竹条端部螺钉连接节点力学性能研究

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由于原竹截面的不规则性和不可焊性,节点连接问题是当前原竹结构设计与研究的重点。原竹结构构件的螺钉连接方式具有施工效率高、传力明确等优点,在工程中已得到广泛应用,但目前有关原竹螺钉连接节点力学性能的研究相对缺乏。本文对竹条单螺钉连接节点和多螺钉连接节点进行试验研究,通过理论模型和数值模拟分析节点的力学性能和破坏模式,为此类节点的工程设计提供参考。通过试验,对竹条单螺钉连接节点的力学性能进行研究,得到不同直径螺钉连接节点的荷载位移曲线表现出分段特性。对节点破坏机理和破坏模式进行分析,发现节点的破坏模式表现为螺孔处的承压屈曲破坏,当厚径比较大时,螺钉易受弯屈服产生塑性铰。节点的初始刚度、极限荷载、屈服荷载与螺钉直径呈正相关关系,而延性随着螺钉直径增大有所降低。因竹木结构的相似性,基于木结构销类连接节点的三种力学模型假定,推导出单螺钉连接节点各屈服模式的承载力计算公式,其中刚塑性假定得到的计算值与试验值相比误差较小,作为节点承载力计算方法具有可行性。通过试验,对竹条多螺钉连接节点的力学性能进行研究,分析了螺钉端距、中距、个数和排列方式对节点破坏模式以及承载性能的影响,发现端距、中距和排列方式对节点破坏模式均有一定影响,针对端距和边距分别提出不小于4倍螺钉直径和不小于1.5倍螺钉直径的构造要求。试验结果表明单排布置螺钉连接节点承载性能优于单列布置螺钉连接节点,建议在竹条宽度足够且所需螺钉个数较少的情况下优先选用单排布置。通过Foschi模型对单排多螺钉连接节点的荷载位移曲线进行拟合,得到的拟合曲线与实际荷载位移曲线吻合较好。利用有限元软件ABAQUS对节点建立有限元分析模型,模拟各组试验加载情况,得到的节点屈服模式与试验结果相符,模拟得到的单螺钉节点荷载位移曲线与试验曲线误差在10%以内,吻合度较好。分析了多螺钉连接节点螺孔应力分布和螺孔间应力的相互影响。对竹材厚度、钢板厚度、初始空隙、摩擦系数、侧材材料和螺钉排布方式对承载性能的影响进行模拟,发现竹材厚度、钢板厚度和侧材材料对节点屈服模式有影响;增大竹材厚度和钢板厚度可以提高节点承载力;初始空隙对节点刚度和承载力有不利影响,应在工程中避免;单列螺钉错列排布可有效防止螺钉间环向拉应力叠加导致的纵向裂缝的发展。
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