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榫卯节点是古建筑木结构中的关键部分,榫卯损坏是该类结构的主要破坏形式。因此,了解榫卯节点的力学性能是研究古建木结构整体性能的基础。目前国内外关于榫卯节点的研究已经取得了一些成果,但仍处于探索阶段。本文总结并分析了现有的研究成果,结合清代燕尾榫做法进行了节点试验和有限元模拟分析,对木结构榫卯节点的力学性能进行了较为深入的研究和分析。主要的研究内容如下: 论文进行了2个传统燕尾榫和6个改进燕尾榫节点的单调荷载试验,并测定了试件所用木材的强度和12个弹性常数。节点试验结果表明:榫卯节点能承受一定的弯矩,但节点转动变形不可忽略,呈现半刚性,弯矩-转角关系大致成三折线模式;在节点受弯过程中,存在榫头离开卯口的趋势,节点拔榫量与转角之间基本呈线性关系。传统燕尾榫和改进燕尾榫的主要破坏形式为脱榫破坏,节点脱榫时,枋、柱基本完好,榫头和卯口产生明显的挤压变形;榫卯间缝隙对节点承载力和刚度有明显影响。 利用Abaqus有限元软件的实体单元模拟枋、柱,选择正交各向异性的材料模型模拟木材,采用摩擦单元和“硬”接触模型来处理榫头和卯口间的切向作用和法向作用,建立燕尾榫节点模型进行仿真模拟。通过与试验结果的比较,验证了有限元模型的正确性,并对误差原因进行了分析。在此基础上对改进燕尾榫模型进行了系统的参数分析,包括节点尺寸、木材材料性能、摩擦系数以及榫卯间缝隙。分析结果表明: (1)增大榫头高度、宽度和长度能都能提高节点的初始转动刚度和承载力;增大榫高最明显,长度次之,宽度最差。 (2)横纹抗压强度对节点承载力的影响大于横纹抗压弹性模量,而横纹抗压弹性模量对初始刚度的影响大于横纹抗压强度。 (3)接触面摩擦系数越大,节点的初始转动刚度和承载力越大。 (4)上表面缝隙和侧面缝隙对节点初始转动刚度和承载力影响较大,缝隙越大,节点初始转动刚度和峰值弯矩就越小;顶面缝隙对节点初始转动刚度和承载力影响较小,缝隙越大,节点初始转动刚度略微降低,对承载能力的影响不大。 根据有限元分析结果,建立了燕尾榫节点拔榫量与转角之间的关系,给出了相应的计算公式,该公式与文中试验结果吻合较好,为节点理论模型提供拔榫量的计算方法。 在节点受力机理分析的基础上,通过简化假定,建立节点的M-θ的理论模型,此理论模型显示榫头侧面对节点弯矩的贡献最大,占总弯矩的60%以上,其次是榫头上下面,而榫头顶面很小;理论曲线、试验曲线和有限元曲线变化趋势一致,具有一定的精度。为了便于使用,对理论模型进行了简化,删除受压区域榫颈区和榫头顶面区对节点弯矩的贡献,并考虑节点缝隙的影响,首次提出了M-θ的实用模型,并给出了特征点处的计算公式。实用模型具有较好的精度,为木结构的整体性能研究提供了理论基础。