南方山区民居木结构榫卯节点抗震性能试验研究

为研究截面参数和节点形式对有穿销直榫节点抗震性能的影响,首先,以梁高、梁宽为研究参数,并与有穿销透榫节点作对比,共设计制作了4个足尺节点试件;然后,通过低周往复加载试验,研究不同参数下节点的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、强度和刚度退化及耗能能力等性能;最后,推导有穿销直榫节点的弯矩-转角理论公式,并与试验结果进行对比.研究结果表明:试件的主要破坏形态为柱内侧梁榫受拉边缘的顺纹拉裂破坏,伴随有柱内侧梁榫受压边缘的挤压变形和柱外侧梁榫的水平劈裂;节点的弯矩-转角滞回曲线呈捏缩效应明显的反Z形;在试验设计参数范围内,有穿销直榫节点的转动刚度和抗弯承载力随着梁截面高度和宽度的增大而增大,但是强度退化系数和等效黏滞阻尼系数的变化不明显;相比于有穿销透榫节点,有穿销直榫节点的正向抗弯承载力大62%,反向抗弯承载力大26%,且承载力下降更平缓,表明有穿销直榫节点具有更好的抗震性能;有穿销直榫节点理论公式所得结果与试验结果误差在9%内.

纤维布加固墩接木柱轴压试验

为探究外包纤维增强复合材料(FRP)加固墩接木柱的加固效果和工作机制,考虑不同纤维布和不同墩接方式等因素影响,开展10根墩接木柱的轴压加载试验。对比分析3种FRP布(AFRP,BFRP,CFRP)、4种不同墩接方式(巴掌榫、刻半榫、抄手榫和直榫)下加固柱的破坏模式和力学性能。结果表明:未采用FRP布加固的传统墩接柱表现为拼接缝木材开裂和开裂后的墩接区木材压屈折断,而FRP布加固后,墩接区整体性良好,破坏主要发生在墩接口,表现为木材压溃和纤维布褶皱;传统墩接柱承载力仅恢复至42%~69%,刚度恢复至43%~65%;FRP布加固后,轴压承载力可恢复至完好木柱的75%~100%,刚度可恢复至66%~107%,延性提升24%~96%,加固柱轴压性能和变形能力得到有效的恢复或提高,且刚度退化不明显;此外,有限元仿真得到的荷载位移曲线及力学指标与试验结果吻合良好。FRP加固墩接木柱的轴压力学性能良好,可为传统木结构建筑的修缮和木柱的墩接加固提供借鉴和参考。

暗销直榫节点受弯性能试验与参数化研究

传统民居木结构建筑中的节点主要采用直榫连接,暗销直榫节点是其常用形式。为了研究暗销直榫节点的受弯性能,对圆形暗销直榫节点进行单调加载试验,得到弯矩-转角、拔榫量-转角、弯矩-应变关系曲线及破坏模式,试件失效主要以节点榫头破坏为主。运用有限元软件对试件进行了数值模拟,并与试验结果对比验证。基于验证后的数值模拟方法,分析了暗销截面形式、枋高、枋宽、摩擦系数对暗销直榫节点受弯性能的影响。结果表明:圆形截面会转动,应力分布相对均匀,而方形截面会扭曲,棱角处会出现应力集中。增大枋高、枋宽及摩擦系数均会提高节点的转动刚度和抗弯承载力。

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。

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.

古建筑直榫节点扁钢与阻尼器加固比较研究

为更好地对古建筑木结构进行抗震加固,基于直榫节点力学模型,以汶川地震中受损的青城山黄帝殿为例,对直榫节点分别采用扁钢和阻尼器加固,对比分析了加固前后结构的自振周期、节点加速度放大系数以及被加固节点相邻杆件的内力.结果表明:2种加固方法均能提高结构的抗震性能,但扁钢加固加大了节点刚度和部分相邻构件的内力,易导致相邻节点拔榫破坏;阻尼器加固可在不增大节点刚度的条件下,减轻结构的地震响应,加固节点的加速度放大系数降低12.8%,加固节点相连杆件的拉力、剪力和弯矩分别平均降低48.3%、40.6%和52.1%,起到了耗能和防止拔榫的作用.

榫头局部正交层板结构对直榫节点受力性能的影响

【目的】针对直榫节点受弯时榫头横纹变形较大、刚度和承载力较弱的问题,将“正交胶合木”概念引入直榫节点中,探讨榫头局部正交层板结构对直榫节点受力性能的影响,并提出合理的直榫节点“预增强”方法和参数为传统榫卯节点在现代木结构工程中的应用提供理论与技术支持。【方法】以花旗松普通层板胶合木为材料,设计制作18个足尺直榫节点试件,其中部分试件榫头不作处理(对照组),其他试件榫头加工成正交层板结构。通过节点抗弯试验分析直榫节点的破坏模式和工作曲线,计算得到节点的抗弯刚度和极限弯矩;提出复杂应力状态下的木材本构关系模型,建立直榫节点有限元模型,对其抗弯性能进行模拟。与试验结果对比并验证模型准确性后,基于模型对局部正交层板结构直榫节点进行参数分析,探讨正交层板厚度、宽度等参数对直榫节点受力性能的影响规律。【结果】对照组直榫节点主要破坏模式为榫头端部顶面和根部底面的局部横纹压缩变形,局部正交层板结构可有效缓解榫头横纹压缩变形。与对照组相比,4组不同局部正交层板结构直榫节点的抗弯刚度平均值提升14.0%~36.9%,而极限弯矩有升有降;数值分析结果与试验结果吻合良好;随正交层板宽度增加,直榫节点的抗弯刚度先升后降,而承载力先降后升;随正交层板厚度增加,直榫节点的抗弯刚度呈上升趋势,而承载力呈下降趋势;对本研究直榫节点,建议正交层板厚度与榫头厚度比值取0.25,宽度取210 mm。【结论】局部正交层板结构可提高直榫节点的抗弯刚度,通过合理选择参数还可提高直榫节点的承载力;采用强度和韧性较好的材料,如重组竹和钢板等替代木材层板,可进一步提高直榫节点的抗弯刚度和承载力。

拔榫状态下直榫节点滞回性能有限元分析

榫头部分拔出是现存古建筑木结构榫卯节点的典型残损类型之一,对榫卯节点的滞回性能及整体结构的抗震性能有很大影响。以易于发生拔榫的直榫节点为研究对象,通过分析其在拔榫状态和未拔榫状态下的荷载传递机制,发现两者的受力机理相同。基于此建立了未拔榫状态下直榫节点的有限元分析模型,其弯矩-转角滞回性能模拟结果与已有试验结果的对比分析表明,所建有限元模型可行。在此基础上,通过定义拔榫程度为0、1/10、2/10和3/10,分析了拔榫量对直榫节点滞回性能的影响规律。结果表明:随着榫头拔出量的增大,节点的承载能力降低,变形能力变弱,抗震性能也有着不同程度的退化。所建有限元模型及其分析结果能够为拔榫状态下单向直榫节点的抗震分析及其震后修复加固提供有利参考。

形状记忆合金丝加固古建筑木结构直榫节点抗震性能研究

古建筑木结构中的半刚性榫卯节点在地震中往往先于梁柱等构件发生破坏,是加固保护的关键部位。设计了一种新型形状记忆合金(SMA)丝预防性加固装置,对采用该装置的5个直榫节点及1个未加固节点进行了低周反复荷载试验,研究了采用不同根数和不同预拉应变的SMA丝加固节点的破坏形态、弯矩-转角关系、强度退化、刚度退化、耗能性能、自复位能力以及变形能力,并提出了SMA丝加固直榫节点的抗弯承载力计算方法。结果表明:SMA丝加固节点的抗弯承载力均有不同程度的提升,加固节点的最大抗弯承载力为未加固节点的1.49倍;与未加固节点相比,加固节点的强度退化不严重,表明SMA丝可以在节点转角较大时,仍能持续为节点提供抗弯承载力;加固节点最大转动刚度是未加固节点的2.24倍;随着节点转角的增大,未加固节点的耗能能力逐渐减小,而加固节点的耗能能力先增大后减小;在相同的转角下,随着SMA丝根数和预拉应变的增加,节点相对残余变形均减小,自复位能力增强。研究成果可为古建筑木结构榫卯节点的预防性加固保护提供参考。

穿斗式木结构直榫边节点承载性能试验研究

以传统民居穿斗式木结构直榫边节点为研究对象,分析节点承载机制,并设计制作3套杉木结构直榫边节点足尺试件(对照组1套、扒钉加固1套、角钢加固1套),进行低周往复加载试验。研究结果表明:直榫边节点破坏模式主要表现为节点木材横纹压屈变形和节点拔榫,滞回曲线轮廓均呈反“Z”形状,且呈现较明显的捏缩现象。与未加固节点相比,加固节点的承载性能均有所提高;扒钉加固节点在扒钉脱落失效前提高了节点刚度、累积耗能及变形能力,角钢加固节点在穿枋断裂前显著提高了节点刚度、累积耗能及变形能力。

传统木结构直榫节点弯矩-转角关系理论与试验研究

木结构榫卯节点连接属于半刚性连接,如何通过榫头与卯口尺寸确定节点的M-θ关系,是木结构设计的难点。为了解决这一困难,本文从直榫节点转动过程中的几何关系出发,借助木材嵌压理论,推导出了直榫节点M-θ理论公式,建立起榫头几何尺寸与M-θ的关系式。又通过实验研究,验证了所推导出理论模型的正确性。

钢板-自攻螺钉加固残损古建筑木结构直榫节点抗震性能试验研究

为了研究不同残损程度的直榫节点及用钢板-自攻螺钉加固不同残损程度直榫节点的抗震性能,制作了12件缩尺比例为1∶2的单向直榫节点模型,包括完好节点模型2件,残损度为7%、15%、25%的人工模拟残损节点模型各2件,用钢板-自攻螺钉加固残损度为7%、25%的残损节点模型各2件。试验结果表明:单向直榫榫卯节点的破坏主要发生在榫卯节点处;所有节点的荷载位移滞回环形状呈反S形且残损程度越大滞回环"捏拢"效应越明显,未加固节点随着残损程度的增加,滞回环的面积减小;未加固残损节点的承载力、刚度明显低于完好节点且随着残损程度增加逐渐降低,加固后残损节点的承载力、刚度较加固前显著提高,耗能能力有所降低;钢板-自攻螺钉适合加固强度或刚度明显不足的榫卯节点。

单向加载下明销直榫节点力学性能研究

西南木结构民居的节点主要采用带销钉的直榫连接,明销直榫连接是其中最常用的连接方式之一。为了研究明销直榫节点的力学性能,设计了8个足尺明销钉直榫节点和2个无销钉直榫节点,并进行抗弯的单调加载试验,得到不同类型节点的弯矩⁃转角曲线以及拔榫量⁃转角曲线,探讨销钉形状、位置对直榫节点性能的影响。研究表明:明销直榫节点在单向加载的情况下,其弯矩⁃转角曲线大致分为弹性受力阶段和塑性发展阶段,节点的失效原因主要是木材强度的破坏导致其变形过大而失去承载力;销钉对直榫节点有一定约束作用,能提高直榫节点的力学性能,降低其拔榫量;方形销钉对直榫节点约束性更强,销钉的位置对直榫节点影响较小。

胶合木梁柱直榫-L型钢板连接节点抗震性能试验研究

通过4组14个胶合木节点试件的单调和低周反复加载试验,研究了梁柱直榫钢板连接节点的抗震性能。试验研究表明,胶合木梁柱直榫-钢板节点性能主要取决于木螺钉锚固性能和榫卯挤压变形能力;节点试验初期,木螺钉与木材的咬合力会使节点刚度较大,试验后期木螺钉横纹拔出致使节点承载力降低,由于榫卯挤压使得节点破坏形式为塑性破坏模式;同等条件下,直榫-钢板节点的极限承载力和刚度均大于胶合木纯榫卯节点,节点承载力和刚度随螺钉直径的增加而增加,随榫头长度减小而减小。

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。

直榫节点的可拆卸式加固方法的试验研究

我国许多现存的古建木结构使用年限已久,榫卯节点是古建筑木结构中的关键部分,脱榫是该类型结构的 主要破坏形式.了解榫卯节点加固后的力学性能是研究古建木结构整体性能的基础.文章在总结现有研究成果的基 础上,对榫卯节点扁钢加固后的抗弯性能进行了试验研究.论文进行了 3个扁钢加固的直榫节点的单调荷载试验. 试验结果表明：节点均发生榫头屈服破坏,枋端、柱端完好无损且应力较小,试验得到的节点弯矩与转角（M-0）曲线 呈现“上升-平缓-下降”三个阶段,随着荷载增加刚度逐步下降.钢箍加固后节点承载力的提升幅度大于刚度的提 升幅度,挤压变形较大,总体呈现半刚性模式,拔榫量与转角成线性关系.

黔东南州传统木结构直榫节点类型和受力分析

贵州省黔东南州是穿斗式木结构集中区域,全州现存几十万栋木质民居,都是采用榫卯节点进行连接,而在榫卯节点中,直榫节点是主要连接方式。该文在调研的基础上对黔东南州木结构直榫节点类型进行梳理,并对其基本的受力特点进行分析,提出直榫节点的力学分析思路和解决办法,为后面对各种直榫节点的力学模型建立和推到提供思路。

黔东南州传统木结构暗销钉直榫节点力学性能研究

贵州省黔东南州是穿斗式木结构集中区域,全州现存几十万栋木质民居,且都采用榫卯节点进行连接。为了给黔东南地区木结构的性能研究提供理论基础,以黔东南木结构带暗销钉的直榫节点为研究对象,分析其受力,建立带暗销钉直榫节点力学模型,推导出直榫节点M-θ公式,并与相关试验数据进行对比,发现理论公式与试验结果基本吻合。

残损古建筑木结构单向直榫榫卯节点抗震性能试验研究

现存古建筑木结构均有不同程度的残损,而榫卯节点的残损对整体结构的安全性影响最大。为了研究不同残损类型、不同残损程度对单向直榫榫卯节点抗震性能的影响,制作了7个缩尺比例为1:4.8的单向直榫榫卯节点模型,包括1个完好节点模型、3个人工模拟榫头真菌腐朽的残损节点模型和3个人工模拟榫头虫蛀的残损节点模型。榫头真菌腐朽和榫头虫蛀分别采用在榫头表面钻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单向直榫榫卯节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律和耗能性能等进行了研究。试验结果表明:单向直榫榫卯节点的破坏形态主要为榫头部分拔出、榫卯接触处挤压变形,柱和枋基本完好;所有节点的弯矩-转角滞回环形状呈反S形,且残损程度越大,滞回环捏拢效应越明显;残损节点的转动弯矩、刚度和耗能能力明显低于完好节点,且随着残损程度增加逐渐降低;相同残损程度的人工模拟真菌腐朽节点的弯矩和刚度大于人工模拟虫蛀节点,但耗能能力低于人工模拟虫蛀节点。