传统木结构建筑直榫节点受力机理研究

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根据结构体系的不同,传统木结构建筑主要分为抬梁式和穿斗式。抬梁式建筑主要分布在我国北方,而穿斗式建筑则多建造于南方。由于传统木结构建筑历经风雨、战乱、地震等的洗礼,保留下来的建筑均表现出不同程度的残损,如榫卯节点的松动、拔榫,斗拱的歪闪,结构构件的腐朽、虫蛀、干裂、老化、弯垂等,这些将直接影响建筑的安全和寿命。直榫节点作为传统木结构中的关键节点,由于木材干缩造成节点间产生缝隙,使得节点发生松动,直接影响到结构的抗震性能。因此,本文通过试验和理论分析,对传统木结构中的透榫节点、通榫节点的受力机理进行深入研究。为研究通榫节点的抗震性能,制作了3个不同截面高度的试件,进行了低周往复荷载试验,得到了节点的弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线,并对其刚度退化规律、变形与耗能能力等进行了分析;此外,分析榫卯节点的受力机理,分别建立了透榫节点、通榫节点的嵌压力学模型,通过构建节点模型的几何方程、物理方程、平衡方程得出两种节点的弯矩-转角关系计算公式;最后,由本文的通榫节点试验和课题组进行的松动透榫节点试验来验证理论分析的正确性,二者吻合较好,并对两种节点弯矩-转角关系的影响参数进行分析,得到以下结论:(1)通榫节点试验表明,节点产生较大转角时依然不会发生破坏,枋出现滑移,且与卯口挤压出现较大的塑性变形,木纤维翘起;节点的弯矩-转角滞回曲线具有明显的捏缩,且随着枋的截面高度增加而变得越明显。说明在加载过程中节点发生了滑移,且滑移随枋的刚度增大而增大;在弹性阶段,滑移导致节点的初始转动刚度随枋的截面增大的幅度较小;节点具有较好的延性和较大的承载力,直到加载转角超过0.2rad时依然没有发生破坏;节点的耗能能力随着枋的截面高度增大而减弱;(2)松动是透榫节点弯矩-转角关系的主要影响因素,随着松动程度的增大,节点的正、反向承载力和初始转动刚度均不断下降,但屈服前的承载力降幅比屈服后的大,且初始转动刚度与松动程度大致呈线性关系;随着摩擦系数的增大,透榫节点的正、反向弯矩和刚度均在增大,且正向增加幅度比反向增加幅度略大,但增大幅度均很小;透榫节点的正、反向初始转动刚度和弯矩均随小榫头长度和木材横纹受压弹性模量的增加而增大,且增加幅度较大;(3)通榫节点的初始转动刚度和弯矩均随松动程度增大而减小,节点屈服后弯矩随松动程度的减小幅度比屈服前明显,且节点的屈服点不断后移;随着木材间摩擦系数的增大,通榫节点的初始转动刚度不断增大,但增加幅度较小。节点的受弯承载力也随摩擦系数的增大而增大,但节点屈服后增幅比屈服前大;(4)枋截面高度的增大和木材横纹抗压弹性模量的增加,均会使通榫节点的刚度和受弯承载力增大,但后者的影响更加明显,且前者增加时节点的屈服点后移,后者增加使得节点的屈服点前移。
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