受力较现浇车站有所不同,需对其受力特点进行研究。以深圳地铁某装配式车站为工程背景,采用有限元数值模拟方法构建壳-弹簧计算模型,研究在均匀及软硬不均地层的复杂工况下,装配式车站结构纵向沉降与受力特点。研究结果表明:位于均匀地层中的结构纵向受力主要受中立柱的影响,但其影响较小;位于软硬不均地层中的装配式车站结构存在纵向不均匀沉降,尤其在结构底板更为明显,顶板和侧墙结构其差异沉降的速率相对较缓;软硬不均地层中不仅对车站结构纵向受力存在影响,也对车站结构的横向受力存在一定的影响,顶板拱顶、拱肩弯矩增加约10%,拱顶轴力减少约8%,在设计中应考虑此因素的影响;在岩面突变地层中底板结构的剪力约316 kN,在渐变地层中剪力变化相对均匀,设计采用的凹凸榫槽结构能满足抗剪需求;同时在软硬不均地层中存在结构的纵向变形,环缝的张开量有所增加,但其增加的缝宽较小,在装配式车站防水允许限值以内。

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。

大跨铝合金自由曲面网壳设计研究

G60拉斐尔科创云廊屋盖的一期工程尺寸为736m×126m,为超长大跨铝合金自由曲面网壳结构。屋盖通过钢结构树状柱支撑于11栋高层建筑屋顶。阐述结构设计过程中关键指标的设计以及荷载取值的原则,通过应变能最小的原则开展屋盖结构找形的研究,介绍屋盖结构中支撑体系设计和网格布置的考虑因素,进一步说明结构分析的关键计算结果。重点介绍本项目的铝合金板式节点性能研究,开展两组板式节点足尺轴压试验,并与有限元模拟对比分析,结果验证了有限元建模的有效性,并为结构设计的安全性和构造的合理性提供数据支撑。同时进行了3组试件抗剪加强节点试验,对比分析3种不同类型板式节点的受力特性和破坏现象。结果表明抗剪键具有良好工作性能。

榫卯插接结构在家具设计中的应用和开发

发扬中国传统榫卯工艺,缩短榫卯家具在生产制造当中的时间和成本,总结山水的曲线走向,使其能够更好地融入到人们的日常生活中。在传统的榫卯工艺中提取其中的设计元素,运用文献研究法、问卷调查法应用到现代家具设计当中。传统榫卯工艺与现代家具设计相互结合,使传统榫卯文化与当今消费者的需求相适应,应用并使传统文化价值回归到人们的日常生活中。探寻最优组装方式,设计出符合审美的现代家具,为设计师提供家具设计的参考。

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。

中国木结构古建筑榫卯连接节点抗震性能研究进展

榫卯连接是中国木结构古代建筑的重要特征。在外荷载作用时,节点内部榫头与卯口之间会产生挤压、摩擦、弯曲、剪切等复杂的相互作用,其具有完全不同于现代结构的力学特性。由于在地震作用下,梁柱等构件一般会处于弹性工作状态,节点的抗震性能就决定了整个建筑的安全,因此该领域已成为古建筑保护工作的研究热点方向。对中国古代建筑榫卯节点抗震性能研究进展情况进行了梳理,并对其未来的发展趋势进行了总结和讨论。

榫卯结构弯曲破坏时声发射衰减特性与源定位

由于木结构榫卯接合的部位属于隐藏部位,当其发生损伤时,肉眼无法观测。为了准确地预测榫卯结构的健康状况,可以根据榫卯结构在破坏前,木材所释放出来的声发射能量传播特性进行信息源位置的判定。为此,本研究提出并验证了木材的声发射信号符合能量衰减规律,并且利用能量衰减模型对榫卯结构的声发射源(破坏源)进行定位。首先,采用直径0.5 mm的铅芯为模拟声发射源,探讨了声发射波在木材中的传播和衰减特性,然后进行了榫卯结构弯曲破坏实验,实验中将目标声发射源限定于两个传感器之间,利用两点定位法确定破坏源的位置,经比较计算值与实测值较一致。结果表明:基于AE信号能量衰减模型和两点定位法进行榫卯结构的损伤定位,能得到较准确的破坏源位置,而且外界环境对结果的影响较小。

木结构榫卯节点抗震性能及其加固试验研究

为研究木结构榫卯节点的抗震性能及其加固后性能的变化,进行了6个榫卯节点的拟静力试验,并对试验后的榫卯节点分别采用扒钉、碳纤维、钢销、U型铁箍、角钢、弧形钢板进行加固。对比研究加固前后榫卯节点的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、耗能能力及刚度退化等抗震性能参数。试验结果表明:加固前节点滞回曲线有明显的捏缩现象,木结构良好的抗震性能正是依赖于节点的滑移摩擦耗能;加固后榫卯节点的抗震性能良好,可以达到破坏前的抗震性能;其中弧形钢板加固后的节点初始刚度较大,滞回环饱满,累计耗能为加固前的3倍,承载力提高70%,加固效果明显。根据试验结果给出了基于转角的震损榫卯节点加固设计方法。

古建木结构榫卯连接特性的试验研究

通过对典型榫卯连接的力学分析和模型低周反复荷载试验,研究了榫卯的半刚性连接特性和刚度退化的规律.试验得到榫卯连接的弯矩-转角滞回曲线和骨架曲线,并拟合出了榫卯节点恢复力模型.将榫卯连接比拟为变刚度杆单元,理论推导了变刚度和相对柔度之间的关系.结果表明,木结构的榫卯连接刚度随荷载变化而呈非线性变化,刚度在0.3062～23.6054之间变化.研究结果可为木结构古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供理论基础.

随焊锤击对高强铝合金焊接接头应变分布的影响

采用云纹分析的试验力学方法 ,研究了不同情况下LY12CZ高强铝合金焊接接头应变场的分布特点。研究结果表明 ,断裂前夕 ,常规焊接头的云纹条纹稀疏且不均匀 ,拉伸过程中应力集中在薄弱环节焊趾部位 ,焊接接头的力学性能指标较差 ;采用随焊锤击工艺 ,由于在焊接过程中同步锤击强化了焊趾部位 ,断裂前夕焊接接头的云纹条纹分布比较密集均匀 ,断裂部位由焊趾转移到焊缝 ,焊接接头的力学性能指标较常规焊有了较大提高 ,这充分说明随焊锤击技术对于实现高强铝合金焊接接头的强化是行之有效的。