古建筑木结构榫卯节点接触特性研究

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古建筑具有无法替代的历史及文化价值,现存古建筑中,木结构为主要建筑形式。在木结构古建筑中,榫卯是其构件间主要连接方式。榫卯节点在地震作用下通过接触面间的相互挤压和摩擦耗散能量,使得木结构古建筑有着良好的抗震性能。因此,研究榫卯节点挤压和摩擦的接触特性对了解榫卯节点抗震性能有着重要意义。本文基于接触理论提出一种考虑木材间变接触的接触模型,建立了切向的摩擦系数与木材表面形貌参数、木材材料性质之间的关系,以及法向的接触刚度系数与木材表面形貌参数、木材材料性质之间的关系,并对不同纹理方向木材表面形貌参数进行了试验研究。本文对建立的接触模型中摩擦模型进行了基于FORTRAN语言的ABAQUS摩擦子程序二次开发,实现了变摩擦的接触特性。将所建立的接触模型应用于单向直榫节点单榀构架的ABAQUS有限元数值计算模型中,接触设置为切向调用摩擦子程序,法向定义了接触刚度系数,与课题组已完成的试验结果进行对比,荷载-位移滞回曲线和骨架曲线都吻合良好。同时建立了未采用接触模型的普通有限元模型,接触设置为切向定义常摩擦系数0.5、法向选择硬接触。试验结果与两种有限元模型分析的结果都显示出木结构构架荷载-位移滞回曲线捏缩效应明显的特点,考虑变接触的有限元模型承载力和刚度与试验更加接近。本文对比考虑变接触的有限元模型与普通有限元模型计算的区别,从模型整体的摩擦损耗能量、接触面的接触状态、接触应力及接触面上的接触合力角度进行了详细对比分析,结果显示使用本文接触模型的有限元模型与未使用接触模型的普通有限元模型在各个角度都存在较大的区别,在分析精细需求较高的对象时,使用本文的接触模型更为合理。
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