足尺胶合木-螺栓-钢板连接节点抗弯力学性能分析

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现代木结构建筑作为三大装配式建筑之一,在国家的大力推动下,正逐步得到广泛的应用。节点设计是现代木结构设计中的难点和重点,其中螺栓、钢板等连接件的数量与尺寸以及几何布置的选择尤为重要,但是现有研究较少,在实际工程中也常依据设计师经验进行设计。同时由于木材具有尺寸效应,小截面构件或缩尺节点的研究结果并不一定适用于较大尺寸的构件和节点,而适用于大跨度空间结构所用的足尺截面连接节点的研究更是少之又少。因此,本文通过对不同螺栓行距与列距的螺栓-钢填板足尺连接节点进行抗弯试验,探究螺栓布置对节点性能的影响,进行有限元模拟和参数化分析,并推导该类节点的抗弯承载力和刚度的计算方法。此外,由于木材的加工难度较高,在工程中经常出现构件难以匹配的情况,本文还提出了一种可调节连接节点并验证其可行性。本文主要研究内容及结论如下:(一)对6个高600mm、长6m的试件进行抗弯试验,得到了梁与不同类型节点的破坏形式、承载力和刚度大小、刚接系数、延性等级和截面应力分布情况。结果表明:合理布置螺栓的行距、列距可使节点性能提高20%,在本试验中单钢板节点性能要优于双钢板节点,所设计的可调节节点仍有改进的空间。(二)利用ABAQUS软件建立模型,依据材性试验及Hill屈服准则模拟木材的材料属性、并运用cohesive单元对胶合层的断裂进行模拟。与试验结果对比,单钢板节点的承载力误差在5%以内,刚度误差在10%左右。通过参数化分析得知,随着螺栓布置接近中性轴,承载力和刚度下降10%,当螺栓列距增加时,可使承载力和刚度提升约30%。由参数化分析可知,对于可调节节点,当摩擦系数大于0.35时能充分发挥节点性能,与对照件单钢板节点的性能差距仅为1.5%,证明了其可行性。(三)通过对节点受力状态进行理论分析,在国内外规范的基础上提出了一套针对单钢板连接节点的抗弯刚度和屈服荷载的计算方法,并引入断裂力学理论,推导了开裂荷载的计算公式。与试验结果对比,误差在10%以内,验证了理论公式的可行性。依据本文方法可通过简便计算即可得到可靠的结果,简化了设计过程。
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