古建筑木结构燕尾榫节点力学模型研究

在古建筑木结构中，燕尾榫节点广泛用于水平构件与柱头相交的部位。为了研究古建筑木结构中燕尾榫节点的弯矩-转角(M-θ)力学模型，在分析燕尾榫节点构造特点和受力机理的基础上，建立其数值模型，采用已有的燕尾榫节点试验数据验证了数值模型的正确性。根据受力分析的结果，建立以屈服点、极限点为特征点的双折线多参数M-θ力学模型，给出了考虑模型尺寸和材料特性的特征点计算式，其计算结果与大量试验数据吻合，并将该力学模型应用于木构架的受力分析中。研究结果表明：燕尾榫节点的挤压变形主要集中在榫头处，而卯口变形可忽略；提出的M-θ力学模型反映了燕尾榫节点的整个受力过程，适用于木构架的受力分析，其加载点荷载-位移曲线与试验结果基本吻合。研究成果可为中国古建筑木结构的维修与保护提供参考。     

考虑局压效应的榫卯节点力学性能研究

木结构榫卯节点在受力过程中处于局部受压状态,通过木材横纹、顺纹方向的中部局压、端部局压、全截面受压性能的试验研究,得到了相应的材性参数;设计了钢榫头-木卯口、木榫头-钢卯口、木榫头-木卯口三组不同形式的分离式直榫节点试件,通过单调加载试验,对局部受压区域的应变分布特征进行了研究;基于试验研究得出的榫卯节点受力机理,建立了考虑局压效应的直榫节点力学模型。研究结果表明：木材横纹局压的抗压强度和弹性模量均高于全截面受压,顺纹局压与全截面受压的材性参数基本一致;榫卯节点受力区域的榫头应变远大于卯口应变,榫卯节点的受力挤压变形主要集中在榫头,而卯口变形可忽略;考虑局压效应的榫卯节点力学模型计算结果比未考虑局压效应所得的结果更符合试验结果。     

木销半榫节点转动性能试验研究与有限元分析

为研究木销半榫节点平面内的转动性能和节点区域木材损伤演化,通过木销半榫节点试件的单调加载试验和有限元分析研究了此类节点平面内的转动性能。试验研究表明,加载初期预钻孔附近木材会发生横纹劈裂破坏,随着荷载不断增加,榫头变截面处木材会出现顺纹受拉破坏。节点有限元分析结果表明,采用弹塑性损伤模型建立的有限元模型对于节点刚度和受弯承载力具有较好的预测精度,误差在15.2%以内。该模型能够较为合理地反映木材顺纹方向和横纹方向的损伤演化过程。参数分析结果表明,节点受弯承载力会随顺纹和横纹抗拉强度的增加而增加,节点初始刚度会随横纹抗拉强度的增加而增加。     

穿斗式木结构钩榫节点抗震性能研究

为研究传统民居穿斗式木结构钩榫节点的抗震性能，参照西南地区典型木结构建筑，按1∶1.33缩尺比制作了5个不同榫头尺寸的钩榫节点和1个半榫节点，对其进行低周往复加载试验，研究节点的破坏形态、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律、耗能与变形能力。采用ABAQUS有限元软件对钩榫节点进行数值模拟，进一步分析了榫头与卯口部位的应力分布，以及榫尖高度和榫大头长度对钩榫节点受弯承载力的影响。结果表明：钩榫节点破坏形态主要表现为榫尖受剪破坏、榫头变截面处的木材撕裂和榫头折断，半榫节点破坏形态为榫头脱出卯口，柱和穿枋基本完好；钩榫节点弯矩-转角滞回曲线呈反“Z”形且正反向不对称；加载后期等效黏滞阻尼系数增大，节点耗能持续增大；钩榫节点变形能力较强，破坏转角可达0.08～0.12 rad,榫头横纹受压应力达到其抗压强度，柱卯口应力远小于其抗压强度；适度增大榫尖高度和减小榫大头长度均能有效提高钩榫节点的受弯承载力。     

古木结构中抬梁式和穿斗式木构架受力性能试验研究

为从木构架层次把握我国古建筑木结构的基本受力性能,根据相关文献和现场测绘设计并制作了抬梁式木构架和穿斗式木构架各1榀,进行了恒定轴压下的水平单调加载试验。通过试验研究获得了两类典型木构架的破坏模式、荷载-位移关系、榫卯节点的破坏形态、柱顶侧移-加载位移关系、榫卯节点的拔榫量-转角关系等。研究结果表明,在加载过程中,木构架中榫卯节点逐个破坏,半榫节点发生脱榫破坏,透榫发生变截面处顺纹撕裂破坏和榫头下侧受弯破坏,最终两榀木构架均发生整体倾覆破坏;抬梁式木构架和穿斗式木构架的极限位移角分别为1/6.6、1/4.0,均具有良好的变形能力,但抬梁式木构架的水平荷载承载效率明显低于穿斗式木构架;柱顶侧移随着加载位移的增加而近似线性增加;榫卯之间的初始缝隙在加载初期逐渐闭合,会引起部分榫卯节点拔榫量为负值,之后,主要榫卯节点的拔榫量随节点转角的增大而增大。     

直榫节点受弯性能研究

为了研究直榫节点的受弯性能,设计了3个相同尺寸的直榫节点。通过单调加载试验,获得了节点的弯矩-转角、拔榫量-转角关系曲线以及节点破坏形态。运用有限元分析软件ABAQUS,采用实体单元对榫头的变形状态、应力分布进行有限元分析。结合有限元分析和试验研究,建立了节点弯矩-转角关系的简化力学模型。研究结果表明:直榫节点的主要破坏形态为脱榫破坏,极限转角约为0.29 rad;缝隙对节点的受弯性能有着较大影响,且上侧缝隙影响较大,顶端缝隙影响相对较小;节点受弯时的抵抗力矩主要由榫头下侧局部压应力和摩擦力合成的弯矩提供;扣除滑移段后,直榫节点的弯矩-转角关系曲线可以简化为双折线模型,即上升段和下降段。     

半榫节点正反向受弯性能的实验研究

设计了2个半榫节点,通过单调加载试验,对其受弯性能(弯矩-转角、拔榫量-转角关系以及破坏形态)进行了研究。试验结果表明:半榫节点的主要破坏类型为脱榫破坏,破坏时榫头上侧和榫颈下侧存在明显挤压变形,柱和枋完好无损;节点反向加载时的受弯承载力大于正向加载时的受弯承载力;缝隙对节点的受弯性能有着重大影响,上侧缝隙影响较大,顶端和两侧缝隙影响很小。     

古建筑木结构骨架火灾下的温度场分析

针对我国古建筑存在的火灾危险性,利用ABAQUS建立某古建筑一榀木结构骨架的有限元模型,分析不同受火时间下木构架的温度场,给出各木构件的炭化速度及其变化规律以及榫卯节点的炭化规律、柱半高截面上部分点的温度变化规律。在一定的受火时间内,木构件的炭化速度呈现减小、增大、再减小趋势;竖直方向的炭化速度大于水平方向的炭化速度。在一段受火时间内,燕尾榫颈及其榫槽窄部出现有一定程度的炭化,且燕尾榫头与榫槽在靠近宽端的接触面均未出现明显炭化,瓜柱直榫头与榫槽也未出现明显炭化。     

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.     

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.     

穿斗式木结构通榫节点抗震性能研究及#br# 数值模拟分析

为研究穿斗式木结构通榫节点的抗震性能,对通榫节点缩尺模型进行低周往复荷载试验,分析节点的弯矩-转角滞回曲线及其骨架曲线、刚度退化规律、变形与耗能能力。采用ABAQUS非线性有限元软件对通榫节点进行数值分析,所得模拟结果与试验结果吻合较好。研究结果表明：通榫节点弯矩-转角滞回曲线捏缩效应明显,且随枋截面高度的增加而愈加明显;在加载过程中,枋在柱卯口处发生滑移,且滑移量随转角的增大而增大;节点的等效黏滞阻尼系数随着枋截面高度的增大而减小;通榫节点具有较好的延性和较大的承载力,加载转角达到0.22rad时,枋出现较大的挤压塑性变形,但未发生材料破坏。枋横纹应力达到其抗压强度,而柱顺纹应力尚未达到其极限抗压强度。     

风洞筒体预制板拼接节点力学性能试验研究

为满足大型风洞筒体预制板横向、纵向拼接处力学性能要求,提出了预制板横向、纵向拼接节点两种新型构造措施。对新型横向、纵向拼接节点各9个试件进行受弯、受剪和轴向拉压等试验研究,量测并分析试件的荷载、位移及应变,观测试件的裂缝发展情况和破坏过程。对新型横向拼接节点的受弯、受剪、受拉承载力以及纵向拼接节点的受剪承载力进行了理论简化分析计算,计算结果与试验结果吻合较好。研究结果表明:该新型横向、纵向拼接节点连接可靠,具有良好的承载能力和变形能力。     

地铁车站预制装配式结构注浆式#br# 榫槽接头弯曲抵抗作用特性研究

国内首次采用预制装配技术建造了多座地铁车站,本章以地铁车站预制装配式结构所采用的一种新型注浆式榫槽接头为研究对象,对接头在外荷载作用下的弯曲抵抗作用特性进行全面探讨,结合1∶1原型接头加载试验弯矩 转角(M-θ)承载特性曲线,针对工程实际应用中的单榫长接头、单榫短接头及双榫接头进行了不同轴力作用、不同注浆材料、不同注浆范围,以及有无外部预加力装置等各种工况进行接头抵抗作用特性分析,并首次提出对接头承载性能起关键作用的截面“抵抗矩”概念,给出抵抗矩计算方法,利用抵抗矩可对接头的承载能力进行初步判断。     

基于摇摆柱的古建筑木结构柱脚节点力学模型研究

在古建筑木结构中,木柱通常直接平摆浮搁于础石之上,形成只有受压而无受拉能力的柱脚节点。在地震作用下,木柱会发生摇摆,柱脚为半刚性节点。为研究地震作用下古建筑木结构柱脚节点的摇摆机理,对柱脚节点的受压状态进行分析,并对木柱的摇摆过程进行分类,给出了不同摇摆过程的判定条件,建立了柱脚节点的弯矩-转角（M-θ）力学模型;通过与柱脚节点的弯矩-转角曲线试验结果进行对比,验证了该力学模型的正确性;将该M-θ力学模型应用于古建筑木结构的地震分析中,分别建立了柱脚半刚性连接和铰接的数值模型,并与振动台试验结果进行对比。研究结果表明：木柱的摇摆过程可分为全截面弹性摇摆、小截面弹塑性摇摆、大截面弹塑性摇摆以及全截面弹塑性摇摆等4类;采用M-θ力学模型得到的柱脚节点弯矩-转角曲线计算结果与拟静力试验结果的差异在10%以内;与铰接的柱脚节点相比,采用柱脚半刚性连接计算的古建筑木结构在地震作用下的动力响应更接近振动台试验结果,结构的加速度峰值、位移峰值与振动台试验结果的差异均在20%以内。     

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。     

基于分式析因设计的燕尾榫节点抗弯性能研究

为研究节点尺寸、木材材性和摩擦因数等因素对燕尾榫节点在单向荷载作用下抗弯性能的影响,采用分式析因设计方法,结合有限元模拟技术获得了32组不同工况下燕尾榫节点的初始转动刚度和极限弯矩承载力样本值。基于统计分析给出了不同影响因素对燕尾榫节点抗弯性能影响显著性程度的量化指标,并分别建立了燕尾榫节点初始转动刚度和极限弯矩承载力关于显著性因素的回归模型,最后结合回归模型给出了可直接用于古建筑木结构整体结构计算的燕尾榫节点三参数幂函数模型。结果表明:不同评价指标下各因素显著性程度存在差异,但总体而言,榫高、榫长和摩擦因数这3个因素对燕尾榫节点的初始转动刚度和极限弯矩承载力的影响最为显著;在一定范围内,基于回归模型获得的燕尾榫节点三参数幂函数模型具有一定的可靠性,可利用该公式直接计算获得燕尾榫节点的弯矩 转角曲线,且计算简单便于应用;所得结果可为现存古建筑木结构的燕尾榫节点抗弯性能分析提供参考依据。     

Numerical investigations on the thermo-mechanical behavior of steel-to-timber joints exposed to fire

A three-dimensional finite element model is developed to predict the thermo-mechanical behavior of steel-to-timber doweled joints in tension parallel to grain exposed to fire. To manage the plastic yielding of the materials, the mechanical model is based on the von Mises criterion for steel and the Hill criterion for timber. In fire, the material characteristics depend on the temperature. Two different meshes are used for the thermal and the thermo-mechanical models. The thermal model is continuous, to take account of the thermal continuity between the joint components. The thermo-mechanical model is discontinuous, to consider the contact evolution between the joint components. The thermal model is used to predict the evolution of the temperature field inside the joint which depend on the gas temperature. It is validated on the basis of measured temperatures during fire tests. The complex transformations in wood during fire are represented by apparent values of thermo-physical characteristics proposed in the bibliography and calibrated on the basis of the experimental measurements. The mechanical model is validated by comparison with the experimental results of joints in normal conditions. The thermo-mechanical model is validated by considering the experimental failure times of some joints. The numerical models showed a good capacity to simulate the behavior of the timber joints in cold and in fire situations. These developed and tested models can be used as a general tool to analyze the behavior of a large variety of joint configurations to constitute a data base that can be used in safe and economic practice of fire engineering of wood joints.