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。     

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     

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。     

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。     

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。     

竖向荷载作用下叉柱造式斗栱节点受力性能试验研究与有限元分析

以独乐寺观音阁平座层叉柱造式斗栱节点为原型,按宋《营造法式》三等材的尺寸要求,以1/3.2的缩尺比例制作了3个叉柱造式斗栱节点模型。通过竖向加载试验,得到了斗栱节点的竖向荷载-变形关系曲线,分析了斗栱节点变形特征、竖向压缩刚度和竖向荷载传递规律等。试验结果表明:斗栱节点的破坏特征主要是栌斗和泥道栱的断裂与压屈、叉柱肢的弯翘变形;竖向荷载-变形关系曲线可简化为三折线;整个变形过程中,竖向荷载主要按照以叉柱为主,叉柱与栱共同传递及叉柱肢屈曲后以栱为主三种途径传递。采用ABAQUS有限元软件建立了叉柱造式斗栱节点的三维实体模型,分析了其承受竖向荷载的力学性能,计算结果与试验结果吻合较好。在此基础上,建立了叉柱造式斗栱节点的竖向荷载-变形关系模型。研究成果可为我国叉柱造式古建筑木结构的保护提供参考。     

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。     

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。     

基于摩擦-剪切耗能的斗栱有限元模型研究

以应县木塔中的典型斗栱为研究对象,依据试验模型的力学参数,通过对斗栱结构构造的简化,提出了基于摩擦-剪切耗能的有限元模型。该有限元模型采用三维实体单元构建,以空间牛腿结构的方式体现斗栱的构造连接和传递荷载的基本特征,在斗与栱的接触面设置摩擦接触对以实施构件摩擦-剪切耗能的基本功能。运用ANSYS软件构建了典型斗栱的有限元模型,并分别模拟了实体模型在竖向荷载以及竖向荷载与水平荷载共同作用下的试验过程。模拟分析结果表明,该有限元模型具有较好的摩擦-剪切模拟功能,可反映斗栱在竖向荷载和水平荷载共同作用下的力学特性。     

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。     

新型钢管混凝土柱环板节点的非线性有限元分析研究

钢管混凝土柱与梁的节点构造和受力分析是钢管混凝土柱结构推广应用的关键技术所在。提出一种新型钢管混凝土柱环板节点,并利用有限元分析软件ANSYS,对该新型钢管混凝土柱环板节点进行空间非线性有限元分析,分析垂直对称荷载作用下该新型构造节点内的应力分布情况和内力传递机理,并与穿心节点和不穿心的环梁节点进行比较分析。分析结果表明,该新型钢管混凝土柱环板节点能有效地传递梁端内力,且构造简单,施工方便,可为钢管混凝土柱节点的设计提供参考和选择。     

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。     

Post-fire behaviour of concrete-filled steel tubular column to axially and rotationally restrained steel beam joint

This paper presents a numerical investigation on the post-fire behaviour of concrete filled steel tubular (CFST) column to restrained steel beam joint. An entire loading and fire phase, including ambient loading, heating with constant loads, cooling with constant loads and post-fire loading, was employed in the numerical analysis, and a finite element analysis (FEA) model was built to simulate the behaviour of CFST column to axially and rotationally restrained steel beam joints with external diaphragm connections under the entire loading and fire phase. For validation, the proposed modelling method was used to predict the test results of CFST columns and joints in fire and post-fire. The comparison demonstrates that the accuracy of the proposed FEA model is acceptable. Afterwards, the FEA model was used to analyse the mechanics characteristics of CFST column to restrained steel beam joints in the entire loading and fire phase. Based on the numerical analysis, the joint moment versus relative rotation angle relationship in the entire loading and fire phase was addressed, and the residual joint strength index and stiffness index were defined to evaluate the post-fire performance of joints. Finally, simplified calculating formulas were proposed to calculate the two indexes, which provide a simply and feasible method to evaluate the post-fire performance of external diaphragm joints in the CFST column - steel beam framed structure.     

传统民居穿斗式木结构栓榫节点抗震性能试验研究

以川西传统民居穿斗式木结构中的栓榫节点为研究对象，参照当地典型工程，制作了4个缩尺比为1∶1.33的榫卯节点，并对其进行低周反复加载试验，得到了栓榫节点的破坏形态、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律以及耗能能力等抗震性能指标；利用ABAQUS软件建立有限元模型，分析梁截面高度和栓子截面尺寸对榫卯节点承载力的影响。结果表明：节点的破坏形态主要为半榫节点榫头拔出、采用方形栓子节点榫头发生剪切破坏、采用圆形栓子节点榫头发生折断破坏；柱子基本完好，榫头破坏较为严重；所有节点的弯矩-转角滞回曲线均呈Z形，滞回环的捏拢效应较为明显；采用方形栓子节点的受弯承载力、转动刚度和耗能能力均大于半榫节点，且随着方形栓子截面尺寸的增大而逐渐增大；栓榫试件破坏时节点转角均大于半榫试件，说明栓子的存在能够提高榫卯节点的变形能力；枋截面高度对榫卯节点承载力影响较大，方形栓子边长和圆形栓子直径分别为10~30mm和10~20mm时较为合理。研究结果可为传统民居穿斗式木结构的定量参数化设计和抗震性能分析提供参考。     

梁翼缘、腹板开孔方钢管混凝土柱-H型钢梁节点力学性能试验研究

为研究梁翼缘、腹板开孔构造对方钢管混凝土柱-H型钢梁节点破坏模式的影响,对6个方钢管混凝土柱-H型钢梁节点（1个常规节点和5个开孔节点）进行了低周循环加载试验。试验结果表明：按现行规范设计的方钢管混凝土柱-H型钢梁常规节点在梁翼缘对接焊缝处脆性断裂,节点的塑性转角不能满足临时指南FEMA的要求;合理的梁翼缘和腹板开孔构造,显著减缓了方钢管混凝土柱-H型钢梁节点梁翼缘对接焊缝的应力集中,梁削弱截面形成塑性铰,节点塑性转角达到0.03 rad,满足了临时指南FEMA的要求;其滞回性能稳定,承载力和常规节点相当;内隔板与柱壁板间焊缝质量较差的节点在试验中发生柱壁外鼓、柱壁间焊缝撕裂,节点延性和承载力明显下降。     

古建筑木结构柱脚节点受力性能试验研究

在古建筑木结构中,将木柱直接平摆浮搁于础石之上,形成连接上部结构与台基之间的柱脚节点,其只承受压力而不承受拉力。在反复荷载作用下,木柱会沿柱脚边缘转动。为研究柱脚节点在地震、风荷载等作用下的受力性能,参考宋代《营造法式》制作了3个七等材足尺柱脚节点模型。通过低周反复荷载试验对柱脚节点的受力特点、滞回特性、转动刚度、刚度退化、柱脚截面等效半径和柱脚边缘点应变等特性进行研究,并分析了竖向荷载对上述性能的影响。试验结果表明：在反复荷载作用下,柱脚边缘出现受压变形,其转动支点交替变化;滞回曲线呈反Z形,产生捏拢现象;柱脚节点恢复弯矩和柱脚截面等效半径首先随转角增加而增加,而后逐渐趋于稳定;柱脚节点的初始转动刚度较大,随后刚度随转角增加逐渐减小;在反复荷载作用下,柱脚节点产生刚度退化现象,加载过程中,柱脚转动刚度为正值,表明其具有较好地转动性能;柱脚恢复弯矩、转动刚度、边缘点应变随竖向荷载增加明显增加,柱脚截面等效半径随竖向荷载增加而减小;通过试验拟合得到了竖向荷载对恢复弯矩和转动刚度的影响系数。     

T形钢管混凝土柱-工字钢梁框架顶层边节点抗震性能试验研究

选择T形截面钢管混凝土异形柱-工字钢梁框架顶层边节点为研究对象,按1∶2的缩尺比例设计并制作3个“弱节点”模型和1个“强节点”模型,通过施加恒定轴压比的竖向荷载和低周往复水平荷载,对节点模型进行加载破坏试验,观察节点模型的受力过程和破坏形态,得到水平荷载-柱端位移滞回曲线和骨架曲线,分析节点荷载特征值、延性、耗能以及刚度退化等。试验结果和分析表明：弱节点试件破坏形态主要为节点核心区在剪压复合应力作用下的剪切破坏,随轴压比增大,试件受剪承载力提高,但其延性和耗能能力有所下降;强节点试件破坏形态为钢梁的局部屈曲破坏,节点区基本完好,滞回曲线饱满,延性系数为3.89;合理地设计钢管混凝土异形柱-钢梁框架边节点,可满足抗震延性要求,实现“强柱弱梁,节点更强”的抗震设计目标。     

钢筋混凝土框架变梁中节点特性分析

根据10个梁高不等钢筋混凝土框架中节点试件在低周反复荷载作用下的试验结果,分析变梁中节点的破坏过程和破坏特点,重点研究左右梁高差对该类非常规节点抗震性能的影响。结果表明:左右梁高差变化对变梁中节点抗震性能影响显著,随着左右梁高差增大,梁柱组合体的剪力逐渐增大至峰值后不断降低;当左右梁高差大于1倍柱验算截面高度时,组合体宜按中间层边节点分析。在试验研究的基础上,根据节点区左、右梁高差变化与框架柱截面高度的相对关系,将钢筋混凝土框架变梁中节点划分为两类,并提出计算两类变梁节点特性的建议公式。     

双型钢混凝土转换梁柱节点抗震性能试验研究

以广东某高层建筑为工程背景,针对大跨度转换结构,提出了双型钢混凝土转换梁柱节点的构造组合形式,通过对2个转换节点的竖向和水平荷载作用下的低周反复荷载试验,研究了节点的破坏形态、承载能力、刚度、滞回特性、延性、耗能能力及关键位置钢筋和型钢的应变等性能。试验结果表明：转换梁内置双型钢腹板形成的封闭空间对混凝土有约束作用,提高了节点区混凝土的抗剪能力;双型钢混凝土转换梁柱节点的滞回曲线饱满,极限变形能力较强,承载力较高,刚度、延性和耗能能力均较好;被转换柱与双型钢混凝土梁采用“端板螺栓连接”实现了“在被转换柱底部先出现塑性铰”,达到了“强梁强柱,更强节点”和“强转换层,弱框架层”目的。     

钢管混凝土柱不同构造单梁穿心节点的有限元分析

钢管混凝土柱与梁的节点构造和受力分析是发展组合结构体系的关键技术。利用有限元分析软件AN-SYS,对采用不同构造的典型钢管混凝土柱与现浇钢筋混凝土梁的单梁穿心节点进行了空间非线性有限元分析。分析了垂直对称荷载作用下,采用不同构造的穿心节点内的应力分布情况和内力传递机理,根据分析结果提出了该类型节点的构造设计建议。