柱头科斗栱偏心受压性能试验研究及有限元分析

为研究竖向偏心荷载对柱头科斗栱受力性能的影响,对3个柱头科斗栱足尺试件进行不同偏心率下的竖向加载试验,得到了斗栱的破坏形态、刚度退化和变形能力。轴心受压破坏模式主要是大斗的压溃和正心瓜栱与单翘的劈裂,偏心受压时大斗和平板枋出现明显的转动,造成斗栱的抗压刚度与承载力降低。采用ABAQUS有限元软件对3种偏心率的斗栱进行有限元分析,模拟结果与试验结果吻合较好。在此基础上,对斗栱进行了参数分析,研究了竖向荷载偏心率,木材的抗压强度、弹性模量和摩擦系数对其受力性能的影响。结果表明：竖向荷载的偏心率越大,则斗栱的转动角度越大,其承载力越低;当偏心率为0.3时,斗栱的承载力比轴心受压时降低了41.64%;进入塑性阶段后,偏心受压斗栱的刚度退化较显著;随木材顺纹抗压强度和顺纹弹性模量的增加,斗栱的竖向承载力提高;木材的摩擦系数越大,斗栱产生的竖向位移越小。     

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。     

典型宋式斗栱试验骨架曲线特征和滞回性能分析

古木结构建筑遗产具有极高的历史、文物、艺术和科学价值,其地震安全性能评估工作亟待开展。斗栱是我国古木结构建筑中特有的构件,其受力性能是研究的重点难题。对4种、27个典型宋式斗栱试验数据进行了收集整理分析,明确了影响斗栱骨架曲线和耗能能力的关键因素。研究结果表明:(1)不同类型的斗栱在骨架曲线和破坏模式上有不同的表现;(2)不同的水平荷载加载方向对同一种斗栱的承载力和耗能能力有较大影响,叉柱造柱头铺作华栱向的承载力要比泥道栱向高33.77%;(3)竖向荷载大小对斗栱的刚度和承载力有一定影响,竖向荷载越大,斗栱的刚度和承载力越大;(4)同一种斗栱不同营造形式对其受力性能有不同程度的影响。研究成果可为古木建筑遗产的抗震性能评估提供重要参考。     

古建筑木结构叉柱造式斗栱节点抗震性能试验研究

斗栱是中国古建筑特有的形制,具有建筑装饰、传递荷载和耗能减震等综合作用。为研究叉柱造式斗栱节点的抗震性能,以独乐寺观音阁平座层叉柱造式斗栱为研究对象,参照宋《营造法式》三等材的营造方法,制作5个叉柱造式斗栱节点。通过低周反复荷载试验,研究叉柱造式斗栱节点的破坏形态、滞回特性、抗转动承载力、转动刚度、刚度退化和耗能等抗震性能,分析不同营造形式、不同竖向荷载等因素对斗栱节点抗震性能的影响以及双朵斗栱协同工作效应。试验结果表明:叉柱造式斗栱节点主要破坏形态是柱叉、散斗的劈裂,栌斗的开裂和受压屈服,枋弯曲断裂以及构件的分离与滑移。斗栱节点的弯矩-转角滞回曲线呈"S"形,滞回环"捏缩"效应明显;双枋斗栱节点的滞回曲线对称性好,而单枋斗栱节点的正、负向滞回曲线显著不对称。斗栱节点弯矩-转角骨架曲线的发展过程可划分为基本弹性阶段、弹塑性上升阶段和平稳破坏阶段三个阶段,并根据试验结果建立斗栱节点的弯矩-转角简化计算模型。竖向荷载越大,节点抗转动承载力和转动刚度越大,根据试验结果建立斗栱节点转动刚度的竖向荷载影响系数计算公式。研究成果对我国叉柱造式古建筑木结构的保护具有重要参考价值。     

太昊陵统天殿斗栱竖向荷载作用下应力状态分析

淮阳太昊陵统天殿斗栱是豫东地区明清时期斗栱的典型代表,为了指导其修缮与加固,选取统天殿柱头科斗栱建立有限元分析模型,采用接触非线性理论并考虑大变形对其进行受力性能分析。分析结果表明:在承载力极限状态的竖向荷载作用下,斗栱沿荷载作用方向刚度较大,变形较小;斗栱的坐斗、各昂及栱的跨中易发生横纹受压破坏;单才万栱及头昂的跨中受拉区易发生剪切破坏;斗栱中各构件接触面的边缘部位易发生应力集中。研究结果将为统天殿斗栱的修缮设计提供科学依据,并为同类斗栱的修护提供技术参考。     

宋、清式斗栱低周反复荷载试验研究

对六朵宋式斗栱及一攒清式斗栱足尺模型进行了低周反复荷载试验研究。由试验结果可以看出,斗栱像球形铰一样具有较好的转动能力,而且层间滑移现象并不明显。大部分斗栱模型发生了斗底的脱榫或折榫破坏,而上部构件的整体性较好,基本未发生破坏。试验得出了斗栱的滞回曲线、骨架曲线,由于里跳和外跳不对称,所以横向加载时的滞回曲线不对称。还探讨了不同形制及铺作数对斗栱抗震性能的影响,宋式斗栱横向的抗侧刚度和水平承载力略大于纵向的,且随着出跳数增加而减小;清式斗栱由于尺寸较小,抗侧刚度和承载力均较小。     

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。     

传统风格建筑钢框架结构拟静力试验研究

为研究传统风格建筑的钢框架结构的破坏形态和抗震性能,以位于抗震设防烈度8度区的一传统风格建筑钢框架结构为原型,按1∶2缩尺比例制作了试验模型,对其进行了低周反复加载试验。试验中观察了钢框架结构的受力过程及破坏形态,得到了结构的荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、应变特征、延性、耗能性能、刚度与承载力退化等。试验结果表明: 传统风格建筑钢框架结构的斗、栱构件在水平荷载作用下可作为第一道抗震防线,梁端塑性铰发展充分,满足“强柱弱梁、强节点弱构件”的抗震要求;滞回曲线出现捏拢现象,呈Z形变化,表现出剪切滑移特征,与常规钢框架结构有明显的差异;在加载前期刚度退化较为显著;结构破坏时,极限位移角达到1/20,承载力退化系数接近0.9,表现出良好的抗倒塌能力和稳定的承载力。     

残损古建筑木结构叉柱造式斗栱节点抗震性能退化规律研究

为研究残损叉柱造式斗栱节点的抗震性能及其退化规律,以独乐寺观音阁平座层叉柱造式斗栱为研究对象,参照宋《营造法式》三等材的营造方法,制作4个叉柱造式斗栱节点,并采用人工模型方法,模拟构件表面腐朽、虫蛀及裂缝等三类残损斗栱节点。通过低周反复荷载试验,研究残损斗栱节点的破坏形态、滞回性能、抵抗弯矩承载力、转动刚度、耗能及其退化规律。试验研究表明:残损叉柱造式斗栱节点的破坏形态与完好斗栱节点相似,残损节点模型的破坏更显著、更严重;残损斗栱节点的弯矩-转角滞回曲线呈弓形,滞回环捏缩效应较小,层间滑移现象减弱;不同残损斗栱节点的抵抗弯矩承载力和转动刚度都有一定程度的降低;残损节点的耗能能力都有所提高;残损斗栱节点仍具有较好的变形能力和延性。初步建立了节点的残损度与其抗震性能退化之间的关系。研究成果对我国现存叉柱造式古建筑木结构的残损评估和保护具有重要参考价值。     

胶合木-混凝土组合梁与木柱组合体抗震性能试验研究

木-混凝土组合楼盖已经得到了广泛的应用,但在木结构节点设计中一般均忽略混凝土楼板对节点受力性能的影响。为研究混凝土楼板的组合作用和混凝土板内纵向钢筋配筋率对胶合木-混凝土组合节点抗震性能的影响,对3个胶合木-混凝土组合梁与木柱组合体和1个胶合木梁柱组合体试件进行了低周反复加载试验,研究了试件变形特征与破坏模式、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线及组合梁界面相对滑移等的变化规律,探讨了试件承载力、刚度退化及耗能能力等抗震性能指标,并对比分析了纯木与带有混凝土楼板的试件的抗震性能。研究结果表明,胶合木梁与混凝土板的组合作用能显著提高试件的承载力和耗能能力等,且混凝土板对节点的约束作用可以有效抑制其刚度退化;在一定范围内,混凝土板配筋率越大,其对节点的约束作用越大,对刚度退化的抑制作用也越强,从而可有效提高试件的抗震性能。     

胶合木-混凝土组合梁与木柱组合体抗震性能试验研究

木-混凝土组合楼盖已经得到了广泛的应用,但在木结构节点设计中一般均忽略混凝土楼板对节点受力性能的影响。为研究混凝土楼板的组合作用和混凝土板内纵向钢筋配筋率对胶合木-混凝土组合节点抗震性能的影响,对3个胶合木-混凝土组合梁与木柱组合体和1个胶合木梁柱组合体试件进行了低周反复加载试验,研究了试件变形特征与破坏模式、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线及组合梁界面相对滑移等的变化规律,探讨了试件承载力、刚度退化及耗能能力等抗震性能指标,并对比分析了纯木与带有混凝土楼板的试件的抗震性能。研究结果表明,胶合木梁与混凝土板的组合作用能显著提高试件的承载力和耗能能力等,且混凝土板对节点的约束作用可以有效抑制其刚度退化;在一定范围内,混凝土板配筋率越大,其对节点的约束作用越大,对刚度退化的抑制作用也越强,从而可有效提高试件的抗震性能。     

应县木塔斗栱模型试验研究

以应县木塔中的代表性斗栱为研究对象,采用实体模型试验方法,确定斗栱传递荷载的机理和抵抗变形的特性,提供适用于构建斗栱简化模型的力学参数。试验研究选取三种典型斗栱：柱头铺作、补间铺作和转角铺作,按照1∶3的比例制作成模型;通过竖向荷载试验,得到斗栱的竖向荷载-竖向变形曲线和材料开裂前的抗压刚度;进行了竖向荷载作用下的水平低周反复荷载试验,得到斗栱在竖向荷载和水平低周反复荷载共同作用下的荷载-水平位移曲线和骨架曲线,确定斗栱侧向变形的特征和耗散能量的能力。研究结果表明：斗栱的竖向抗压刚度取决于沿轴心连接构件的承压面积以及材料的弹性模量,其失效特征主要为栌斗在剪压状态下的竖向劈裂;斗栱在水平反复荷载作用下的失效特征表现为泥道栱薄弱内槽面的水平劈裂,斗栱的抗侧移刚度随着竖向荷载的增加而增加,摩擦剪切耗能是斗栱耗散能量的主要方式。图12表5参11     

自攻螺钉参数设置对胶合木梁柱节点受力性能的影响

采用自攻螺钉对胶合木梁柱节点进行横纹加强可有效传递木材的横纹拉应力和顺纹剪应力,从而延缓木材开裂、提高节点性能。为了研究自攻螺钉的布置间距、直径和个数等参数对加强节点受力性能的影响,对4组采用不同布置间距、直径和个数的自攻螺钉加强胶合木螺栓连接梁柱节点进行单调和低周往复加载试验,得到各组节点的刚度、延性、承载力、破坏模式和抗震性能。结果表明：自攻螺钉个数增加、直径增大,节点的承载力、破坏转角、延性系数以及节点总耗能增大;自攻螺钉布置间距的变化对节点在单调荷载作用下的承载力和延性系数无明显影响;而节点在往复荷载作用下时,随着自攻螺钉布置间距的减小,节点承载力和总耗能降低。     

故宫太和殿一层斗拱水平抗震性能试验

故宫太和殿斗拱含溜金做法,是明清斗拱的最高形制。为更好地保护古建筑,以故宫太和殿一层平身科 、柱头科、角科斗拱为对象,采取静力试验方法,研究了明清溜金斗拱的水平抗震性能。基于上述斗拱的实际尺 寸,制作了1∶2缩尺比例模型,含不同类型斗拱各1座。分别考虑荷载从横向、纵向作用于各斗拱,开展了低周 反复加载试验。基于试验数据,获得了各斗拱的力-水平侧移(F-u)滞回曲线及骨架曲线,并在此基础上对比研究 了各斗拱的延性系数、耗能性能、刚度退化等抗震参数,提出了斗拱水平刚度简化计算模型。结果表明：太和殿 一层斗拱在水平荷载作用下具有较明显的滑移特性和较差的恢复力。斗拱在不同加载方向上的受力状态不同。随 着u值增大,F值表现为先增大、后减小,最后趋于稳定的过程。对于不同斗拱而言,各斗拱极限承载力Fm大小顺 序为：Fm(角科)>Fm(柱头科横向)>Fm(平身科横向)>Fm(平身科纵向)>Fm(柱头科纵向);延性系数μ大小顺序为： μ(柱头科纵向)>μ(平身科纵向)>μ(柱头科横向)>μ(角科)>μ(平身科横向);耗能能力S大小顺序为：S(平身 科纵向)>S(柱头科横向)>S(角科)>S(平身科横向)>S(柱头科纵向)。与其他2种斗拱相比,角科斗拱的水平刚度退 化不明显。太和殿一层斗拱的水平刚度值简化计算模型可用3线段表示,各阶段的水平刚度值依次减小。     

沿翼缘加载的型钢混凝土T形柱抗震性能试验及有限元分析

型钢混凝土T形柱截面不规则,沿腹板和翼缘两个主轴方向的受力性能差异较大。为研究实腹式型钢混凝土T形柱沿翼缘方向的抗震性能,对10个缩尺比为1∶2不同参数下的T形柱进行了水平加载试验。考虑了加载制度、轴压比和配钢率的影响,观察了T形柱的受力过程,分析其破坏形态及水平荷载-位移曲线、承载力、刚度、侧移角、延性、耗能能力等抗震性能指标。在此基础上,采用OpenSees对T形柱进行了有限元模拟,计算结果与试验结果吻合较好,进而分析了型钢的应力变化规律和P-δ效应对滞回性能的影响。结果表明：地震作用下,剪跨比为2.5的实腹式型钢混凝土T形柱沿翼缘方向发生弯曲破坏;不同的加载制度下,T形柱呈现出不同的破坏形态;滞回曲线饱满、对称、呈梭形,承载力稳定,耗能能力强;位移延性系数均大于5,破坏时侧移角介于1/16~1/10,显示出良好的延性和抗倒塌能力;加载循环次数越多,T形柱的延性越差;轴压比越大,刚度退化越快,延性和耗能能力越差;配钢率越大,T形柱的刚度退化越缓慢,延性和耗能能力变化较小;P-δ效应使得试件的承载力降低,但耗能能力发挥更充分。     

基于摇摆与剪切抗侧协同工作机制的斗栱节点侧向荷载-位移模型

斗栱节点是传统木结构重要抗侧构件之一,在竖向和水平荷载作用下具有摇摆与剪切抗侧协同的工作机制。根据斗栱节点摇摆与剪切变形,基于斗栱节点的几何物理参数及木材力学性能参数,以及已有传统木结构抗侧构件荷载-位移骨架曲线表征方法,给出了斗栱节点在竖向荷载和水平荷载共同作用下抗侧弹性极限荷载点、峰值荷载点及其切线刚度的计算方法,从而建立了斗栱节点侧向荷载-位移关系的解析模型。基于单、双斗栱节点在不同竖向荷载作用下的水平低周反复加载试验结果,验证了模型预测结果的准确性。研究表明,斗栱节点侧向荷载-位移模型可以较好地反映在模型弹性段和上升段斗栱节点的工作状态,但对峰值荷载的估计偏于保守。     

唐式斗栱竖向承载性能与施工工艺研究

斗栱是我国古建筑木结构中的代表性构件,具有重要的装饰价值与结构功能。对崇福观唐式斗栱的竖向承载性能与施工工艺进行研究,通过数值模拟与理论分析,研究了斗栱节点在竖向单调加载时的变形趋势、应力分布与荷载传递规律,结果表明：斗栱节点的整体变形主要是由栌斗受压屈服和下层栱构件的弯曲变形引起,华栱方向构件的应力与变形均大于泥道栱方向,斗栱的竖向荷载-位移曲线具有明显的变刚度特征。根据分析结果建立斗栱竖向刚度计算模型,并结合崇福观木结构建筑的施工经验,总结唐式斗栱的现场施工工艺,为古建筑木结构的设计施工提供参考。     

古建筑木结构偷心造和计心造斗栱力学性能数值分析

古建筑木结构的斗栱做法有偷心造和计心造两种基本形式,为研究这两种斗栱力学性能的差异,以饶益寺大佛殿的偷心造与计心造斗栱为研究对象,建立偷心造与计心造斗栱的有限元模型,用某斗栱的试验数据验证了有限元模型的正确性,并分析这两种斗栱在竖向荷载和水平低周反复荷载作用下的力学性能。研究结果表明:在竖向荷载作用下,由于计心造斗栱的横栱比偷心造斗栱多,其竖向荷载位移曲线有一个明显的强化阶段,导致其极限承载力比偷心造斗栱大29.9%;在水平低周反复荷载作用下,两种斗栱的滞回曲线都比较饱满,均表现出较好的耗能能力,但二者相差不大。     

弧形耗能器增强木构架抗震性能试验研究

对5个1:1.67的缩尺木构架模型进行了低周反复荷载预损试验,随后对采用不同半径、不同厚度的弧形耗能器增强的预损木构架模型进行低周反复荷载试验,得到了增强前后木构架的破坏模式、荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、耗能能力等性能参数;对弧形耗能器单独进行了低周反复荷载作用下的性能试验,得到了其滞回曲线和骨架曲线。试验结果表明:增强后木构架仍具有很好的变形能力;采用弧形耗能器能显著提高木构架的刚度、承载力和耗能能力,增强后木构架的承载力与刚度主要由弧形耗能器提供;木构架的刚度、承载力和耗能能力在一定范围内随着耗能器厚度的增加而增加;随着耗能器半径的增大,加载前期木构架刚度和承载力会有所下降,但加载后期耗能能力会有较大的提升。     

预制装配式混凝土斗栱竖向加载试验研究

以实际工程中平身科预制装配式混凝土斗栱为对象,制作足尺模型,进行竖向加载试验。研究了不同轴压比、不同偏心距竖向荷载作用下斗栱的典型破坏模式、变形趋势以及内力分布等。经试验研究后表明：采用竖向荷载进行加载时,斗栱试件耍头根部率先出现受拉裂缝,其后裂缝分别出现在昂、翘及其坐斗处,其中坐斗处为受压破坏,其余均为受拉破坏。竖向荷载作用下,斗栱极限承载力与偏心距成反比关系,与轴压比成正比关系,破坏形式随轴压比的减小逐渐接近脆性。